某行政樓飄帶狀網(wǎng)架及K形桁架吊裝施工技術(shù)
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雷 克1,2，張曉勇1，張 宇1，李 赟1，白 潔1，張其林2，張營(yíng)營(yíng)3
（1．中國(guó)建筑第八工程有限公司，上海 200240；2．同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；
3．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）
[摘要]對(duì)某行政樓61m跨“飄帶”狀網(wǎng)架和56m跨K形桁架整體吊裝施工方案進(jìn)行分析，采用有限元軟件MIDAS分別對(duì)網(wǎng)架和桁架的同步吊裝、不同步吊裝、風(fēng)荷載作用和卸載整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究和撓度監(jiān)測(cè)。研究結(jié)果表明，網(wǎng)架和桁架桿件應(yīng)力與吊點(diǎn)位移均滿足要求，說(shuō)明整體吊裝施工方案可行。
[關(guān)鍵詞]安裝；整體吊裝；大跨度；網(wǎng)架；桁架；數(shù)值模擬
[中圖分類(lèi)號(hào)]TU758 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)09-0025-03
空間鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝施工方法包括整體吊升法、整體提升法和整體頂升法。整體吊裝施工可在地面投影位置拼裝，減少高空作業(yè)；可與下部工程同時(shí)進(jìn)行，縮短工期；減少臨時(shí)支撐，節(jié)約措施費(fèi)；節(jié)能降噪，實(shí)現(xiàn)綠色施工。
大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝施工具有如下關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：吊點(diǎn)或者提升點(diǎn)數(shù)量和位置的確定，施工過(guò)程中吊裝或者提升速率變化引起的動(dòng)力效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，吊裝過(guò)程中吊點(diǎn)不同步對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響，施工全過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬。
空間大跨度鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝施工技術(shù)已經(jīng)在一些重大工程中得到應(yīng)用，本文對(duì)上海飛機(jī)制造有限公司行政樓屋面“飄帶”狀網(wǎng)架和連接網(wǎng)架之間的桁架結(jié)構(gòu)整體吊裝施工技術(shù)進(jìn)行研究。
1工程概況
本工程位于上海市，毗鄰上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)，屬于超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，整體長(zhǎng)度約740m；其中l(wèi)～4號(hào)樓約550m，為連體結(jié)構(gòu)，未設(shè)置伸縮縫。屋蓋結(jié)構(gòu)由螺栓球網(wǎng)架、焊接球網(wǎng)架及空間桁架共同組成；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)基本形式為下弦多點(diǎn)支撐四角錐網(wǎng)殼，局部采用雙向變形球鉸彈簧支座。網(wǎng)架最低高度為27. 16m，最高高度為37. 93m。網(wǎng)架厚度為1.41~4. 40m。整體覆蓋面積約27 000m2（見(jiàn)圖1）。“飄帶”狀網(wǎng)架的跨度為61m，質(zhì)量為80t，采用焊接球節(jié)點(diǎn)。兩網(wǎng)架之間共有13榀桁架，最大1榀K形桁架跨度為56m。“飄帶”狀網(wǎng)架和桁架吊裝區(qū)域如圖2所示。
2整體吊裝施工方案
2.1 吊裝施工方案概述
“飄帶”網(wǎng)架采用四點(diǎn)吊裝，吊點(diǎn)位于網(wǎng)架角部。網(wǎng)架總質(zhì)量為80t，選用4臺(tái)200t汽車(chē)式起重 機(jī)進(jìn)行整體吊裝。起重機(jī)位于網(wǎng)架外側(cè)，距吊點(diǎn)10m左右。為了與網(wǎng)架實(shí)際受力狀態(tài)一致，吊繩系在上弦節(jié)點(diǎn)上。吊點(diǎn)布置和起重機(jī)布置如圖3所示。提升到施工標(biāo)高后，采用高空對(duì)接方式與兩端網(wǎng)架連接，完成吊裝要求。吊裝施工步驟如下：地面拼裝網(wǎng)架→4臺(tái)200t起重機(jī)進(jìn)場(chǎng)→預(yù)先試吊，提升離地0.5 m→網(wǎng)架整體提升→提升過(guò)程中的測(cè)量及控制→十提升到設(shè)計(jì)標(biāo)高后測(cè)量網(wǎng)架相關(guān)參數(shù)→高空對(duì)接，連接成整體→網(wǎng)架卸載→吊裝完成。
對(duì)于跨度小、質(zhì)量輕的桁架，采用1臺(tái)120t起重機(jī)四點(diǎn)起吊；對(duì)于跨度大、質(zhì)量大的桁架包括連接兩“飄帶”網(wǎng)架的K形桁架，采用2臺(tái)100t的起重機(jī)四點(diǎn)起吊。桁架吊裝就位后與“飄帶”網(wǎng)架之間進(jìn)行焊接。吊裝步驟和網(wǎng)架吊裝步驟類(lèi)似。
2.2 吊裝過(guò)程難點(diǎn)及處理
本工程中“飄帶”網(wǎng)架和桁架吊裝就位后，起重機(jī)不能松鉤，需要兩端拼裝完成形成一個(gè)整體后才可松鉤。對(duì)于整體吊裝過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)水平和豎向偏差、高空補(bǔ)桿、支座軸線偏差等難點(diǎn)，采取如下處理方法。
1)水平和豎向偏差 網(wǎng)架或桁架提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，水平方向上，在端點(diǎn)處用手拉葫蘆將被提升的網(wǎng)架或桁架與已有結(jié)構(gòu)的上弦和下弦連接，通過(guò)端點(diǎn)的手拉葫蘆同向調(diào)節(jié)水平方向上的誤差。豎直方向上通過(guò)在懸挑網(wǎng)架的拔桿為受力點(diǎn)用手拉葫蘆將其與提升網(wǎng)架連接起來(lái)，通過(guò)汽車(chē)式起重機(jī)的提升和懸挑網(wǎng)架把桿上對(duì)角兩點(diǎn)手拉葫蘆消除豎向偏差。
2)高空補(bǔ)桿高空補(bǔ)桿分為2類(lèi)，一類(lèi)是因客觀條件限制，部分桿件不能預(yù)先安裝，只能在網(wǎng)架吊裝就位后，高空散件補(bǔ)桿；另一類(lèi)是因施工過(guò)程中對(duì)桿件損壞等原因，需要更換桿件。工地現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備每種規(guī)格的鋼管至少12m及相應(yīng)配件各10套，作為應(yīng)急備用材料。如現(xiàn)場(chǎng)需要補(bǔ)桿件，可以利用備用材料制作桿件。
3)支座軸線產(chǎn)生偏差 考慮到網(wǎng)架吊裝至設(shè)計(jì)標(biāo)高處可能會(huì)偏移軸線，故現(xiàn)場(chǎng)除成品支座外可另行將支座底板與圓管焊牢，加勁板散發(fā)至現(xiàn)場(chǎng)，待支座安裝就位后再將加勁板焊接牢固。
3 吊裝施工過(guò)程模擬分析
3.1 “飄帶”網(wǎng)架施工過(guò)程數(shù)值模擬
采用MIDAS軟件對(duì)“飄帶”網(wǎng)架吊裝施工過(guò)程 進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算模型如圖4所示。“飄帶” 網(wǎng)架共有2 563根桿件，吊點(diǎn)編號(hào)分別為D1，D2，D3 和D4。“飄帶”網(wǎng)架計(jì)算包括吊裝階段和安裝完成 后的卸載計(jì)算。吊裝計(jì)算包括3類(lèi)工況，分別是同步吊裝、不同步吊裝（吊點(diǎn)變形差為20cm）和風(fēng)荷載。安裝完成后的卸載計(jì)算包括5種卸載工況，分別是：D1和D2同時(shí)小范圍卸載100kN；D3和D4同時(shí)小范圍卸載100kN；D1和D2同時(shí)小范圍卸載200kN：D3和D4同時(shí)小范圍卸載200kN；D1，D2，D3,D4同時(shí)全部卸載。
各工況變形、應(yīng)力和吊點(diǎn)最大反力計(jì)算結(jié)果如表1所示，其中變形表示最大變形點(diǎn)相對(duì)于吊點(diǎn)的變形量。由計(jì)算結(jié)果可知，網(wǎng)架吊裝階段計(jì)算結(jié)果滿足要求。安裝完成后卸載時(shí)各工況計(jì)算如表2所示。由計(jì)算結(jié)果可知，網(wǎng)架安裝完成后卸載階段各桿件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果滿足要求。
3.2 K形桁架施工過(guò)程數(shù)值模擬
K形桁架是連接兩“飄帶”網(wǎng)架之間的桁架，由1榀桁架和2段弧形桁架組成。吊裝時(shí)采用2臺(tái)起重機(jī)四點(diǎn)起吊，其中D1，D4和D2，D3分別由2臺(tái)起重機(jī)起吊。采用MIDAS軟件對(duì)K形桁架施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算模型和吊點(diǎn)如圖5所示。桁架共有448根桿件，吊點(diǎn)編號(hào)分別為D1和D2。吊裝計(jì)算包括3類(lèi)工況，分別是同步吊裝、不同步吊裝（假定吊點(diǎn)變形差為20cm）和風(fēng)荷載3種工況。由于桁架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此僅計(jì)算單側(cè)不同步吊裝即可。安裝完成后的卸載計(jì)算包括3種卸載工況，分別是各吊點(diǎn)同時(shí)小范圍卸載20kN，D1，D4和D2，D3同時(shí)小范圍卸載5kN和同時(shí)全部卸載。
經(jīng)計(jì)算，吊點(diǎn)最大反力為95. 5kN，鋼絲繩反力設(shè)計(jì)值310 k N，滿足吊裝要求。桁架桿件材料為Q345，同步吊裝最大應(yīng)力為39.8 N/mm2，小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度315 N/mm2。桁架同步吊裝時(shí)最大變形為10. 8mm，小于224mm（跨度/250）。各工況變形、應(yīng)力和吊點(diǎn)最大反力計(jì)算結(jié)果如表3所示，其中變形表示最大變形點(diǎn)相對(duì)于吊點(diǎn)的變形量。由計(jì)算結(jié)果可知，桁架吊裝階段計(jì)算結(jié)果滿足要求。K形桁架安裝完成后卸載時(shí)各工況計(jì)算結(jié)果為：各吊點(diǎn)卸載20kN時(shí)應(yīng)力為106. 4MPa，各吊點(diǎn)卸載50kN時(shí)應(yīng)力為93. 2MPa，卸載完成時(shí)應(yīng)力為87. 6MPa。由計(jì)算結(jié)果可知，桁架安裝完成后卸載階段各桿件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果滿足要求。
4 實(shí)際吊裝及過(guò)程監(jiān)測(cè)
為保證在整體吊裝施工過(guò)程中網(wǎng)架和桁架的安全性以及安裝精度，吊裝前在相應(yīng)測(cè)點(diǎn)貼應(yīng)變片。當(dāng)結(jié)構(gòu)提升到距離地面0.5，10，20，30，33. 4m時(shí)暫時(shí)停止提升，用全站儀對(duì)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行監(jiān)控。在施工吊裝過(guò)程中，網(wǎng)架和桁架測(cè)點(diǎn)撓度偏差≤200mm。在網(wǎng)架和桁架撓度測(cè)量周期里，每測(cè)量一次，調(diào)整一次，防止累積誤差。監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計(jì)算基本一致。
5 結(jié)語(yǔ)
本文結(jié)合異形“飄帶”狀空間網(wǎng)架和K形桁架整體吊裝施工方案和施工過(guò)程分別進(jìn)行了分析、數(shù)值模擬研究和實(shí)測(cè)。
1)針對(duì)大跨度異形空間鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝應(yīng)進(jìn)行同步吊裝、不同步吊裝和卸載多工況下的理論分析和計(jì)算，通過(guò)計(jì)算確定合理的吊裝方案。
2)結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，采用本文的吊裝方案施工，桿件應(yīng)力和變形等均滿足要求，且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對(duì)比基本一致，這表明本文的整體吊裝方案科學(xué)合理。
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