某钢结构大倾角单层网壳施工技术

东莞光启科学中心项目为一栋5层办公楼如图1、图2所示。建筑总高度24.8 m，地下1层，地上5层，主体为圆环型钢框架结构，主体外连3个裙房，裙房4层以下为大倾角编织筒型单层网壳结构，裙房4层以上为钢框架结构，并与主体框架相连接成整体，结构整体外观造型新颖，工程项目总用钢量约为6 200 t。

图1 建筑效果

图2 结构整体模型 m

本工程大倾角圆筒型单层网壳结构如图3所示，垂直高度13.35 m，平面尺寸最大宽度25.6 m，最小宽度10 m，倾斜角度为60°，总用钢量1 047 t，由665根截面分别为φ500×30、φ400×20、φ351×20的圆管相贯焊接而成，其结构及节点如图3所示。倾斜圆筒型单层网壳圆管相贯节点复杂，杆件相交成编织筒状。

a—网壳结构；b—节点。
图3 网壳结构及节点示意

根据本工程网壳结构特点，可采用满堂脚手架高空散拼，按层分块吊装、按面分片吊装的方法安装。各方案优缺点对比如表1所示。

表1 方案对比

方案1：满堂脚手架高空散拼，如图4所示，在倾斜网壳结构正下方搭设满堂脚手架，采用塔吊高空逐根杆件安装。

图4 满堂脚手架施工示意

方案2：按层分块吊装，如图5所示，网壳地面拼装时，拼装单元按层分块，从下往上共分成4块拼装单元，地面拼装时采用型钢胎架立面拼装，同时搭设操作平台，后用汽车吊整体吊装。

图5 按层分块吊装法示意

方案3：按面分片吊装，如图6所示，网壳地面拼装时，拼装单元按平面分块，从下往上共分成4片拼装单元，每片之间留设后装构件。地面拼装单元采用卧式拼装，既有利于控制拼装单元精度，又有利于保证人员安全，后用汽车吊整体吊装。综合各施工方案的优缺点，考虑质量、安全、工期及经济性，采用按面分片吊装的方法安装。

图6 按平面分块吊装法示意

3.2.1 施工坐标转化

网壳地面拼装采用特制胎架卧式拼装(图7)。拼装时采用计算机仿真技术，在CAD软件中将网壳分片的三维模型转换到地面预先设定位置，所谓地面预先设定位置即为现场临时拼装场地，再根据仿真技术，确定模型构件各端口在地面的三维定位坐标，该三维坐标即为构件地面拼装定位测量坐标。同时拼装胎架设置也应根据施工坐标点设置，通过三维模型将胎架与拼装单元组合放样，确定支承位置，拼装时标记在构件上，以控制网壳地面拼装精度。

图7 地面卧式拼装示意

3.2.2 拼装顺序

拼装顺序的选择是影响杆件之间拼接是否合理的关键控制点，本工程采用单个网格成型，依次对称安装的方式，拼装时从一侧往另一侧依次安装，先形成单个网格，后依次往外延伸。本工程中网格尺寸上下开口不同，应统一从小开口往大开口方向进行安装，即安装位置为从上往下安装。

焊接变形是影响网壳拼装质量的关键因素，构件拼装过程中各构件间先临时点焊固定，整体拼装完成后进行测量校正后再整体焊接。焊接整体应遵循“先主杆后次杆，分层多道焊，对称焊接”的原则进行。为了减小焊接应力，同一次杆件两端的焊缝不能同时施焊，须等一端焊缝焊完后再焊另一端焊缝。每条环缝的焊接，根据管径的大小可分别选择1～2人进行焊接；当选用2人焊接时，施焊时必须保持左右(上下)对称进行焊接；焊接时必须严格按照焊接工艺评定试验方案中所示的焊层布置，由板厚底部至钢板表面逐层进行焊接(图8)。

a—节点1；b—节点2。
图8 现场焊接相贯节点

安装过程中，每个分片网壳根据网壳结构特点划分。为确保其自身刚度及在吊装过程受平面外的吊装力作用时满足结构变形要求，同时在安装位置上由于结构自身倾斜，在未形成完整的结构前，为保证已安装的单片网壳安全稳定，位移及应力满足要求，采用MIDAS有限元软件进行施工阶段力学分析，计算结果如图9、图10所示。

a—三向位移;b— x 向位移；c— y 向位移;d— z 向位移。
图9 网壳模拟计算位移云图 mm

a—应力比分布;b—应力分布,MPa。

图10 网壳模拟计算结果

本工程每个裙塔网壳分16个阶段顺序安装完成，在最后一个阶段其结构变形最大为5.18 mm，应力比最大为0.05，应力最大为13.1 MPa，均满足结构刚度及受力要求。

吊装状态下，分片网壳的受力情况如图11所示，由图可知，变形最大的一片网壳的最大变形为10.76 mm，最大应力为1.4 GPa(出现在吊装钢丝绳上)，均满足相关规范要求。

a—位移，mm;b—应力，GPa。
图11 网壳分片吊装工况模拟结果

通过仿真模拟技术，实现分片地面拼装预先精确定位，减少了高空散拼的风险，提高了安装精度。

根据工程特点择优选取了最佳施工方案，并通过MIDAS软件进行施工阶段力学分析，确定了最终施工完成后结构中的内力情况，充分保障施工过程中结构的受力安全及施工质量。

来源：洪兆林, 王加林, 苏铠, 等. 某钢结构大倾角单层网壳施工技术[J]. 钢结构, 2019, 34(5): 98-101.

doi: 10.13206/j.gjg201905018