大跨度空间网格结构常用安装方法及新思路

近年来,大跨度空间网格结构在航站楼、会展中心、体育馆等城市大型公建项目中得到了广泛的应用。伴随着新型结构形式的不断涌现,现场安装也面临着巨大挑战。通过对近年来空间网格结构典型案例梳理及几种常用安装方法的优、劣势分析,发现现有安装方法在实际应用中均存在一定的局限性。因此,亟需对更高效的安装技术展开深入研究。

以国际 FIFA 标准建设中的广州 10 万座足球场,是国内罕见的球场与商业结合、场心下设地下室的体育文化综合体项目。项目设计灵感来源于“并蒂莲”,取其“含苞待放又紧紧相拥” 的优美形态,造型别致。钢罩棚最高点标高为 88.6 m,最大悬挑长度约 91 m,自上而下布置 3 层菱形花瓣状体块,每层花瓣造型由 12 个单元构成,单个花瓣尺寸达 40 ~ 64 m,形成巨型带肋空间折板网格结构。在分析现有的高空原位安装、累积滑移安装等方法后,发现存在临时措施量大、交叉作业多、质量控制难等问题。借鉴桥梁竖转安装思路,提出空间网格结构的负角度竖转安装方法。其核心步骤为:低位拼装—竖转到位—嵌补合龙—同步分级卸载。而后,对竖转界面及单元划分、竖转系统设计、转铰构造等关键节点进行分析。基于此,利用 MIDAS/Gen 大型结构有限元分析软件,对竖转过程关键施工阶段的变形及受力进行施工模拟验算,并与设计施工阶段的结果进行对比,以此验证竖转安装方法的可操作性。

分析结果表明:卸载后的钢罩棚整体变形模拟值与设计值基本吻合;竖转法安装技术在安全、质量、临时措施量及进度控制等方面相较于常规的安装方法均具有一定优势,在大跨度空间网格结构的安装中具有广泛的应用前景和实用价值。

国内大跨空间钢结构历经 70 余年的发展已初具规模。空间钢结构可由板壳、梁、杆、索膜等单元组成。具体则可分为薄壳结构、网架结构、网壳结构、悬索结构和膜结构等五大类。一般地,平板型网架结构和曲面型网壳结构可并称为空间网格结构。

由于空间网格结构具有建筑表现力出色、受力特点明确、加工安装便捷高效等特点,目前已广泛应用于城市各类公共建筑中,如机场航站楼、会展中心及体育场馆等。近年来我国的典型空间网格结构项目汇总见表 1。但随着新型结构形式的不断涌现,前述的空间网格结构的定义已难以涵盖所有的结构形式。与此同时,也给钢结构的现场安装带来了巨大的挑战。鉴于此,本文先对近年来我国空间网格结构的常见安装方法及其应用的优劣势进行梳理和总结。在此基础上,以目前在建的广州足球场项目为依托,对巨型带肋折板形空间网格结构的设计方案提出了竖向转体法的安装新思路,并对其具体的实现路径进行剖析。研究工作可为后续空间网格结构的安装、实施提供一些新视角。

表 1 典型空间网格结构项目汇总

目前,钢结构的主要安装方法有:原位安装、吊装、滑移、提升等。各安装方法的优劣势分析见表2。由于结构形式复杂,而既有的、成熟的安装方法在应用过程中也存在一定的局限性。大多项目需要考虑分区施工,并分别采取针对性的一种或多种施工方法。这给现场安全、质量、进度控制及施工组织带来了极大的难度。鉴于此,亟需制定针对大跨度空间网格结构的新型安装方法,以满足不断变化的工程实际的需求。

表 2 安装方法优劣分析

广州 10 万座足球场项目占地面积为 15.09 万 m ² ,总建筑面积为 53.43 万 m ² ,是国内第一个球场与商业结合、场心下设地下室的体育文化综合体项目。建成后将是世界上规模最大、配套最全、座位数最多的顶级专业足球场 (图 1) 。

图 1 足球场场内透视

其中,巨型带肋空间折板网格结构的设计方案如下:钢罩棚平面约呈椭圆形, 尺寸约为 325 m ×287 m,最大悬挑长度约为 91 m (图 2) 。混凝土看台最高点 53.64 m,钢罩棚最高点 88.6 m。

图 2 钢罩棚结构尺寸      m

钢罩棚自下而上由 3 层花瓣状体块构成,每层花瓣含 12 片菱形单元,共计 36 片花瓣。结构构件沿每层花瓣轮廓线布置,单个网格尺寸为 40 ~ 64 m。其主要节点形式见图 3。

图 3 钢罩棚结构主要节点形式

钢罩棚整体设计为落地壳体,上拉力环处通过设置摇摆柱与顶层混凝土看台铰接 (图 4) 。同时,对水平向构件设置肋杆以增强壳体竖向刚度,并在中部开口处设置内压环桁架保证力流连续,设置外压环桁架解决折板环向受力不均的问题。

图 4 看台剖面

3.1 新思路提出的原因

由于巨型带肋空间折板网格结构形式复杂,目前往往采用传统的高空原位安装、累计滑移安装等方法。这些方法存在支撑胎架量大、高空作业多、焊接质量控制难等一系列问题。鉴于此,将桥梁竖转法的施工思路应用于空间钢结构领域。经过详细论证,可将钢罩棚竖转法拆解为:低位拼装、竖转到位、嵌补合拢、同步卸载等 4 个核心施工步骤。其关键在于:界面及单元划分、竖转 (转动) 系统设计、转铰构造、转体过程的稳定控制。其安装方法的对比如表 3 所示。

表 3 屋盖罩棚安装方法对比

具体来说,竖转法的优势主要有: 

1) 安全。卧拼施工改高空作业为中低空作业,可有效规避高处坠落等安全风险。

2) 质量。日间温度高、昼夜温差大,强降雨及温度荷载对施工影响大。

3) 临时措施量减少。低空卧拼大幅降低了支撑胎架的高度,相较于原位安装至少可节约 1500 t胎架量。

4) 进度快。当中低区看台施工完成后,立面罩棚提前插入施工,履带吊及塔吊配合作业可大大减少钢构件分段数。另外,竖转单元之间后期嵌补杆件数量少,相较于原位安装至少可节约 2 个月工期。

3.2 钢罩棚界面及单元划分

钢罩棚界面划分的目的是确定需要竖转的杆件界面位置。具体可按图 5 方式划分:以上拉力环为界,将钢罩棚分为屋盖罩棚 (不含上拉力环) 和立面罩棚;以外压力环为界,将屋盖罩棚细分为内罩棚(含外压力环) 和外罩棚。其中,立面罩棚采用高空原位安装,屋盖罩棚采用竖转法安装。

钢罩棚单元划分的目的是在界面划分的基础上,确定一次性竖转的主体。当主体确定后,对应可明确竖转系统的布置方式。按图 5b 钢罩棚可划分为 8 个竖转单元,共有 3 种不同类型单元 (A ~ C)。施工中对称单元同步竖转,效率高、补杆少。

a—界面划分; b—单元划分。

图 5 钢罩棚界面及单元划分

3.3 竖转系统设计

3.3.1 空间布置

在借鉴桥梁竖转法的基础上,确定竖转安装主要流程见图 6 (由于东西侧对称,图中仅显示一半): 

1) 穿插施工准备。混凝土看台施工至一定高度后,立面罩棚、卧拼胎架提前插入施工 (图 6a)。

2) 竖转单元卧拼。在卧拼胎架上自下而上分段逐步拼装竖转单元。而后,布置抗滑移限位装置及转铰。转铰应在同一个标高且同心共轴 (图 6b)。

3) 动力设备安装。在竖转单元内压力环上设置提拉点、安装监控仪器,在提升架上安装提升设备并进行初步调试。而后,用斜拉索、对拉钢绞线等将其连接完备 (图 6c)。

4) 单元试竖转。待所有前述工序完成后,在无风(微风) 且天气良好时,检查竖转体系是否完整、良好,方可解除限位装置。通过提升架上的动力设备将竖转单元试转 100 mm 后静置 1 d (图 6d)。

5) 单元竖转到位。按照拟定的提升速度将竖转单元竖转到设计标高 (对称的竖转单元同步操作) 。待竖转至设计标高后,安装限位装置,封装转铰使其与立面罩棚形成整体受力体系 (图 6e)。

6) 连接杆件嵌补。嵌补安装 8 个竖转单元之间的剩余杆件,使钢罩棚形成整体。

7) 罩棚分级卸载。逐步同级释放动力设备提供的荷载 (钢罩棚卸载)。而后,拆除临时支撑胎架,完成钢罩棚施工 (图 6f)。

a—穿插施工准备; b—竖转单元卧拼; c—动力设备安装;d—单元试竖转; e—单元竖转到位; f—罩棚分级卸载。

图 6 竖转安装流程

为节约卧拼状态下临时胎架用量、降低其高度,其竖转角度宜尽可能取大值。结合钢构件竖转过程中的碰撞检查及结构设计线型,提升架设置在场心,单元的竖转角度控制在 50°左右 (水平面以下的负角度约为 35°)。竖转过程中布置于提升架顶部的动力设备允许一定量的滑移。此外,为消除竖转过程中水平力的影响,提升架间布置对拉钢绞线,竖转系统空间细部布置见图 7。

图 7 竖转系统空间细部布置

3.3.2 设备配置

根据数值模型得到竖转过程中提升架拉索轴力计算值,并以此配置合适的动力设备,具体如表 4 所示。

表 4 竖转过程提升架拉索轴力计算值

根据以上计算结果,2 个提拉点按最大轴力1275.24 t 配置设备及钢绞线。图 8 中的动力设备竖转能力已满足规范 1.25 倍的富余度要求。

图 8 动力设备

3.4 转铰构造

由于钢罩棚单元构件重、转铰受力大,故施工时先将立面罩棚构成环向受力整体后,再将竖转转铰布置于上拉力环杆件节点区。转铰构造遵循安全稳定、转动灵活、便于安装等原则。根据现有设计图纸,有两类转铰节点:一类为 A、C 单元的左、右转铰(11 杆相连)、另一类为 B 单元的左、右转铰(7 杆相连)。以 A、C 的转铰节点为例,其具体构造见图 9。

图 9 转铰细部构造

实际施工过程中,应力控制的关键点在于耳板与内部加劲板结合部位的处理及焊接工艺上的困难,仍需结合节点深化图纸进行细化。

此外,竖转过程中稳定性控制要求高,需制定专项的控制措施,包括但不限于: 

1) 卧拼阶段胎架抗滑移措施。在钢构件底部焊接钢制卡码,钢结构定位完成以后将卡码焊接在结构上,与胎架鞍座相抵 (图 10);防倾覆措施: a. 卧拼胎架由低看台区至高看台区合理进行径向,环向布设,卧拼胎架与土建主体结构采用钢板埋件进行刚性焊接连接,同时相邻胎架通过设置水平或者斜向连接支撑连成整体; b. 竖转分段卧拼施工过程中,拼装平台下弦平面须满铺安全网,拼装施工须合理张拉布设安全绳,采用木制跳板或者钢跳板搭设临时双向施工通道。

2) 竖转阶段稳定性措施。在竖转过程中,保证结构吊装安全角度来看,应尽量保证各个提升点的液压提升设备配置系数基本一致;且应确保竖转结构的空中稳定,以便竖转单元能正确就位,也即要求各个提升点在竖转过程中能够保持一定的同步性。此外,结合有限元分析计算结果进行竖转稳定性判断。

图 10 胎架抗滑移措施示意

4.1 数值计算模型概况

采用 MIDAS 结构有限元软件建立竖转法施工阶段分析模型。计算模型由 7522 个节点和 8314个单元组成,截面尺寸选取与设计方案保持一致。计算模型中主结构构件均采用梁单元模拟。对于摇摆柱,由于其不仅传递竖向力,同时将参与结构水平受力平衡,故采用释放梁端约束形式表征其受力特点。

边界支座设置分为 2 部分:一是钢罩棚通过摇摆柱支承于混凝土看台顶,二是钢罩棚立面铰接支承于正负零混凝土核心筒端柱顶。在对应位置处杆件底端均施加三向位移约束。

由于为施工阶段模拟,仅施加自重荷载,同时考虑加劲板、焊缝、吊耳、临时连接板等导致的重量增幅系数 1.2。变形限值为 L /125,其中 L 为钢结构应力限值为 305 ~ 375 MPa(厚度不同,限值不同)。

其主结构有限元模型如图 11 所示。

图 11 主结构有限元计算模型

模拟的主要施工阶段如下:

施工阶段 1: 立面罩棚原位安装, 整体成环(图 12)。

a—总位移,mm; b—最大组合应力,MPa。

图 12 施工阶段 1 模拟

施工阶段 2:使用竖转装置将钢罩棚 8 个单元对称竖转到位 (图 13)。

a—总位移,mm; b—最大组合应力,MPa。

图 13 施工阶段 2 模拟

施工阶段 3:高空散装 8 个单元之间的剩余杆件,钢罩棚结构合拢 (图 14)。

a—总位移,mm; b—最大组合应力,MPa。

图 14 施工阶段 3 模拟

施工阶段 4:钢罩棚同步分级卸载 (图 15)。

a—总位移,mm; b—最大组合应力,MPa。

图 15 施工阶段 4 模拟

4.2 结果分析

由于目前尚未完成钢结构现场施工,计算得到的主体结构最大变形为 396.50 mm,位于悬挑端部位置处;最大压应力为 116.27 MPa,位于内压力环处;最大拉应力为 149.85 MPa,主要分布于上、下拉力环处。对应有限元计算的变形及应力均在限值范围内,也验证了安装方法的适用性。

针对巨型带肋空间折板形网格结构安装存在的实际问题,提出了负角度竖向转体的新型安装方法。这一方法在安全、质量、临时措施量及进度等方面较之于常规安装方法均具有一定的优势。但由于尚未有成功的先例,且项目自身的施工风险较大,其施工组织设计仍需结合调整的设计图纸作进一步深化。此外,在实施过程中,应注意做好相关的监测工作,以确保竖转法的正常实施。