南宁万达茂大跨度弧形倒三角管桁架施工方案比选及优化

苏铠++王加林++杨国勇

1工程概况

1.1 建筑概况

南宁万达茂项目位于南宁市五象新区，建成后将成为全球首个全天侯、全室内、全龄段、全家庭的主题乐园，为世界游客奉上一个“上下5000年桂文化”为内涵的超级玩具，从民俗民风、远古传说、历史古迹、少数民族元素等广西文化精粹中让世界重新认识南宁，南宁万达茂主题乐园建筑面积15.6万m2，占地面积14.6万m2，其中乐园屋盖主要为空间钢管桁架体系，外观独特，造型新颖，如孔雀开屏，如图1所示。

1.2 结构概况

主题乐园地上外围结构包括钢结构屋盖，周边环桁架，内部两根钢管-混凝土柱，周边混凝土结构支撑柱组成，其中屋盖部分为钢管桁架体系，投影面积约2.5万m2。主要由一榀纵向主桁架及11榀横向次桁架组成，屋盖钢结构底部标高24.1m，顶部最高约33.58m，为中间凸起四周回落的弧形造型，屋盖纵向最大跨度165.2m、横向最大跨度148.5m，总用钢量约3600t。如图2所示。

屋盖主次桁架均为倒三角管桁架形式，主桁架最高约9m、宽6m，总重约428t；次桁架最高约9m、宽5m，单榀最重约120t。次桁架顶部之间使用十字撑等拉杆连接固定。悬挑桁架悬挑约10m。主次桁架整体为弧形的倒三角圆钢管桁架。桁架杆件截面尺寸最大为P1050×56mm，为主桁架下弦杆。大跨度倒三角管桁架是本项目一大特色，桁架的施工质量将直接影响本项目的外观形象。

2施工重点、难点

2.1 管桁架的现场拼装、安装

管桁架结构“分段长、杆件多、规格大”，而且现场地面自然形成，条件复杂，积土水坑密集，乐园内地面南北高差达到10m，给拼装的操作性、拼装的稳定精确度增加了难度。同时，桁架“安装位置高、构件重、跨度长”，主桁架长度达到165.2m，重达428t，次桁架长度达到148.5m，施工方法的合理性也直接影响了工程质量、施工进度、作业安全性及施工成本。如图4所示。

2.2 管桁架的施工精度控制

管桁架施工精度主要从拼装精度和安装精度两个方面控制，本工程的屋盖桁架为主要受力单元，且为倒三角弧形桁架，管桁架纵、横向纵向跨度大，牵一发而动全身，管桁架中每个节点都能影响到整榀桁架的安装质量，且乐园内将安装移动观光热气球，将在桁架下弦杆安装动荷载轨道，为了确保移动热气球移动安全可靠，在移动的时候不会与室内其他娱乐设施相碰撞，要求动荷载轨道的误差在5 mm之内，所以确定管桁架的弧形预起拱值，控制管桁架的拼装、安装的精度是本项目的重点难点。

2.3 管桁架安全性的计算和监测

管桁架在拼装、吊装、卸载等情况下的受力状况均与完工状态有较大差别，要求对各过程中各阶段进行结构的内力、稳定性、位移量做理论计算以确保整个安装过程的结构安全性，及安装的准确性。同时需同步进行现场监测工作，设置数据报警，以确保结构安全，监测过程中管桁架的反力及变形情况至关重要，也是施工中的重点。

3吊装方案的选择

主题乐园屋盖荷载通过主次桁架及环桁架传递至周边的混凝土结构支撑柱和乐园中部的两根钢管混凝土柱上，再向下传递至基础，整个结构的传力路径清晰，因现场的混凝土部分结构已提前施工完成，所以桁架的施工方案可考虑累积滑移法、分段吊装法及整段吊装法。

3.1方案一累积滑移法

沿主桁架及混凝土结构支撑柱顶支座由南向北设置三条滑移轨道，中间的滑移轨道设置大量的轨道支撑。在滑移轨道南端端部设置拼装支架及拼装平台。采用两台150t履带吊作为吊装的主要起重机械。主次桁架在南端地面拼装成段，采用两台150t履带吊吊装到南侧滑移平台上组拼成主次桁架滑移单元由南向北进行累计滑移。如图5所示，该方法：

3.1.1优点：大部分拼装作业在在场外进行，受内部混凝土结构和拼装场地影响小，施工速度快。

3.1.2缺点：使用设备机械较多，准备累计滑移周期较长，不利于施工进度。而且累计滑移受力复杂，顶进控制难度大，安装技术要求高。

a累积滑移法滑轨布置

b桁架开始由南向北开始累计滑移

c桁架累计滑移结束

3.2方案二分段吊装法

分段吊装法进行安装主要是对主次桁架结构进行分段，将主桁架两个边跨整段吊装，中间跨分为两段，共四个吊装单元，仅主次桁架中间跨分段位置在吊装时搭设临时支撑；使用双机抬吊的方法进行吊装主桁架，将主桁架一侧长度为80m的半榀次桁架分成两段，11榀次桁架共44个吊装单元，在80m的次桁架中间设置格构式临时支撑作为支撑体系，桁架及桁架间的系杆檩条次序安装。次桁架分成两段后单机吊装重量约35t，采用两台150t的履带吊自北向南依次进行吊装。该方法：

3.2.1优点：机械型号小，机械费用低，对称施工，有利于结构稳定和结构受力；

3.2.2缺点：机械多，格构式临时支撑多，人力物力投入量大，场地规划相对较复杂。如图6所示。

3.3方案三整段吊装法

主桁架吊装方法与方案二分段吊装法相同，使用双机抬吊吊装；由于次桁架横跨整个屋盖长度大，其一端布置在侧面混凝土柱顶的支座上，另一端布置在主桁架上，一榀次桁架整段自然分段成两段，共22个吊次桁架，一个吊装单元重量约60t，长度80m，安装时采用300t履带吊单机整段吊装，一侧一台，可以保证单段次桁架整体一次吊装到位，吊装顺序为自北向南依次吊装，在场内南侧设置6个拼装胎架，履带吊在南侧拼装胎架将80m次桁架吊起，保持次桁架离地面300mm左右，向北转移，转移至桁架安装位置时，履带吊旋转次桁架，后向上抬高次桁架，安装就位。履带吊由南向北安装次桁架，频繁倒场。如图7所示，该方法：

3.3.1优点：机械数量少，格构式临时支撑少，减少了高空焊接工作量。利于稳定和结构受力，卸载方案简单，场地规划简单，工期最快，人员投入较少；

3.3.2缺点：机械吨位大，且需频繁转场，组织难度大，不利于场地规划和布置，单个拼装单元长度长，对施工安全协作要求高，吊装易产生结构变形。

我们从方案的技术特点、经济性、工期进行分析，侧重考虑主题乐园施工工期和施工成本，最终选定了第三种方案。

4管桁架现场安装技术优化

4.1 场地布置

主题乐园场内无地下室，南侧填土较厚，在南侧场内具体地基处理为桩径600mm、桩距1.6m的正三角布置水泥搅拌桩，北侧场地新填土厚度较薄，南北土层高差达到10m，根据施工方案主题乐园场内有300t大型履带吊吊装作业，而且需要布置6个桁架拼装胎架，为了满足现场吊装安全和拼装精度的要求，我们在场内使用挖土机及压路机挖平、压实路面，达到场内无积水、南北高差不大于2m，东西高差不大于1m。

现场布置应满足方便运输，便于构件卸货，并且对其他相关施工影响小。由于本工程右侧与上侧均与其他混凝土结构相连，其施工应结合混凝土施工的具体情况，因此在这两侧不便于布置构件堆场和拼装场地，同时在构件吊装的早期，可以根据需要在内部设置临时拼装场地，以减少构件的二次搬运，在场内沿着吊装桁架方向平行设置四条吊车通道，主桁架两侧各设置两条。在吊装过程中选择两台300t履带吊分别布置在主桁架两侧进行安装。履带吊行走地面铺设了30mm碎石垫层，并垫上路基箱，拼装场地铺设了15mm碎石垫层。如图8所示。

4.2 大跨度倒三角桁架的拼装

4.2.1拼装胎架的设置

拼装思路：主桁架高11m，宽6m；次桁架高约11m，宽5m。为保证安装精度，采取地面搭设胎架拼装平台等高搭设作业，地面胎架使用H400×200×8×13型钢作为底梁，H200×200×8×14作为主支撑立杆（节点位置），C10作为次支撑构件，材质为Q235在地面使用25t汽车吊配合胎架、构件就位，分段桁架拼装完成后焊接，后整体履带吊吊装，搭设方式为如下（以主桁架搭设为例）：

4.2.2桁架拼装“三点一线”原理

转换外侧木楔子固定为内侧固定，起拱弦杆安装以紧靠胎架定位立杆定位，保证弦杆起拱方向正确。

由于拼装胎架内侧限位立杆采用10号槽钢，定位立杆为200×200×12×8的工字钢，相对于槽钢而言，工字钢截面大，而且刚度大，在拼装过程中，由于腹杆与弦杆是相贯口配合安装，在弦杆安装定位完成后，安装水平腹杆，需要用撬棍敲击定位水平腹杆，因此定位立杆刚度不足会对弦杆定位产生大的影响。对于弦杆内侧定位改为外侧定位，内侧用木楔子进行限位固定。

图10 现场内侧用木楔子固定

管桁架在制作安装前进行受力验算，桁架下弦杆在制作时按照设计给出的进行起拱，对于大跨度桁架而言，起拱弧度在现场一般是无法用人眼观察的，对此在安装时确定安装弧度正确，是非常重要的。

拼装胎架如图11所示，胎架下弦左侧均为定位立杆，且保证所有定位立杆均在左侧，右侧立杆为限位立杆，所有下弦定位立杆在同一直线；在安装起拱弦杆时，采用“三点一线”的原理，如若下弦杆安装起拱方向错误，直接导致胎架定位立杆与桁架下弦杆之间存在间隙，对此现场直接可以观察此部分间隙来判断弦杆安装是否正确，对于现场施工来说，大大提高了拼装速度与质量。

上弦杆拼装同样利用此原理来拼装，由于下弦杆有设计弧度，因此采取上弦外侧定位，内侧使用木楔子限位，在拼装过程中，实时控制胎架精度，就可以完全清楚的控制弦杆安装精度，进而控制桁架拼装精度。用胎架定位立杆来限制上下弦杆的起拱方向对于大跨度桁架拼装精度起到良好的作用，并且得到专家的一致认可。

4.2.3桁架拼装的稳定性计算

根据支撑设计图将支撑结构建立MIDAS GEN 模型，并采用有限元分析软件MIDAS 8.35进行分析，通过模拟拼装胎架受力，计算得出格构柱支撑设计结构简图、最大应力、变形值，进行验算，并进行更改胎架最合适的材料规格。使用两节点的杆件单元，两节点为刚接来建立有限元模型，拼装钢梁与地面连接节点为刚性边界条件，拼装胎架与桁架连接节点设置为铰接。

根据有限元分析计算分析调整后，验算结果最大位移为2.17mm，项目22段拼装次桁架进行测量、分析、统计，得出每段变形参数最大值与模拟分析结果基本一致。如图13所示。

4.3 大跨度倒三角桁架的吊装

大跨度倒三角桁架吊装是一个动态的过程，与成型后的受力状态不同，吊装体系在外界荷载作用下为几何可动体系。对本工程，由于倒三角桁架跨度大、自重大，吊装过程复杂，单机一次性吊装一个桁架单元，跨度达到80m，在全国范围来说，十分罕见，在吊装过程中应重点考虑：①吊点位置的选择②吊装的稳定性计算③吊装吊耳及钢丝绳的选择。

4.3.1吊点位置的选择

吊点的位置主要根据结构或构件的形式和重心，吊装过程中多采用4点或6点的吊装点，并在起吊过程中要保证结构在自重作用下保持平衡，考虑吊装过程中的稳定性，一般吊绳与被吊构件存在一定夹角，且吊装夹角以45°为最佳。

本项目中为保证吊装桁架的强度及平面内、外稳定均满足规范要求，使用midas对桁架进行建模，吊装模拟分别为：①一段80m的桁架4个吊点吊装②一段80m的桁架6个吊点吊装。利用midas gen建模计算得出两种方案的的变形，如图14所示。

通过midas gen分析，两种方案中单元节点不同方向的最大位移如表1所示。

桁架的扰度容许值为≤L/400，该工程单机吊装桁架最大跨度为80m，则扰度值为200mm，由表可以看出，两个方案均满足要求，但是在Y方向，方案2弦杆变形值较大，在起吊时，杆件会发生平面外失稳现象，结构不安全，而方案1在起吊下均没有杆件超应力和失稳。

4.3.2最大内力及稳定验算对比（见表2）

由以上验算可知桁架结构本身在方案1情况下起吊下均没有杆件超应力及失稳，结构安全，但是在方案2的情况下起吊，杆件会发生平面外失稳现象，结构不安全。

4.3.3钢丝绳的选择

钢丝绳最小破断拉力计算公式：

，

反算直径公式为：

D=

式中：F0 -钢丝绳最小破断拉力，KN；D -钢丝绳公称直径，mm；R -钢丝绳公称抗拉强度；Mpa；K' -最小破断拉力系数。

本工程主要采用6×7、6×19、6×37三种型号钢丝绳，最小破断拉力系数分别为0.359、0.356、0.356，抗拉强度均取1570Mpa。

由钢结构分段重量以及钢梁等轻型构件重量，按照40-72t以及四个吊点两股钢丝绳参与受力原则选取钢丝绳型号。

最大重量单个桁架吊装单元考虑为60t，单股受力180KN，安全系数取6，则单股受力1080KN。该重量段采用6×37型号钢丝绳。

将单股受力代入公式得所需钢丝绳直径不小于43.96mm

由地上钢结构工程量和以上分析，秉着经济性原则，该重量段吊装选取直径为46mm，抗拉强度为1570Mpa，型号为6×37的钢丝绳。

4.3.4捆绑吊装

原吊装方式为在桁架上弦杆焊接吊耳进行安装，根据吊点模拟验算计算书，若采用吊装吊装，对吊耳的规格和吊耳与桁架上弦杆之间的焊缝要求特别高，且桁架容易产生变形，所以桁架采用钢丝绳捆绑式吊装，使用长度均在20m左右的50号钢丝绳长度，后配合使用50t手拉倒链进行调整桁架吊装角度。

4.4 桁架安装的应力应变监测

大跨度弧形倒三角管桁架的施工工艺复杂、施工环境（温度、风环境等因素）多变，导致施工过程结构体系连续变化，同时单机吊装80m长、60t重大跨度桁架的工作状态不断处于调控之中，整体结构的应力及变形过程处于时变之中。因此，吊装施工过程中，为了考察施工过程中结构的变形和内力变化规律，在对结构进行施工全过程结构性能仿真计算的同时，必须在深入分析对结构成型状态内力和变形的影响因素后，制定科学可行的施工控制方案，并对施工过程的内力和变形进行监测，确保结构内力和变形在施工过程中始终处于受控状态。

因此，结构监测系统对整个吊装过程中结构主体变形、受力部位应变、温度、风力进行全面监测十分必要，选择主桁架的上弦杆、下弦杆、腹杆作为应力监测构件，共11个监测点，现场监测如图16所示。

5结语

本文详细介绍了南宁万达茂大跨度桁架施工中，弧形倒三角管桁架施工的三个方案选择的具体过程，综合对比后，选择了桁架整段吊装法，并对管桁架现场安装技术措施进行优化，确保施工质量和施工安全，提高了施工效率 。

同时大跨度弧形倒三角桁架吊装是一个动态的过程，吊装过程复杂，并且单机吊装桁架跨度达到80m，本文通过有限元软件分析，选定了最佳的吊点方案，并利用现场应力应变监测，成功完成了桁架的吊装。

项目以本工程钢结构高质量的完成安装为契机找出一条解决类似工程施工难题的安装方法，为类似工程钢结构安装提供施工经验，培养锻炼一批有技术与管理能力的人才、为今后市场开拓和企业发展储备资源。

（作者单位：中国建筑第二工程局有限公司深圳分公司）

【中图分类号】

【文献标识码】B

【文章编号】1671-3362（2016）11-0062-06