双曲面大跨度钢结构网架施工技术探讨

郭建民

【摘要】本文结合新疆库尔勒机场新建航站楼双曲面大跨度焊接球钢结构网架工程，对比分析了分块吊装、满堂架高空散拼和液压同步提升施工方案，论述施工数值模拟分析，得出了运用液压同步提升的施工技术，可以减少高空作业，提高施工和结构的安全，缩短施工工期的结论。

【关键词】双曲面；大跨度；吊装；液压提升；数值模拟

1.工程概况

新疆库尔勒机场改扩建工程新建航站楼总建筑面积25925.14m2，下部为钢筋混凝土框架结构，上部屋盖为焊接空心球节点四角锥网架，网格单元尺寸约3m×3m。屋盖钢网架呈双曲面布置，造型独特，平面投影最大尺寸99m×199m，投影面积18697m2，最大跨度36m，最高处标高+25.5m，最低处标高+12.12m，网架厚度为2m～2.5m，网架杆件规格为PD60×3.5～PD219×16，总重量为1200吨。A轴、D轴、G轴设钢管柱支撑，D轴钢管柱支撑为伞状支撑，支撑钢柱24（6×4）根，A轴、G轴各设置11根斜支撑，两侧2轴～4轴及16轴～18轴设置钢筋混凝土柱，混凝土柱顶支座标高11.72m～13.11m。钢结构网架支承在支撑及混凝土柱上，建筑主体钢结构如图1所示。

2. 方案比选

2.1 工程特点及难点

2.1.1屋面钢结构跨度大，呈双曲面布置，造型独特复杂，标高差距大，最大拱高13.38m。

2.1.2将近三分之一面积的结构为悬挑，拱高较大，增加了拼装和吊装的施工难度。

2.1.3工程重要、工期紧、任务重，钢结构网架及檩条施工工期仅为4个月。因此，钢结构施工期间必须穿插金属屋面、幕墙、天沟及安装等项目，方能保证工期。

2.1.4场地狭小，吊装机械行走及站位均较困难。

2.2 方案对比分析

钢结构网架施工常用的方案有满堂架高空散拼、分块拼装高空吊装组对、滑移、提升等，为保证工程质量、安全和工期，结合该工程项目建筑造型以及钢结构施工特点、难点，对分块吊装、满堂架高空散拼、液压同步提升3个方案进行研究论证。

2.2.1分块吊装具有工期灵活控制、适应性广的特点，但吊机选型、站位受场地限制，需采用大型履带吊，支撑胎架用量较大，机械、措施成本较高，且分块过多，拼装、安装精度难以保证，高空施工较多，安全保障措施量较大，施工安全较难控制[1]。

2.2.2满堂架高空散装操作环境好，具有较好的安全性，适应性广，但是工艺落后，脚手架费用高，施工速度慢导致工期较长，且网架下部作业空间被占用，无法进行其他分项施工，不宜交叉作业，将导致总工期延长3～4个月[2]。

2.2.3液压同步提升在提升施工前网架全部在二层楼面或地面上拼装完成，既能保证质量要求，又能避免高空作业，从而极大地避免了伤亡事故的发生。提升的技术保证措施要求较高，但操作简单。且在网架提升过程中，可以分区交出现场施工工作面，可穿插施工砌体、安装、装修等分项，能够缩短总工期3～4个月[2]。

该工程屋面钢网架安装高度较高，结构杆件数量多，采用常规的分块吊装、卸载方案，需搭设大量支撑胎架，不但高空组装、焊接工作量大，技术经济性指标较差，而且存在较大的质量、安全风险。液压同步提升通过计算机控制各提升点同步，提升过程中构件保持平稳的提升姿态，同步控制精度高；提升过程安全可靠，可在任意位置可靠锁定，有效地提高了结构提升过程中安装精度的可控性。针对该屋面网架结构特点，将网架分区拼装成分块单元后，利用“液压同步提升施工技术”将其提升至设计标高，再进行部分预留后装杆件的安装，将大大降低现场高空施工量和安装施工难度。

3.提升吊点设置

进行钢结构网架内力和变形分析前，首先要确定提升点位置[2]。根据该工程施工部署以及各分项工程专业施工交叉作业的协调配合要求，钢网架总体分为4次提升，网架分区及提升流程如下图2 所示。

根据该工程钢网架结构形式，设置两种不同的提升点，2轴、3轴和17轴、18轴采用结构混凝土柱作为提升点，其余提升点布设标准化格构式支撑胎架。由于网架呈双曲面布置，造型复杂，其质量分布很不均匀，因此选择提升点位置时要综合考虑钢结构、支撑胎架和混凝土结构三方面的安全。提升点位置选择原则[2]：①网架和提升点的受力要均衡；②支撑胎架设在混凝土结构的梁柱部位，以避免在楼板混凝土结构的下部再设支撑；③设在网架形状变化较小的部位。按照上述原则，经计算分析选择了各提升点的位置，图3为该网架全部完成提升后提升点布置图。

4.施工模拟分析

4.1 提升工况分析

钢网架在提升过程中，各提升点同步上升过程中存在一定程度的高度偏差，因此需考虑提升过程中各吊点不同步对结构造成的影响[3]。实际提升过程中，提升器上的压力传感器和位移传感器可实时将各吊点的压力和位移信息反馈到计算机[1]，因此，可通过调整压力和位移的方法来调整各吊点同步性。根据规范[4]要求，相邻两个提升器允许差值应为L/250=18000/250=72mm。网架在同步提升工况下杆件应力比大于0.85时需对该杆件进行替换，不同步提升工况下杆件应力比大于0.85時需对该杆件进行替换。

模拟计算时，以各提升点不同步提升反力值不超过该点同步提升反力值的25%，同时各吊点不同步位移值不超过50mm，对网架提升模型进行不同步提升校核。

以A区网架为例，进行不同步提升工况校核。不同步提升工况下，网架结构内力会重新分配，杆件应力可能会超过许用值，图4为A区不同步提升工况下应力比云图。通过模型计算可得出，在不同步提升工况下，A区共有115根杆件应力超过许用值，需要将其截面加大。图5为A区杆件替换后网架应力比云图，可以看出，杆件替换后，在不同步提升工况下网架杆件最大应力比为0.82，满足提升要求。同理，进行B、C、D区不同步提升工况校核，其结果如下表1所示。

4.2 卸载模拟分析

张纪刚[1]、张同波[5]对复杂网架结构施工进行了卸载分析，表明有限元分析的正确性[5-6]，参考李文明、张洪亮、张帆等某试验大厅钢网架卸载方案[7]，根据该工程网架施工方案及工期要求，该工程网架共分为4次卸载，各分区采用同时等距分步的方法卸载。每个卸载行程10mm，分区卸载时所有提升器同时卸载，提升器随着卸载过程逐步退出工作，将各分区网架结构落到支座及钢柱支撑点上。此卸载过程结构受力合理，易于实施，安全可靠。

采用有限元分析软件对网架卸载进行模拟分析。图6为各分区网架卸载后结构变形云图及杆件应力云图。以A区钢结构网架卸载为例进行分析。A区结构在卸载完成后位移最大值为22.2mm，22.2mm<2×14400/400=72mm，满足《钢结构设计规范》GB50017-2003[8]附录A.1.1要求，同时满足构件安装精度要求。卸载过程中结构构件最大组合应力为65.2MPa，小于Q235材料设计强度（厚度3.5mm～16mm），满足规范要求。同理，由图6可以分析出，B、C、D各区位移变形及卸载过程中结构构件组合应力均满足规范要求，分析结果如表2所示。因此，该工程网架卸载可分为4次独立卸载。

5.结论

根据对该工程网架结构施工技术的探讨，对于双曲面造型、结构复杂的大跨度钢网架工程，适宜采用地面拼装、液压提升的方案。该方案与高空散拼、分块吊装高空组队等方案相比，便于控制工程质量，有利于其他分项工程的及时穿插施工，可以加快施工速度。通过有限元分析软件，进行提升工况分析和卸载模拟分析，结果表明该液压提升及卸载方案技术可行、安装质量可控，可以应用于其他类似网架工程的施工。

参考文献

[1]李海亮. 基于xc164cs的连续式液压提升机器人研究. 上海：同济大学，2009，1-78.

[2]张同波，付长春，王辉. 青岛体育中心游泳跳水馆钢结构施工技术. 施工技术，2009，3，38（3）： 48-53.

[3]董康， 陈海洲， 王玉岭. 超大面积焊接球网架柔性提升技术. 施工技术，2013，42（2）：17-61.

[4]DG/TJ08-2056-2009 重型结构（设备）整体提升技术规程.

[5]张纪刚， 张同波. 青岛游泳跳水馆复杂网架结构施工卸载分析. 第19届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅲ册）. 2010： 420-425.

[6]张纪刚， 张同波.青岛体育中心游泳跳水馆网架结构施工监测与模拟分. 施工技术，2009，38（10）： 30-32.

[7]李文明， 张洪亮， 张帆等. 120T屋面钢网架整体液压同步提升施工技. 施工技术，2010，12（39）： 375-379

[8]GB50017-2003 鋼结构设计规.

（作者单位：1.新疆机场（集团）有限责任公司；2.中建钢构有限公司）

【中图分类号】TU356

【文献标识码】A

【文章编号】1671-3362（2017）03-0054-04