大跨度异形钢结构分区安装施工关键技术研究与工程实践

曹 靖 （安徽富煌钢构股份有限公司，安徽 合肥 238076）

1 工程概况

该会展中心整体尺寸为纵向145m，横向83m，地上一层，局部设置夹层。屋盖采用大跨度空间钢结构体系，屋盖最高点32m，平均高度约23m，建筑面积约6453m²，主要功能为展览空间，夹层为办公区域。

图1 项目全貌

会展中心屋盖整体外形呈漩涡状，屋盖主体结构由径向变截面钢梁和螺旋状环梁组成，底部由29根Y型钢柱支撑整个屋盖钢结构。屋盖荷载由主径向钢梁传递至Y型钢柱，再传递至地下室基础；径向主梁又由内环梁和外圈环梁以螺旋线形式连接，形成一个稳定的主体结构体系。主体构件之间再通过布置次构件以加强屋盖平面内的稳定性。

在屋盖内环梁中部设置轮辐式天窗，天窗中部压力环与屋盖内环梁由20根发散性箱型钢梁及次构件刚接连接。天窗荷载由径向钢梁由内而外传递到屋盖内环梁，天窗内部环梁和次要构件保证结构平面内稳定。

2 整体施工流程

2.1 施工区域划分

屋盖钢结构分为A区、B区和天窗三个施工区域。A区包含X1～X5轴和X22～X29轴区域钢结构，B区包含X6～X21轴区域钢结构，并设置两条施工合拢缝，分别位于X5～X6轴和X21～X22轴。

2.2 安装总体思路

根据屋盖结构传力特点，结合会展中心钢结构施工工期及施工现场平面布置，我司采用局部搭设支撑胎架，大型履带吊“分段吊装+分块吊装”相结合方案进行屋盖钢结构安装。屋盖主径向梁、连续圈梁及内环梁采用大型履带吊“分段吊装”方案；屋盖次径向和环向钢梁采用大型履带吊“分块吊装”方案，其他散件单件安装。

2.3 施工安装顺序

首先进行地下钢柱和Y型钢柱的安装。地下钢柱预埋采用1台50t汽车吊环场进行地下钢柱安装，待土建结构出地面后，采用2台QUY300履带吊（主臂48m）环场进行地上Y型钢柱安装。然后进行屋盖钢结构的安装。

屋盖支撑钢柱安装完成后，先搭建临时支撑胎架。主要设置在主径向钢梁、内环梁、圈梁分段处及天窗压力环分块单元下部，然后安装屋盖天窗钢结构，再进行A区和B区施工。A区和B区安装顺序均为顺时针安装，主体结构领先次结构吊装，次结构领先散件安装。待屋盖A区和B区均合拢施工完成后，利用千斤顶进行支撑胎架的卸载。

图2 屋盖结构体系及分区

图3 现场施工安装示意图

图4 典型拼装单元及分区原则示意图

3 关键技术与施工工艺

在项目的实施过程中，涉及多个关键部分工序。其中分块单元构件的吊装工程贯穿始终，分块分段的合理性对工期有显著影响，材料的受力变形控制直接影响安装精准度；胎架作为临时支撑结构体系，其变形监测控制是重中之重；在屋盖钢结构的收尾阶段，合拢工作关乎工程最终成形形态和质量。为此，在项目的施工过程中，多次运用计算机数值分析和仿真分析，配以空间测量、三维激光扫描等关键技术手段，多管齐下确保项目精准施工落地。关键技术与施工工艺阐述如下。

3.1 屋盖主次结构分块/分段吊装方案设计

3.1.1 钢结构现场分段原则

本工程共有29根Y型屋盖支撑钢柱，柱底均为地下室基础面-3.75m，柱顶标高各不相同，随屋盖外圈环梁螺旋线逐渐变化，主要为-0.75m往上1.2m，其中 X-6、X-15、X-24断点为-0.4m（便于机械进出）。地下施工阶段，首节钢柱采用1台50t汽车吊进行安装。

屋盖共有29榀主径向梁，主径向梁与下部Y型柱连接，形成屋盖的主体结构。对于单层大跨度钢结构而言，大量使用胎架不利于把控拆除胎架时间；而高空焊接由于仰角大，焊接面大，工人操作条件差，焊缝质量得不到保证。这两项工程量都应力求减少。根据A区和B区吊装主径向梁所使用的吊机性能，我司合理进行主径向梁的吊装分段，尽量减少高空焊接量及支撑胎架使用量，达到操作方便及经济合理的要求。

3.1.2 钢结构地面拼装方案

据钢结构施工方案结合现行道路的运输规定，单车最大允许运输构件的范围为2.8m（宽度）×3.2m（高度）×16m（长度）。根据屋盖结构形式，将构件分段成运输范围内以散件形式发运至现场。将径向主梁第一分段与Y型柱在地面拼装成整体后吊装，其余径向主梁和环向钢梁分段在地面进行拼装后吊装；将径向和环向次梁散件在地面进行拼装后整体吊装。构件采用H型钢组成的马凳作为支撑进行拼装对接。

3.1.3 吊装工程变形模拟与监测

在屋盖结构单元的吊装工程中，需对构件的吊装作业进行受力分析模拟，确保作业过程中不至于发生超出允许范围的变形，为此选取A区某分块单元，在其起吊和落钩阶段进行二阶段分析如下：

取X29轴～X1轴间次结构分块吊装单元验算为例，分块吊装单元杆件截面为 B500x250x14x20（Q345B），分块尺寸为11.8m×7.5m，吊装重量约为16.9t，采用QUY160履带吊吊装。若采用不正确吊装方式，容易导致吊装变形过大甚至结构破坏。因此对其进行吊装工况验算，以更好掌握吊装过程中结构变形及应力情况。为保证吊装分段自身的平衡，应使履带吊吊钩与桁架重心在同一竖直平面内，在设置桁架吊点时，可通过CAD三维实体模型直接查找其重心。履带吊设置四个吊点，吊点位于杆件交汇的节点，因此在相应吊点位置焊接四个吊装吊耳。

吊装分析参数：选择有限元软件Mi⁃das进行吊装分析，杆件采用梁单元，吊装钢丝采用只受拉单元，起吊阶段计算分析结果如图5所示。

图5 起吊阶段结构变形图和应力比图

计算结果表明：吊装过程中结构的最大竖向（Z方向）位移发生在杆件端部，且最大位移值为2.25mm。该分段在吊装过程的挠度为2.25/7500=1/3333＜1/400，结构变形满足规范要求。结构杆件的最大应力为11.78MPa<295MPa，则该分段在吊装工况下的应力比满足规范要求。

落钩阶段：在提升阶段吊到安装指点位置后，吊机开始缓慢撤离，与周边结构的临时连接对吊装单元起支承作用。支承点的设置如下计算模型所示（图6）。

图6 落钩阶段结构变形图和应力比图

结构变形图计算结果表明：临时固定时结构的最大竖向（Z方向）位移发生在杆件跨中，且最大位移值为5.70mm。该分段的挠度为5.70/7500=1/7494＜1/400，结构变形满足规范要求；结构杆件的最大应力为24.9MPa<295MPa，则该分段在临时连接工况下的应力比满足规范要求。

3.2 支撑胎架设计与验算

我公司安装用支撑架采用可组装式四肢格构柱形式，四肢截面4×Ф89×4—Q345B，缀 条 Ф60×3.5—Q345B 每 节高×宽×长=2m×2m×2m，每节采用高强螺栓连接。本工程采用与支撑架高度h=24m，并采用四方向缆风绳在上端拉固。

支撑架承载力取强度验算、稳定性验算和压弯构件计算的三者最小值。注意事项包括：一是支撑物体中心尽量放在支撑架中心，并设置放置粱，（槽钢）需减少偏心；二是本工程支撑架可承重60t，考虑偏心距400mm，并与支撑架基础水平并固定。

考虑支撑荷载、施工荷载、风荷载等工况对临时支撑架进行承载力、应力、变形以及稳定性建模计算，计算结果如下：

结果表明支撑架最大变形9.29mm，支撑架最大应力-80.8MPa，均未超过允许限值。

3.3 大跨度结构的合拢设计与施工方案

3.3.1 合拢问题的影响因素分析

考虑到大跨度结构的温度应力效应比较大，为此需要对结构成形过程中的温度应力进行仿真计算。主要有以下几个方面的问题需要考虑：

第一，合拢温度及合拢时间的确定。合拢温度的确定要结合当地的气象温度资料与结构的受力性能确定。由于结构平面尺寸较大，且屋盖外形为曲面，在日照下不同区域的杆件及杆件的上下表面温度差异较大，导致杆件伸长不一，影响结构的合拢，因而需要确定合适的合拢时间。

第二，合拢线数量及合拢段尺寸的确定。如果合拢前的结构尺寸过大，在结构内将会产生很大的温度应力，但如果合拢线过多，需要合拢构件接口的数量将大大增加。因此，需要综合考虑结构受力性能与施工安装操作两个方面，确定适合的合拢线尺寸与数量。

第三，合拢线位置的确定。由于屋盖各个区域的约束强度及构件自身刚度不同，其温度效应也不尽相同。因而需要综合考虑确定具体合拢线的位置。

在此，我们主要通过温度应力的有限元模拟，对合拢温度进行详细分析，比较不同合拢温度下结构应力分布和不同方案下结构的温度效应分布，为最终合拢施工方案的确定提供理论依据。

3.3.2 不同合拢温度和合拢时间对结构的影响分析

合拢温度的确定可依据以下原则：首先考虑当地的温度气象条件，合拢时温度应接近年平均气温，有利于合拢施工；二是合拢温度应尽量接近结构可能达到的最高温度与最低温度的中间点，使结构受力比较合理。当地常年平均气温在25℃左右，升、降温各30℃，确定结构的最高温度为55℃，最低温度为-8℃，计算不同合拢温度下结构的升温与降温数值。由于合拢时间为7月份，查找资料得到当地5月份温度在24℃～38℃。考虑每日气温，在此考虑两种方案：合拢温度25℃与合拢温度35℃。

分析结果如表1。

不同合拢温度和合拢时间对结构的影响 表1

综合以上计算结果，在合拢时间5月份的温度范围内（5℃～24℃），合拢温度取高时对结构更有利。除了合拢温度外，合拢时间也对结构合拢产生影响。夜晚时温度较低不适合合拢。这些情况都给安装带来困难。因此合拢端的安装尽量避免在温度较低的夜晚进行。

3.3.3 合拢缝设置对结构的影响分析

取不设置合拢缝和设置两道合拢缝两种情况，分别进行温度应力对结构的位移和应力的影响分析。

分析结果如表2。

合拢缝设置对结构的影响 表2

结合以上计算结果分析得到，由于该屋盖属于大跨度空间结构，在结构上设置合拢缝能够有效地降低温度效应对结构内力的影响。

图7 支撑胎架和受力分析图

图8 不同合拢温度下位移和组合应力图

图9 （不）设置合拢缝下结构位移和应力图

4 结语

针对大跨度异形钢结构工程施工的复杂性和技术难度，本文基于已建会展中心项目的成功实践，对结构进行科学合理的分块分段并编制详细的施工原则和方法；对结构单元和支撑单元的受力变形进行了分析控制；在结构合拢阶段，对是否需要设置合拢缝以及如何设置进行了详细的分析和论证，对大跨度异形钢结构施工和安装的共性问题和关键技术进行了研究，对类似的工程具有一定的指导意义。