商业mall大跨度穹顶钢结构设计与施工

聂 浩，黄磊群，雷 相，梁斯宇，邓华明，刘爱英

(广西路桥集团建筑工程有限公司,广西 南宁 530000)

大跨度穹顶钢结构常用于体育馆、娱乐场所、大型商业建筑等场所,例如万达购物中心,其具有自重轻、造价低、安全可靠、采光性能好、节能环保等优点,但大跨度穹顶钢结构设计复杂、安装精度要求高、安装稳定性差,高空作业等特点,给穹顶结构施工安装造成较大困难。本文以南宁市望州路旧城改造商业mall项目大跨度穹顶钢结构设计与施工为例,从ANSYS软件分析、结构计算、钢梁柱吊装、临时支撑架体搭设等方面展现大跨度穹顶钢结构建造技术的实际应用。

1 工程概况

望州路旧城改造商业mall项目位于南宁市兴宁区燕州路以北,望州路以西,处于兴宁区中心地带,该项目商住一体,占地面积31 050.79 m2,总建筑面积197 505.07 m2,商业建筑屋顶采用穹顶结构,平面尺寸为32.1 m×27.2 m,穹顶最高处标高为28.366 m,采用国产优质Q235B钢,钢柱采用350×200×12钢方管,高4.1 m,主钢梁采用250×100×6钢方管,最大长度32.1 m,次钢梁采用90×90×4钢方管,钢环梁采用350×450×14梯形钢管,穹顶最高处标高为28.366 m。

2 工程重难点分析

望州路旧城改造商业mall项目是一个复杂的建筑工程,该项目的商业建筑采用穹顶结构,这种结构相对于传统的平顶建筑来说更复杂,需要特殊的设计和施工技术。穹顶的高度和曲线形状将对结构工程师和施工团队提出挑战,需要确保穹顶的稳定性和安全性。首先,项目的穹顶结构采用钢结构,包括钢柱、主钢梁、次钢梁和钢环梁。钢结构的设计和制作需要高度的精确度和质量控制,以确保其能够承受穹顶的重量并满足安全标准。其次,穹顶的最高点标高为28.366 m,这意味着整个结构需要具有良好的稳定性和抗风能力,特别是在南宁地区遇到的极端天气条件下。此外,考虑到项目是商住一体的综合建筑,需要在商业和住宅区域之间进行有效的设计和协调,具体包括保障商业和住宅区域的功能性和隔离性,以满足不同用途的需求。最后,由于项目位于市中心地带,会面临土地限制和规划限制的挑战。需要确保项目符合土地利用规划要求,并考虑交通、停车和城市基础设施等因素,且在施工过程中,特别是在建造高大的穹顶结构时,必须严格遵守施工安全规定,确保工人的安全。现场管理和协调也是确保工程顺利进行的关键因素。综合来看,望州路旧城改造商业mall项目具有复杂的结构和设计要求,需要高水平的工程和管理技术,以确保工程的成功实施。在项目的各个阶段,包括设计、施工和运营,都需要认真考虑上述重难点,以减少风险并实现项目的可持续发展。

3 穹顶钢结构设计

3.1 稳定性计算

穹顶钢结构的稳定性计算是确保结构在各种负载和环境条件下安全的关键步骤。首先,需要确定穹顶结构将承受的各种设计荷载,包括风荷载、雪荷载、自重、设备荷载等,这些荷载会影响结构的稳定性,根据设计荷载,选择适当的材料和截面尺寸来构建钢结构。确保材料的强度和刚度满足设计要求,在应用过程中可以使用结构分析软件或手工方法,建立穹顶结构的数学模型,模型应包括所有的结构组件,如钢柱、主钢梁、次钢梁和钢环梁,在此基础上确定结构的边界条件,包括支承条件和悬臂长度等,相关条件对结构的稳定性计算至关重要,可以使用适当的稳定性理论和方法,对穹顶结构进行稳定性分析。常见的稳定性分析方法包括欧拉稳定性、弯扭稳定性、局部稳定性等。最后,穹顶结构上的荷载会不均匀分布,例如,风荷载在不同高度有不同的作用,在稳定性计算中,需要考虑这些非均匀荷载分布。此外,在稳定性计算中,通常会考虑极端条件,例如最大风荷载或地震荷载,有助于确保结构在极端情况下也能保持稳定,完成初步稳定性计算后,进行校核以确保结构满足设计要求,在穹顶结构中,扭曲和剪切效应也需要考虑在内。这些效应可以通过适当的稳定性分析方法来处理。

在本设计中,采用ANSYS 2021R1有限元软件整体计算分析,计算跨度32.1 m,初始缺陷取跨度的1/300,荷载选取满跨恒荷载与半跨均布活荷载进行全过程分析。恒载单向杆件导荷取0.5 kN/m2、双向杆件导荷取0.7 kN/m2;活载为双向杆件导荷方式取0.5 kN/m2。半跨均布荷载分别布置在上半跨(工况1)、左半跨(工况2)、右半跨(工况3),见图1。采用恒荷载+活荷载标准组合,各选用15组不同模态进行分析,其中1.00恒载+1.00活载工况1,第12组模态1,2情况下稳定系数最小为22.457;1.00恒载+1.00活载工况2,第13组模态1,2情况下稳定系数最小为20.748;1.00恒载+1.00活载工况3,第74组模态1,2情况下稳定系数最小为22.525。最小整体稳定系数取第13组模态1,2情况下的20.748,满足规范设计要求[1-3]。

根据线性分析结果,第13组模态1,2情况下稳定系数最小,对13组模态1情况下Z向位移最大的112号节点进行非线性(时程曲线)稳定性分析,其安全系数为10.1>4.2,满足要求,见图2。

3.2 结构计算

穹顶钢结构的设计需要进行结构计算,以确保结构的安全性和稳定性。结构计算之前需要进行静力分析,计算结构在各种设计荷载下的内力、反力和位移。这可以通过有限元分析等方法来完成,如果结构位于地震活跃区域,需要进行动力分析,以评估结构在地震作用下的响应,在此基础上进行结构稳定性计算[4],包括欧拉稳定性、弯扭稳定性和局部稳定性等。这些计算将确保结构在荷载作用下不会失稳。完成初步结构计算后,进行校核以确保结构满足设计要求。如果需要,可以进行结构的优化,以提高性能并减少材料使用,如果结构将受到循环荷载或振动荷载的影响,需要进行疲劳分析,以评估结构的疲劳寿命。

本工程采用Q235钢材:弹性模量:2.06×105N/mm2;泊松比:0.30;线膨胀系数:1.20×10-5;质量密度:7 850 kg/m3。

永久荷载包括:玻璃、杆件、连接件、附件等的自重,标准值取0.65 kN/m2;活荷载:按《建筑结构荷载规范》标准值[5]取0.000 5 kN/m2;风荷载:垂直作用于采光顶表面,对于采光顶结构,荷载作用复杂,并且有时风压是正,而有时候是负,一定范围内的负压对结构是有利的。因此实际计算的时候要分别考虑并采用其参与组合后的最大值,比较大的风荷载体型系数情况下的风荷载标准值wk+取0.553 kN/m2;比较小的风荷载体型系数情况下的风荷载标准值wk-取-1.106 kN/m2。

地震作用:地震设防烈度7度(0.10g),计算振型数取9个,建筑结构阻尼比0.040,特征周期值0.40 s,采用振型分解法,第二组,场地Ⅱ类。

分别考虑恒载、活荷载、风荷载、竖向地震、水平地震等工况作用组合下,对钢结构屋盖进行详细的计算分析,对各单工况结果考虑了94种荷载组合,将穹顶整体结构划分为760个单元构件,对各单元构件进行强度应力比、整体稳定应力比进行分析,计算结果见表1,其中强度应力比小于0.5的单元构件621个,占比81.7%;绕2轴整体稳定应力比小于0.5的单元构件607个,占比79.9%;绕3轴整体稳定应力比小于0.5的单元构件591个,占比77.8%。整体稳定应力比大于0.9的单元构件,绕2轴仅2个,占比0.3%;绕3轴12个,占比1.6%,强度应力及稳定应力比均不大于1,满足设计要求。

表1 应力比统计结果表

对结构整体采用有限元软件分析,挠度变形见图3,其钢结构构件挠度变形中间大,四周小,最大竖向挠度为28.1 mm,小于l0/300=32 100/300=107 mm,满足规范要求。

4 穹顶钢结构施工

4.1 穹顶钢结构安装方案

穹顶钢结构的安装是一个复杂的过程,需要严格按照计划进行,以确保结构的稳定性和安全性,以下是穹顶钢结构安装的主要流程:1)钢结构预埋件预埋:进行钢结构预埋件的预埋工作,包括在地基或基础混凝土中设置预埋螺栓或其他连接元件,以便后续的钢结构可以安全地固定在上面,预埋件的位置和尺寸必须按照设计图纸精确布置。2)矩形钢立柱安装:安装过程的下一步是安装矩形钢立柱。这些立柱通常位于结构的四个角落和中间位置,用于支撑主要的钢结构框架。立柱必须垂直安装,并与预埋件进行牢固的连接。3)柱顶钢环梁(边梁)安装:在立柱安装后,安装柱顶的钢环梁或边梁。这些横向构件将连接立柱,形成结构的基本框架。安装过程需要确保这些梁与立柱的连接紧固,以保持结构的稳定性。4)主梁安装:主梁是支撑穹顶的关键构件。它们通常位于结构的顶部,横跨边梁之间,主梁的安装需要仔细的计划和高度精确的位置控制,以确保整个结构的几何形状和稳定性。5)次梁安装:次梁是用于支撑穹顶玻璃组件的次要结构构件。它们位于主梁之间,并起到加强和稳定结构的作用,次梁的安装需要与主梁对接和连接。6)采光穹顶玻璃组件安装:进行采光穹顶玻璃组件的安装。这些玻璃组件将覆盖整个穹顶结构,提供采光和美观性,安装过程需要小心操作,以确保玻璃的安全性和完整性,在整个安装过程中,安全是至关重要的,必须严格遵守相关的安全标准和操作规程。同时,需要确保所有连接点和固定件都经过正确的安装和检查,以确保结构的稳定性和安全性。

1)钢结构预埋件在穹顶洞口反边钢筋绑扎时预埋,采用两根φ12 mm钢筋作为埋件托筋,与反边钢筋焊接固定,保证预埋板不移动后与洞口反边整体浇筑。

2)钢立柱为单根矩形钢管,长4.1 m,单根总重394.59 kg,现场采用塔吊进行吊装;钢立柱吊至预埋件上时,先临时固定,调整垂直度至符合规范要求,若超出范围,可采用垫片或专用锲铁调整。垂直度无误后,先点焊连接稳固后采用四面满焊焊接立柱与预埋件。

3)钢环梁(边梁)位于柱顶,为弧形,每根长度为4.5 m,重403.56 kg,使用塔吊吊装就位与钢柱点焊临时固定,调整平整度合格后对接满焊,在屋面搭设双排脚手架作为操作平台。

4)主钢梁截面尺寸为250 mm×100 mm×6 mm,长32.1 m,单根钢主梁最大质量为997.8 kg,吊装前采用四点绑扎的方法对钢梁进行多次试吊,保证主梁不倾斜来确保吊点准确位置。吊装过程中,第一榀主钢梁吊至环形梁处,不要松钩,对准定位轴线调整垂直度,并检查侧向弯曲,临时固定并焊接后,进行相邻轴线主钢梁吊装,第二榀主钢梁与第一榀主钢梁相互平行,水平方向采用型钢第一根主钢梁上临时固定,竖向采用方通临时固定在满堂支撑上,确保主梁安装稳定,以此类推,必要时可拉设揽风绳避免钢梁的倾斜[6]。

5)次梁按照图纸设计要求分格安装,焊缝厚度不少于设计焊缝厚度的2/3,且不大于8 mm,焊缝长度不宜小于25 mm,位置应在焊道内。

4.2 临时支撑体系支撑

屋顶穹顶的钢结构施工是该项目的一个关键环节,需要仔细计划和高度专业化的操作。以下是对屋顶穹顶钢结构施工的详细描述,包括屋面外围支撑体系和屋面骨架满堂支撑体系。

1)屋面外围支撑体系。在屋面穹顶的四周,有高度为4.1 m的钢环梁。这些钢环梁的安装是关键步骤之一,因为它们将支撑整个穹顶结构。为了完成这项任务,采用了移动式门式架作为作业操作平台。这个平台是为了让工人能够到达钢环梁的高度,并进行焊接和安装工作。通过使用移动式门式架,可以有效解决立柱与环形梁的焊接问题,因为工人可以在较高的位置工作,而不需要悬挂或其他不便的工作方式。这有助于提高工作效率和安全性。

2)屋面骨架满堂支撑体系。屋面的主次梁以及玻璃安装需要采用满堂支撑体系。满堂支撑体系使用直径为48.3 mm×3.6 mm的普通钢管搭建操作平台。这个平台的搭设高度达到27 m,纵向跨距为1 000 mm,共有32跨;横向跨距为1 000 mm,共有26跨。同时,在平台上设置立杆,立杆的步距为1 500 mm,为了支撑工人在平台上进行工作,脚手板以平行于平台横向铺设的方式铺设。这种结构设计旨在确保平台的稳定性和承载能力,以满足主次梁的焊接和玻璃安装等工作的要求。

总的来说,屋顶穹顶的钢结构施工需要高度专业的操作和严格的安全措施。使用移动式门式架和满堂支撑体系等现代施工技术,可以确保工程按计划进行,同时保障了工人的安全。这些施工步骤是确保屋顶穹顶的稳定性和安全性的关键因素,对于整个项目的成功至关重要。穹顶钢结构安装示意图见图4。

5 结论

1)采用有限元软件对穹顶钢结构进行线性及非线性稳定性分析,采用线性分析时其最小稳定系数为20.748;对其稳定系数最小的节点进行非线性分析(时程曲线),其安全系数为10.1,均满足设计要求。

2)对结构采用94种不同荷载组合,对构件单元进行强度应力比、整体稳定应力比分析,应力比均小于1,竖向挠度最大变形为28.1 mm,小于规范设计要求。

3)屋面穹顶钢结构安装结合现场实际安装方案、施工现场环境等条件,外围采用移动式门式架,内部采用满堂支撑作为临时操作平台。