大跨度空间钢结构综合安装技术

1 大跨度空间钢结构综合安装技术大跨度空间钢结构综合安装技术 魏成权 广东省工业设备安装公司 广州 摘要 从上世纪末以来 随着我国经济建设的蓬勃发展 建筑设计和施工 技术的进步 钢材冶炼技术的大幅度提高 大跨度空间钢结构因其具有其它结 构无可比拟的优越性 在大型体育场馆 会展中心 候机厅 会堂 剧院 机 库等大型公共建筑及不同类型的工业建筑获得了广泛应用 本文介绍了大跨度 空间钢结构的常用几种安装方法 1 大跨空间钢结构简介 1 1 大跨空间钢结构的分类 通常将空间结构按形式分为五大类 即薄壳结构 包括折板结构 网架结 构 网壳结构 悬索结构和膜结构 称为五大空间结构 其中 膜结构可分为 充气膜结构和支承膜结构 前者又可分为气囊式膜结构 囊中气压为 3 7 个大 气压 称高压体系 和气承式膜结构 膜内气压 1 003 个大气压左右 称低压体 系 后者又可分为刚性支承膜结构 支承在刚度较大的如拱 梁 桁架 网架 等支承结构上 又称骨架式膜结构 和柔性支撑膜结构 支承在脊索 谷索 边 索 桅杆等柔度较大的支承结构上 又称张拉式膜结构 在五大空间结构的基 础上 平板型的网架结构和曲面型的网壳结构可合并总称为网格结构 新的 土 木工程名词 已经正式推荐采用 空间构架 这一名词 相当于英文的 Space Frame 这里仍根据习惯称为网格结构 而悬索结构与膜结构也可合并总称为 张拉结构 1 2 大跨空间钢结构的优点 1 钢材塑性韧性好 结构塑性好 使钢结构一般不会因为偶然超载或局 部超载而突然断裂破坏 韧性好 则使钢结构对动力荷载的适应性较强 抗震 性能好 2 钢结构的重量轻 钢结构的容重虽然较大 单与其它建筑材料相比 它的强度却高很多 因而当承受的荷载和条件相同时 钢结构要比其它结构轻 便于运输和安装 并可跨越更大的跨度 重量轻 可减轻基础的负荷 降低地 2 基基础部分的造价 加快基础施工进度 重量轻 同时方便运输和吊装 3 钢材更接近于匀质和各向同性体 钢材的内部组织比较均匀 非常接 近匀质和各向同性体 在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的 这些性能和力 学计算中的假定比较符合 所以钢结构的计算结果较符合实际的受力情况 4 钢结构制造简便 易于采用工业化生产 施工安装周期短 大量的钢 结构都在专业化的金属结构制造厂中制造 精确度高 制成的构件运到现场拼 装 采用螺栓连接 且结构轻 故施工方便 施工周期短 此外 已建成的钢 结构也易于拆卸 加固或改造 5 健康环保 干作业施工 减少废弃物对环境造成的污染 房屋钢结构 材料可 100 回收 其他配套材料也可大部分回收 符合当前环保意识 所有材 料为绿色建材 满足生态环境要求 有利于健康 实现建筑绿色无污染 2 大跨度钢结构主要施工技术 现代大跨度空间结构 体系越来越新颖 型式越来越复杂 规模越来越大 对施工技术也提出了越来越高的要求 对一个空间钢结构而言 往往有多种可 供选择的施工方法 每一种施工方法都有其自身的特点和不同的适用范围 2 1 高空散装法 在钢结构安装位置搭设临时支撑架 将结构的全部杆件和节点 或小拼单 元 直接在高空设计位置总拼成整体 然后拆除临时支撑架的安装方法称为高 空散装法 高空散装法分为全支架法 即满堂脚手架 和悬挑法两种 全支架 法多用于散件拼装 而悬挑法则多用于小拼单元在高空总拼 该施工方法高空 作业量大 需要大量的支架材料和设备 2 2 分条 分块 安装法 分条 分块 安装法又称小片安装法 是指根据结构形式从平面分割成若 干条状或块状单元 安装时先在临时支撑点位置安装支撑架 同时在地面进行 条状或块状单元的组装 然后分别用起重机械吊装至高空设计位置 再连成接 各单元块之间杆件直至拼装成整体 最后拆除时时支撑架 该方法由于条 块 状单元大部分在地面焊接 拼装 高空作业少 有利于控制质量 并可省去大 量的拼装支架 其次 由于单元块的重量与现场现有的起重设备相适应 可利 用现有的起重设备吊装网架 有利于节约成本 3 2 3 高空滑移法 将结构按条状单元分割 然后把这些条状单元在建筑物预先铺设的滑移轨 道上由一端滑移到另一端 就位后总拼成整体的方法称为高空滑移法 滑移轨 道可以是直线的 也可以为弧线的 高空滑移法按其滑移形式可分下列两种方 法 1 单条滑移法将条状单元一条一条地分别从一端滑移到另一端就位安装 各条单元之间分别在高空再连接 即逐条滑移 逐条连成整体 2 逐条累计滑移法先将条状单元滑移一段距离后 能连接上第二条单元 的宽度即可 连接上第二条单元后 两条单元一起再滑移一段距离 宽度同上 再接第三条 三条又一起滑移一段距离 如此循环操作直至接上最后一条 单元为止 高空滑移法的主要优点是 钢结构的滑移可与其他土建工程平行作业 而使总工期缩短 端部拼装支架可以利用已建的建筑物 以便空出更多的空 间给其他工程平行作业 如果没有现成的支架 可以在一端设置宽度约大于两 个节间的拼装平台 条状单元在地面拼装后用起重机吊装到拼装平台 然后进 行滑移 设备简单 成本低 不需大型起重设备 特别在场地狭小或跨越其 他结构而使起重机等无法进入的情况下更为合适 2 4 整体吊装法 整体吊装法是指将结构在地面总拼成整体 用起重设备将其吊装至设计标 高并固定的方法 用整体吊装法安装空间钢结构时 可以就地与柱错位总拼或在场外总拼 此法一般适用于焊接连接网架 因此地面总拼易于保证焊接质量和几何尺寸的 准确性 其缺点是需要大型的起重设备 且对停机点的地耐力要求较高 同时 会影响土建的施工作业 2 5 整体提升法 整体提升法是将结构在地面整体拼装后 起重设备设于结构上方 通过吊 杆将结构提升至设计位置的施工方法 这种施工方法利用小机 如升板机 液压滑模千斤顶等 群安装大型钢结 构 使吊装成本降低 其次是提升设备能力较大 提升时可将屋面板 防水层 4 采暖通风及电气设备等全部在地面施工后 然后再提升到设计标高 从而大大 节省施工费用 2 6 整体顶升法 整体顶升法是利用柱作为滑道 将千斤顶安装在结构各支点的下面 逐步 地把结构顶升到设计位置的施工方法 整体顶升法与整体提升法类似 区别在 于提升设备的位置不同 前者位于结构支点的下面 后者则位于上面 两者的 作用原理相反 2 7 折叠展开安装法 该方法把一个穹顶看作由径向的拱绕竖向中轴旋转一周而成 因此穹顶的 立体空间作用可以分解为径向拱的作用与环向箍作用的叠加 对于杆件组成的 网格状网壳来说 去掉部分的环向作用就是去掉一部分环向杆 这样穹顶结构 就可以产生 1 个竖向的 且唯一的自由度 利用穹顶临时具有的自由度 就可 以把穹顶折叠起来 在接近地面的高度进行安装 然后利用液压顶升和气压等 方式把折叠的穹顶沿其仅有的一维自由度方向顶升到设计高度 完成穹顶的施 工过程 也可以采用液压提升的方式提升到设计高度 完成安装 3 典型施工实例 3 1 高空散装法 深圳大运中心主体育场钢屋盖安装 深圳世界大学生运动会主体育场位于深圳市龙岗区体育新城 总建筑面积 约 13 万平方米 拥有 6 万个观众坐席 主体育场采用了内设张拉膜的钢屋盖体 系 钢结构形式为单层折面空间网格结构 平面形状为 285m 270m 椭圆形 最 高点的高度为 44 1m 在不同的区域悬挑长度分别为 51 9m 到 68 4m 内 圈 外 圈 立 面 图 1 深圳大运中心主体育场钢结构钢结构简图 5 钢屋盖分为立面 马鞍形外圈 内圈三个部分 由 20 个形状相近的结构单 元呈双轴对称分布构成 外圈的高差为 12m 内圈的高差为 8 6m 在结构的支 座 背峰 背谷 肩峰 肩谷 冠谷位置采用了铸钢节点 共 120 个 铸钢节 点单件最重约 90t 总重 4000t 结构的主杆件直径为 700mm 1400mm 壁 厚为 12mm 140mm 次杆件为焊接箱形截面杆件 钢屋盖铸钢件采用 GS 20Mn5 焊接管采用 Q390B Q390GJ C 次杆件采用 Q345B 单层折面空间网格结构具有支撑少 单位面积用钢量少 但超静定次数 低 传力路径复杂 环向效应对径向及整体结构稳定性影响较大等特点 深 圳大运中心主体育场悬挑长度大 结构呈椭圆形长轴短轴处标高不等 单个 结构构件重量巨大 针对以上问题本工程采用 胎架支撑高空原位拼装工艺 进行安装 3 2 分条 分块 安装法 深圳湾体育中心钢屋盖安装 深圳湾体育中心位于南山后海中心区东北角 深圳湾 15 公里滨海休闲带中 段 毗邻香港 是 2011 年第 26 届世界大学生夏季运动会的主要分会场 也是深 圳未来的重点城市景观和公共活动空间 整个项目占地约 30 74 公顷 总建筑 图 2 深圳大运中心主体育场钢结构安装过程 a A1 B1 单元内环同时开始安装 c 安装 A7 B7 立面结构 b 安装 A1 B1 单元立面结构 d 钢结构安装完成 6 面积达 25 6 万平方米 建成后将成为深圳市的又一座标志性建筑 深圳湾体育中心在设计上也是体育建筑的一大创新 名为 春茧 的独特 设计通过用白色巨型网架结构做成的大屋面将 一场两馆 和商业设施进行建 筑空间一体化的整合 深圳湾体育中心为空间大跨度结构 屋面投影长 530m 宽 240m 总用钢量约 2 万吨 其中体育场用钢量约为 1 2 万吨 构件形式为箱型弯扭构件 局部复杂节 点采用铸钢件 体育场钢屋盖采用分块安装法 3 3 高空滑移法 1 分区滑移法 广州国际会议展览中心钢屋盖安装 广州国际会议展览中心位于广州市东南部琶洲岛 是集会议 展览 商务 洽谈等多功能于一体并兼具展示 演示 表演 宴会 新闻发布以及大型集会 庆典功能的特大型公共建筑 主展厅屋盖采用由 30 榀特大跨度张弦桁架通过 辅助桁架 檩条和平面支撑连接而成的大跨度复杂形体钢结构 每榀桁架跨度 126 6m 重约 135t 间距 15m 每 6 榀张弦桁架组成一个单元 共有 5 个单元 图 3 深圳湾体育中心吊装全景 图 1 11 穹顶折叠展开顶升施工 图 4 广州国际会展张弦桁架实景图 7 覆盖了整个无柱大跨度空间 经过研究和分析 采取 张弦桁架地面组合 空间节间跨端组装 区段整体 平移到位 的施工方案 即在展厅的东西两侧 紧邻结构的 30m 内 搭设张拉 桁架的组拼胎架 每侧两组 张弦桁架在胎架上将分段组拼成整体 胎架正上 方设有布置钢索的通道 使张弦桁架形成承力构件 然后由四台塔吊将整榀张 弦桁架抬吊至与混凝土结构顶齐平的滑移轨道上 再由 300t 履带起重机将两榀 桁架之间的檩条系统安装完成 形成完整的节间 在逐渐平移安装过程中 进 而形成一个区间 最后采用计算机机控制的液压同步牵引系统将分区钢结构滑 移到位 这一方案无需大量的承重支架 完全避免了混凝土结构的加固 而且 使绝大部分作业在地面完成 有利于安全 质量和进度的控制 2 直线累积滑移法 深圳大运中心游泳馆钢屋盖安装 深圳大运中心游泳馆钢屋盖结构为空间单层折面网格结构 总用钢量约 图 6 深圳大运中心游泳馆效果图 图 5 广州国际会展钢屋盖滑移示意图 8 4300t 钢结构屋盖坐落在标高 4 5m 的混凝土结构柱上 从整个结构来看 结 构承受外荷载时 跨中上弦肋杆受压 下弦肋杆受拉 跨端正好相反 上弦肋 杆与下弦肋杆之间形成一对力矩 抵抗外荷载产生的弯矩 次杆件将主杆件平 均分为三份 起到增加结构整体刚度的作用 并作为幕墙及屋面板的支承结构 本工程钢屋盖采用高空定点拼装 累积直线滑移的方法 即在端部搭设拼 装平台进行高空散装 分七个拼装单元 沿纵向整体液压同步累积滑移 共滑 移六次 3 旋转累积滑移法 深圳大运中心主体育馆钢屋盖安装 深圳大学生运动会主体 育馆钢屋盖为单层折面型空 间网格钢屋盖结构 支撑在 标高为 3 740m 离中心半径 为 72m 的 16 个球铰支座上 钢屋盖最高点标高为 36 140m 钢屋盖平面形状 图 7 深圳大运中心游泳馆钢屋盖滑移分段 图 8 深圳大运中心主体育馆钢屋盖效果图 9 为圆形 最大平面尺寸半径为 72m 钢屋盖由 16 个相同的钻石形状的结构单元 构成 双轴对称 钢结构总重量约 5000t 根据工程特点 钢结构安装采用东西对称高空定点拼装 旋转累积滑移方 案 在体育馆东侧 西侧各布置一台 260t 履带吊 在体育馆内部布置一台 110 吨汽车吊作为内环部分的高空拼接主吊机 选择 240 轴线 260 轴线间和 80 100 轴线间区域作为定点高空拼装区域 搭设拼装脚手架平台 搭设拼装 支撑胎架 滑移单元在定点拼装场地上高空定点拼装成型 吊机将一个中心对 称的滑移单元拼装完成后 将定点拼装平台上阻挡旋转滑移的临时设置暂时拆 除后 利用液压同步推进系统将其整体沿顺时针方向旋转滑移 22 5 即滑移 一个结构单元的弧线长度 然后进行下一单元的高空定点拼装 再累计顺时针 方向旋转滑移 22 5 依此类推 拼装完的屋盖结构累计旋转滑移七次 而后 将第八个屋盖结构单元定点高空组拼 即整个屋盖结构完成合拢 最后采用分 m 第七单元 拼装 n 第七次 滑移 o 第八单元 拼装 图 9 深圳大运中心主体育馆钢屋盖旋转滑移施工流程图 a 第一单元 拼装 b 第一次滑 移 c 第二单元 拼装 d 第二次滑 移 e 第三单元 拼装 f 第三次滑 移 g 第四单元 拼装 h 第四次滑 移 i 第五单元拼装j 第五次 滑移 k 第六单元 拼装 l 第六次 滑移 10 阶段分级同步卸载法卸载钢屋盖 3 4 整体吊装法 浦东国际机场航站楼钢屋盖安装 上海浦东国际机场程由主楼 R2 高架进厅 R1 和登机长廊 R4 部分共 4 跨组成 总面积约 16 万平方米 钢结构总重达 3 万多吨 12m 以上部分均为大 空间 全部采用钢结构 屋盖跨越结构采用预应力张弦梁 主楼和高架进厅为 连续 3 跨 跨度由东向两分别为 48m 80m 和 42m 纵向长度 411 6m 该结构独 特 造型新颖 外形犹如展翅欲飞的巨型海鸥 屋盖下弦为高强钢索 梭子刑 钢屋架高低搁置 低端支承在混凝 十框架人梁上 高端通过托架梁支承在呈倾 斜状态的钢柱上 登机 K 廊跨度 52m 纵向长度 1383 6m 钢屋架通过托架梁支 承在两侧标高不同的倾斜钢柱上 钢结构有斜钢柱 托梁架 支撑及钢索等组 成 轴线纵向间距 18m 间距 15m 3m 屋架间距 9m 主楼斜钢柱问设支撑索 长廊跨内设群索拉结 该工程采取了 屋架节间地面拼装 柱梁屋盖跨端组合 区段整体纵向移 位 登机长廊地面组装 四机抬吊 高位负荷 远程吊运 的施工方案 3 5 整体提升法 国家图书馆二期钢结构安装 国家图书馆二期工程暨国家数字图书馆工程主楼和地下车库两部分组成 主楼结构由地下三层和地上五层组成 该建筑基础底板标高 13 6m 钢结构屋 面结构标高 26 19m 主体三层以下采用钢筋混凝土框架 筒体结构体系形成 基座区 基座区长 120m 宽 90m 三层以上采用巨型钢桁架结构体系由 36 根钢 柱承受其重量 外形尺寸 116m 106m 南北向设有 6 榀巨型钢桁架 东西向设 有 4 榀支撑桁架 钢桁架及主梁均采用箱型截面 桁架长 116m 高 10 04m 最 重单榀桁架 1100t 总工程量约 13500t 图 10 浦东机场航站楼断面图 11 结合本工程钢结构特点和通过对常规钢结构安装方法在本工程使用不利因 素的分析 考虑到安装方案的可行性 安全性 经济性和施工工期 为保证钢 结构整体安装质量和精度 本工程总体施工方案采用逆作法施工 钢结构采用 地面拼装 整体提升 的施工方案 工程总体施工方案采用逆作法施工 屋 顶区钢桁架结构地面原位拼装完成后 再进行土方开挖 基础结构施工 屋顶 钢结构主要钢结构地面拼装 剩余构件在整体提升完毕以后穿插散拼 最终确 定整体提升重量约为 10388 吨 3 6 整体顶升法 武汉体育中心二期主体育馆屋盖安装 武汉体育中心二期主体育馆为双层扁平张弦网壳 其下弦杆件及球节点是 在椭圆抛物面的曲而上 下弦节点是由下弦节点向上平移 3m 形成的曲面 尾盖 水平投影为椭圆 椭圆长轴长 165m 短轴长 145m 网壳最大长轴方向净跨度 135m 短轴最大净跨度 115m 整个体育馆水平投影面积约 2 万平方米 为了平 衡屏盖下挠对环梁基础的水平推力 在网壳下部设计三道环索 三道径向索 通过过对钢索进行预应力张拉 达到平衡屋盖下挠对基础的水平分力 同时确 保屋盖的拱度 图 11 国家图书馆二期钢结构整体提升实景 12 采取了中心区域网壳整体顶升 空中悬停接长 外围满堂脚手架 高空合 拢的综合技术 施工时顶升支架随网壳升高 最终顶升高度达 32m 网壳初始 顶升面积为 54m 84m 最后扩展为 91m 101m 重量由初始 400t 到最终 700t 这种施工方法有效地减少了脚手架用量 由于在中心看台区域整体顶升 也为其他专业施工提供了作业空间 还为复杂索系的悬挂 张拉创造了作业面 有效地保证了工程工期和工程质量 3 7 折叠展开安装法 澳门大型多功能体育馆主桁架安装 澳门大型多功能体育馆位于澳门特别行政区路氹填海区 场馆主结构为半 椭球型钢结构屋盖 屋盖展开面积 4 36 万平方米 在水平面投影椭圆长轴为