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工业设备安装公司广州自上世纪末以来，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以及钢铁冶炼技术的大幅提高，大跨度空间钢结构以其其他结构无法比拟的优势，被广泛应用于大型公共建筑和各类工业建筑中。本文介绍了大跨度空间钢结构的几种常见安装方法。1.大跨度空间钢结构简介1.1大跨度空间钢结构的分类空间结构一般按形式分为五类，即薄壳结构(包括折板结构)、网格结构、网壳结构、悬索结构和膜结构，称为五种空间结构。其中，膜结构可分为充气膜结构和支撑膜结构。前者可分为气囊膜结构(气囊内气压为3 7个大气压，称为高压系统)和空气轴承膜结构(膜内气压约为1.003个大气压，称为低压系统)。后者可分为刚性支撑膜结构(支撑在刚性较高的支撑结构上，如拱、梁、桁架、网架等)。也称为框架膜结构)和柔性支撑膜结构(支撑在具有较高柔性的支撑结构上，例如弦杆、弦杆、侧索、桅杆等。也称为张力膜结构)。在这五种空间结构的基础上，平面网格结构和曲面网格结构可以结合起来，统称为网格结构(新土木工程名词正式推荐使用“空间框架”一词，相当于英语空间框架，按照这里的习惯仍称为网格结构)；悬索结构和膜结构也可以组合，统称为张力结构。1.2大跨度空间钢结构的优势(1)钢具有良好的塑性和韧性。结构塑性好，不会因意外超载或局部超载而导致钢结构突然断裂损坏。良好的韧性使钢结构更能适应动荷载，并具有良好的抗震性能。(2)钢结构重量轻。虽然钢结构的体积密度相对较大，但其强度远远高于其他建筑材料本身。因此，在荷载和条件相同的情况下，钢结构比其他结构更轻，便于运输和安装，可以跨越更大的跨度。重量轻，可以减轻基础上的负荷，降低基础部件的成本，并加快基础施工进度。重量轻，运输和吊装方便。(3)钢更接近均匀各向同性体。钢的内部结构相对均匀，非常接近均匀和各向同性的物体，在一定的应力范围内几乎完全是弹性的。这些性质与力学计算中的假设一致，因此钢结构的计算结果与实际受力情况一致。(4)钢结构易于制造，易于工业化生产，施工安装周期短。大量钢结构是在专门的金属结构制造厂制造的。高精度。制成的构件运到现场组装，用螺栓连接，结构轻巧，施工方便，工期短。此外，完成的钢结构也易于拆除、加固或改造。(5)健康和环境保护。干作业施工可以减少废物造成的环境污染。房屋钢结构材料可以100%回收，其他大部分支撑材料也可以回收，符合当前环保意识。所有材料都是绿色建筑材料，符合生态环境要求，有益健康，实现绿色无污染建筑。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，类型越来越复杂，规模越来越大，对施工技术也提出了越来越高的要求。一个年代钢结构安装位置应搭设临时支撑，结构的所有构件和节点(或小拼接单元)应在高空设计位置直接拼接成一个整体。拆除临时支撑的安装方法称为高空散装法。高空散装法分为两种：全支撑法(即全脚手架法)和悬臂法。全支撑法主要用于装配零件，而悬伸法主要用于在高空装配小型装配单元。这种施工方法需要大量的高空作业和大量的支撑材料和设备。2.2分段(块)安装方法分段(块)安装法又称小块安装法，是指根据结构形式从平面上划分成多个条形或块形单元。安装时，支撑架安装在临时支撑点的位置。同时，条形或块状单元在地面上组装。然后，用起重机械将条形或块状单元分别吊至高空设计位置，然后将单元块之间的杆件连接起来，直至组装成一个整体。最后，拆除时间支持框架。该方法有利于质量控制，因为大多数条形单元是在地面上焊接和组装的，高空作业较少，并且可以节省大量的组装支架。其次，由于单元块的重量与现场现有的吊装设备相适应，可以利用现有的吊装设备吊装网架，有利于节约成本。2.3高空滑行法将结构分成条形单元，然后将这些条形单元在建筑物预先铺设的滑轨上从一端滑动到另一端，并在就位后将它们组装成一个整体的方法称为高空滑动法。滑轨可以是直的或弯曲的。高空滑行法根据其滑行形式可分为以下两种方法：(1)单滑法将带材单元从一端一个接一个地滑动到另一端，以便安装到位，并且在高海拔处重新连接这些单元。也就是说，一个接一个地滑动，将它们一个接一个地连接成一个整体。(2)累积滑动法是先将条形单元滑动一定距离(第二个单元的宽度可以连接)。连接第二个单元后，两个单元一起滑动一定距离(宽度同上)，然后连接第三个单元，第三个单元一起滑动一定距离.这种循环操作应持续到最后一个单元连接为止。高空滑移法的主要优点是：(1)钢结构滑移可与其他土建工程并行进行，从而缩短总工期。(2)端部装配支架可利用已建成的建筑为其他项目的平行运行腾出更多空间。如果没有现成的支撑，可以在一端设置宽度大于约两个节间的组装平台。在地面上组装条形单元后，用起重机将它们吊到组装平台上，然后滑动。(3)设备简单，成本低，不需要大型起重设备，特别是起重机等因场地狭窄或穿越其他结构而无法进入的情况下更为合适。2.4整体提升方法整体吊装法是指在地面上将结构组装成一个整体，用吊装设备吊装到设计标高并固定的方法。采用整体吊装法安装空间钢结构时，可在柱错位的地方或现场外进行组装。这种方法一般适用于焊接连接网架，因此地面组装容易保证焊接质量和几何尺寸的准确性。它的缺点是需要大型起重设备，并且在停止点需要很高的地面耐力，这将影响土木工程的施工工作。2.5整体提升方法整体提升法是将结构在地面整体组装后，在结构上方设置提升设备，通过吊杆将结构提升到设计位置的施工方法。这种施工方法使用小型机器(如平板升降机、液压滑模千斤顶等。)安装大型钢结构，从而降低吊装成本。第二，设备的提升能力在这种方法中，圆顶被认为是通过绕垂直轴旋转径向拱而形成的。因此，穹顶的三维空间效应可以分解为径向拱效应和环向效应的叠加。对于由杆件组成的网格网壳，去掉部分环向效应就是去掉部分环向杆件。这样，穹顶结构可以产生垂直和独特的自由度。利用穹顶的暂时自由，穹顶可以折叠并安装在接近地面的高度。然后通过液压提升和气压将折叠穹顶沿其唯一的一维自由度提升至设计高度，完成穹顶的施工过程。也可以通过液压提升将其提升至设计高度，以完成安装。3.典型建筑实例3.1高空散装法-深圳大运会中心主体育场钢屋盖安装内环外圈竖面图1深圳大运会中心主体育场钢结构示意图深圳大运会主体育场位于深圳市龙岗区新体育城，总建筑面积13万平方米，观众6万人。主体育场采用带内部张力膜的钢屋盖系统。钢结构为单层折面空间网格结构。平面形状为285米270米椭圆形，最高点高度为44.1米，不同区域的悬臂长度分别为51.9米至68.4米。钢屋盖分为三部分：立面、马鞍形外环和内环。它由20个形状相似的结构单元对称分布而成。外环和内环之间的差值分别为12m和8.6m。在结构的支撑、背峰、背谷、肩峰、肩谷和冠谷位置有120个铸钢节点。每个铸钢节点的重量约为90t，总重量为4000t，结构主要构件直径为700mm 1400mm，壁厚为12mm 140mm；辅助构件是焊接箱形截面构件。GS-20mn 5；用于钢屋盖的铸钢件。焊管采用Q390B和q390gj-c。次要构件采用Q345B。图2深圳大运会中心主体育场钢结构安装过程A.a1/B1机组内圈的安装同时开始C.安装A7/B7立面结构B.A1/B1单元立面结构安装D.钢结构安装完成单层折面空间网格结构具有支撑少、单位面积用钢量少、超静定数低、传力路径复杂、周向效应对结构径向和整体稳定性影响大的特点。深圳大运会中心主体育场悬挑长度大，结构呈椭圆形，长轴和短轴标高不一致，单个结构构件重量巨大。为解决上述问题，本工程采用“高空轮胎架支架现场组装工艺”进行安装。3.2条(块)安装方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的东北角，位于深圳湾15公里滨海休闲区的中部，毗邻香港。它是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，总建筑面积25.6万平方米。建成后，它将成为深圳的另一个标志性建筑。深圳湾体育中心也是体育建筑设计的一大创新。名为“春茧”的独特设计通过一个白色巨型网格结构的大屋顶将“一个体育场和两个展馆”以及商业设施整合到一个建筑空间中。深圳湾体育中心为大跨度结构，屋面投影长530米，宽240米，总用钢量约2万吨。其中，体育场用钢量约为12000吨，部分复杂节点采用箱形抗弯构件和铸钢件。体育场的钢屋顶成块安装。图3深圳湾体育中心吊装全景3.3高空滑行法(1)分区滑移法-图1.11穹顶折叠和膨胀顶进施工广州国际会展中心钢屋盖安装图4广州国际展览张弦桁架结构实景图广州国际会展中心位于广州东南部的琶洲岛。它是一座集会议、展览、商务谈判等功能于一体的超大型公共建筑，具有展览、展示、表演、宴会、新闻发布、大型集会、庆典等功能。主展厅屋顶为大跨度复杂钢结构，由30个大跨度张弦桁架通过辅助桁架、檩条和平面支撑连接而成。每个桁架跨度126.6米，重约135吨，间距15米，每6个张弦桁架组成一个单元，共5个单元，覆盖整个大跨度空间，无柱。图5广州国际展览钢屋盖滑移示意图经过研究分析，采用了“地面组合张弦桁架，空间节点跨端拼装，截面整体移动到位”的施工方案。也就是说，在展厅的东西两侧，在相邻结构的30m范围内，将安装一套装配好的轮胎框架(每侧两组)，带有张力桁架。桁架弦结构在胎架上分段组装成一个整体，在胎架的正上方设置一个用于布置钢索的通道，使桁架弦结构形成一个承重构件；然后，四个塔式起重机将整个张弦桁架提升到与混凝土结构顶部齐平的滑轨上。然后用300吨履带吊将两桁架间的檩条系统安装成一个完整的节间。在逐渐平移和安装的过程中，进一步形成一个间隔。最后，采用计算机控制的液压同步牵引系统将分隔的钢结构滑移到位。该方案不需要大量承重支撑，完全避免了混凝土结构的加固，大部分作业在地面完成，有利于安全、质量和进度控制。(2)线性累积滑移法深圳大运中心游泳馆钢屋盖安装图6深圳大运会中心游泳池效果图深圳大运中心游泳馆钢屋盖结构为单层折面网格结构，总用钢量约为4300t，钢屋盖位于4.5m高的混凝土构造柱上，从整体结构来看，当结构承受外荷载时，跨中上弦受压，下弦受拉，跨中端相反。上弦肋和下弦肋之间形成一对力矩，以抵抗由外部载荷产生的弯矩。辅助构件将主要构件平均分为三部分，以增加结构的整体刚度，并作为幕墙和屋顶板的支撑结构。图7深圳大运会中心游泳池钢屋盖滑动截面本工程钢屋盖采用高空定点组装和累积直线滑动的方法，即在端部设置组装平台进行高空散装，共分7个组装单元，纵向整体液压同步累积滑动6次。(3)旋转累积滑移法深圳大运中心主体育馆钢屋盖安装图8深圳大运会中心主体育馆钢屋盖效果图深圳大运会主体育馆钢屋盖为单层折面空间网格钢屋盖结构，由16个球面铰链支撑，标高为3.740米，中心半径为72米。钢屋盖最高标高为36.140米，钢屋盖为圆形平面形状，最大平面尺寸半径为72米。钢屋盖由16个直径相同的结构单元组成，它们在两个方向上对称。钢结构总重量约为5000吨m)单元7的组装第七次失误o)单元8的组装图9深圳大运会中心主体育馆旋转滑动钢屋盖施工流程图a)组装第一单元b)第一次失误c)组装第二单元d)第二次失误e)第三单元的组装f)第三次失误g)单元4的组装h)第四次滑动I)单元5的组装j)第五次失误k)单元6的组装l)第六张纸条根据工程特点，钢结构安装采用东西对称高空定点组装和旋转累积滑移方案。体育场东西两侧各安装一台260吨履带吊，体育场内安装一台110吨汽车吊作为内环部分的高空拼接主吊。选择240轴和260轴之间的区域和80轴和100轴之间的区域作为定点高空组装区域，搭建组装脚手架平台，搭建组装支撑架，在定点组装现场高空组装形成滑动单元。起重机组装一个中心对称的滑动单元后，暂时解除定点组装平台上的临时设置，阻止转动和滑动，然后用液压同步推进系统顺时针转动和滑动整个单元22.5，即滑动一个结构单元的弧长，然后在下一个单元的高空进行定点组装，然后顺时针转动和滑动累计22.5，依此类推。 组装好的屋顶结构累计旋转滑动七次，然后在高空定点组装第八个屋顶结构单元，即整个屋顶结构闭合。 最后，采用分步同步卸载法卸载钢屋盖。3.4整体提升法浦东国际机场航站楼钢屋盖安装图10浦东机场航站楼部分上海浦东国际机场由主楼(R2)、高架入口大厅(R1)和登机走廊(R4)组成，总面积16万平方米，钢结构总重量超过3万吨。12m以上部分为大空间，均为钢结构，屋盖跨度结构为预应力张弦梁结构。主楼和高架门厅连续3跨，从东到东跨度分别为48米、80米和42米，纵向长度为411.6米。结构独特，造型新颖，