空间曲面异型钢与型钢混凝土组合结构关键施工技术

1、 空间曲面异型-钢与型钢混凝土组合结构施工关键技术何琳中铁二十局集团第六工程有限公司 陕西西安710032西咸空港综合保税区事务服务办理中心工程位于陕西省咸阳市渭城区北杜镇邓村村北，西部紧邻208省道。总建筑面积70203，总建筑高度29m。地下一层，地上七层，地下一层为车库、员工餐厅和设备用房，地上七层均为办公用房。地下一层建筑面积为21235，地上建筑面积为48968。工程总造价5亿元。整个工程钢结构用钢量9500吨，钢筋用量7500吨，钢材总量1.7万吨，混凝土总量52000m³。本工程于2012年12月开工，主体结构计划于2014年5月1日完工，装饰装修及机电安装计划于201

2、4年11月30日完工。1 结构概况本工程为钢+型钢混凝土+钢筋混凝土混合框架结构，由68条钢结构球面曲肋和七道型钢混凝土环梁组成，整个建筑形体类似于“飞碟”，外围轮廓是球面圆形，造型独特，结构新颖。该建筑将是西咸空港新城的地标，被业界专家誉为西北的“鸟巢”，也是国内采用空间钢结构+型钢混凝土组合结构的罕有建筑。2 巧妙的“三切一顶”设计构思本工程体形定位构思精巧，极富想象力和创造性。具体定位步骤如下：2.1用平面与球体相切，形成球冠部分。2.2球冠部分与圆柱相切，保留圆柱内相切后形成部分，并将圆柱面和球面组成部分倒角。2.3 该部分形体与圆环相切，删除圆环间的体量，该形体被分为两部分。2.4

3、内圆环球面与圆锥相顶，锥面与球面相接部位倒角，掏去圆锥面部分，即为最终形体。3 工程施工技术重难点3.1 异型钢结构制作与安装复杂本工程钢结构主构件为十字型劲性柱、箱型劲性柱和H型劲性钢梁以及日字型球面曲肋，结构与传力形式复杂。采用8.4×8.4m矩形轴网布置，地下室155×141m，上部结构造型的特殊性与矩形轴网布置的结合，使得上部结构需要在地下室顶板进行传力转换。球面曲肋有以下3种组成形式。地下一层共有259根型钢混凝土柱，型钢截面类型共计42种，分为十字形、箱型两大类，十字形型钢截面为500×500×300×25mm，箱形型钢最小截面为5

4、00×500×25mm，最大截面为1600×1200×25mm。箱型型钢截面有“日”字形、矩形两大类，“日”字形截面柱在节点区域局部变截面为“田”字形。所有伸出±0.000m的型钢柱截面均转换为十字柱，且向上延伸。球面曲肋曲率各不相同，制作精度控制难度大；跨度大，倾斜角度大，安装精度控制难度大；焊接作业量大，焊接要求高，高空焊接施工难度大；型钢柱、梁与钢筋砼施工交叉作业，施工组织难度大；大量的起重机械交叉作业，施工安全风险高；整体结构面积大，层数少，大型起重设备需在地下室顶板上进行吊装作业，顶板支顶措施复杂；构件倾斜角度大，且为曲面，定位测量控

5、制难度大；构件种类多，唯一性高。3.2型钢混凝土梁柱节点施工复杂本工程为钢与型钢混凝土组合结构形式，有大量的型钢混凝土柱、梁构件，钢筋与型钢的纵横交错使得梁柱节点施工变得异常复杂，梁上、下部纵向钢筋伸至十字柱、箱型柱翼缘及腹板处，连接形式各不相同，纵横梁钢筋交错，钢筋与型钢连接精确定位难。3.3无后浇带超长混凝土结构裂缝控制施工难度大地下室南北长155m，东西长141m。钢筋混凝土框架结构的伸缩缝最大间距为55m，地下室长宽两个方向均超过了规范中设置永久性缝的规定，属超长结构。地下室顶板存在两道环形型钢梁与异型交叉型钢梁，纵横交错，不便留置后浇带，且后续地上部分钢结构吊装时，大型起重设备需在地

6、下室顶板上进行吊装作业，若通过后浇带将对结构安全性造成极大隐患。因此，如何有效控制无后浇带超长混凝土结构裂缝是本工程的难点。3.4结构应力应变监测工况复杂 本工程结构形式复杂，传力路径多变，竖向支撑体系采用型钢混凝土柱，球面曲肋通过型钢拉梁与型钢混凝土柱刚接。而钢结构施工过程中，竖向支撑体系及水平约束构件并未成型，型钢混凝土柱、梁只有内部的型钢参与受力。球面曲肋直接通过型钢柱、梁将所受内力传递至地下室顶板，结构存在不稳定性。因此，在钢结构施工过程中，需要在特定的阶段（吊装、合拢及逐步加载）和特殊气候条件（高温和低温）下，对结构进行应力应变监测，全面掌握施工过程中的实际受力状态，与设计受力状态进

7、行实时比较，确保施工过程中的结构安全。4 解决方法本工程运用BIM技术根据设计图纸对钢结构部分进行三维建模，在可视化的三维模型中，将所有钢构件进行拆解、分段，并逐一编号，经反复校核后，下料加工。安装时，先安装地下室型钢柱构件，待校核无误后，安装地下室顶板型钢梁，型钢梁、柱采用栓焊连接方式。安装完成后，施工地下室柱、梁板钢筋混凝土。地下室顶板混凝土强度达到设计强度后，开始安装地上钢结构构件，先安装地上型钢柱，再安装柱间型钢梁，完成后，安装球面曲肋竖直段部分，最后安装球面曲肋，每榀球面曲肋安装采用两台吊车抬吊方式进行。采用BIM技术对钢筋与型钢构件的碰撞点进行检查，在可视化三维模型中，对每个碰撞点

8、均进行模拟，分析每个碰撞点的情况，调整钢筋与连接板的位置及型钢柱腹板穿孔位置，精确定位后，在加工厂进行连接板与构件的定位焊接及腹板打孔。确保了钢筋与型钢的准确连接，有效解决了钢筋与型钢交叉碰撞，连接困难等问题。超长无缝混凝土施工技术是以补偿收缩混凝土为结构材料, 以加强带取代后浇带进行连续浇筑的施工方法。利用补偿收缩混凝土在硬化过程中产生的膨胀作用和钢筋的邻位约束, 在结构中建立少量预压应力, 通过调整混凝土中膨胀剂掺量使不同区段获得不同的预压应力, 以此来补偿混凝土在硬化过程中因温差和干缩产生的拉应力, 从而防止裂缝出现, 起到抗渗、防水的作用。使用这种方法可连续浇筑100200 m超长混凝土结构。在球面曲肋吊装过程中，选取曲肋低端部分南北两个侧面、高端部分两个侧面、曲肋跨中上表面为监测点，布置6个应力应变传感器。应力应变监测采用振弦式传感器，如图3.1所示。 从整个应力监测结果得出，球面曲肋吊装完成后，北侧肋梁低端往北倾斜，南侧高端往南倾斜。该监测结果与有限元分析相吻合。目前，在集团公司的大力支持下，经过有关各方的通力协作和专家指导帮助，项目已经顺利