三向网格结构无支撑施工关键技术研究

钢结构施工过程具有较强的非线性特性。钢结构设计时,一般以结构成型状态的边界、整体刚度、荷载及作用等条件进行设计分析。但空间异形结构施工过程中,结构刚度逐步成型,自重和附加荷载作用下,结构杆件内力和结构位移逐步累积和发展,因此施工过程中必须考虑结构的过程受力状态,进行施工力学仿真分析和结构与构件的承载能力验算,以确保施工精度、质量和安全性。本期刊出的6篇论文,基于浙江精工钢结构集团有限公司的重大项目实践和研究,分别介绍了高位复杂连体结构、轮辐式桁架悬挑结构、大高差双曲空间结构、三向网格结构采用非常规液压提升施工方法时的施工力学仿真分析、关键技术研究及其施工方案比选,相关结论可以为类似工程实施提供参考。

空间网格结构因其独特的建筑造型,在现代建筑中应用越来越多,随着其下方主体结构和空间网格结构越来越复杂,其结构安装技术也在不断地提升和改造。对于下部支承结构较为复杂的单层三向网格结构,常规采用临时支撑胎架进行原位分块安装或者搭设满堂脚手架高空散装的方式都存在措施量大、成本过高、安拆时间长等问题,而液压整体同步提升、顶升以及滑移等新型施工方式不仅同样存在成本和效率问题,而且还有较高的施工难度。针对上述问题,以深圳市“互联网+”未来科技城地块 DY01-04 街坊西区下沉广场马鞍形单层三向网格穹顶结构为例,对其无支撑施工关键技术进行研究,以实现更少的临时支撑措施量和更高的施工效率。无支撑施工指采用特定的分块方式,能充分利用上一个吊装单元作为下一个吊装单元的支撑结构,以交错搭接的方式,不设临时支撑完成结构的安装。施工的关键在于所采用的特定分块方式划分出的每一个分块均能够在吊装完成后与前一步安装结构形成稳定的结构体系,这个稳定的结构体系与一次设计成型态相比不会产生过大的位移和应力。基于施工全过程仿真分析和现场实测数据,综合考虑了施工过程的安全性、便利性及经济性,对螺旋式、单向交错式和对称交错式三种无支撑施工方式进行对比研究。结果表明,单层三向网格结构无支撑施工安全可靠,施工完成态结构应力及变形与设计一次成型态接近,结构整体应力较小,且环梁施工过程无稳定性问题,安全储备充足;无支撑螺旋式施工分段长度更短,结构应力及变形整体都优于无支撑交错式施工,无支撑对称交错式施工可显著减少单向施工过程中“跷跷板”效应带来的结构额外应力和变形,因此又优于无支撑单向交错式施工;通过在结构位移和应力模拟值较大处布置变形和应力监测点,对结构无支撑螺旋式施工过程中的变形和应力进行监测,监测结果表明:实际结构变形和应力与 MIDAS 模拟分析结果在发展变化趋势及数值上总体保持一致,体现了无支撑螺旋式施工方案的合理性。

空间网格结构因其独特的建筑造型,在现代建筑中应用越来越多,由于其下方主体结构的复杂性,其结构安装技术也在不断地提升和改造。目前,钢结构单层网壳结构施工常用的安装方法有高空散装法、分块安装法、滑移法、整体吊装法、整体提升或整体顶升法等,实际需要根据结构形式的不同而选择合适的施工方法。

采用高空散装、分块安装等吊装方法搭配临时支撑技术是单层网壳结构目前常规使用的施工工艺。然而临时支撑的搭设难度取决于下方主体结构和单层网壳结构的特点,不同的结构特点所采取的临时支撑搭设难度千差万别。当单层网壳结构和下方主体结构简单时,临时支撑搭设难度最低,如田云生等通过采用搭设满堂脚手架、支撑胎架和钢板平台等临时支撑措施的方式,完成了洛阳市奥林匹克中心训练馆的安装;张骁雄等通过采用格构式支撑胎架和门式支撑等方式,完成了苏州中心广场大鸟型单层曲面网壳钢结构屋面的安装。当单层网壳结构和下方主体结构复杂时,临时支撑搭设就十分困难,此时只能采用其他方式,如高明德通过采用提升施工的方式完成了唐山勒泰中心大跨度屋面单层网壳的施工;雷克等在上海苏州河洲际酒店钢结构天幕的施工中,考虑到天幕单层网壳结构形状过于复杂,难于采用搭设临时支撑体系吊装施工的方式,研究采用了提升施工的方式,设计出用于钢结构提升的格构式支撑胎架,顺利完成了天幕的提升安装。

然而对于一些下部支承结构较为复杂峰设土木网、特殊的单层三向网格结构,采用常规的临时支撑胎架进行原位安装的方式或者液压整体同步提升以及滑移等新型施工方式,都会存在措施量大、成本过高、安拆时间长等问题,此时有必要研究出一种临时支撑措施量更少和施工效率更高的三向网格结构无支撑安装方法。本文基于深圳市“互联网+”未来科技城地块 DY01-04 街坊西区下沉广场马鞍形单层三向网格结构,对单层三向网格结构无支撑施工关键技术进行研究,为类似单层三向网格结构的施工提供参考。

深圳市“互联网+”未来科技城地块 DY01 – 04街坊西区下沉广场穹顶为马鞍形三向网格单层网壳(图 1),在环梁最低点设置了 4 个田字形支承柱,跨度约 36 m。支承柱为不规则沿环梁弯折田字形截面,杆 件最大截面为 B1400 800 80 80,材质为 Q460GJC;环梁及内部网壳杆件截面均为箱型截面,环梁最大截面为 B850 850 90 90,最小截面为 B450 450 20 20,内部网壳杆件最大截面为 B300 150 30 30,最小截面 B200 100 10 10,材质包含 Q355B 及 Q460GJC。由于穹顶最高点和最低点高差约 14 m,且其下方下沉广场结构复杂,采用满堂脚手架或临时支撑胎架的方式安装会存在措施量大、安拆工期长等问题。

图1　 马鞍形三向网格单层网壳穹顶

无支撑施工需要采用特定的分块方式,能充分利用上一个吊装单元作为下一个吊装单元的支撑结构,以交错搭接的方式完成结构的安装。特定的分块方式指的是根据单层三向网格结构的传力路径特点,划分的每一个分块均能够在吊装完成后与前一步安装结构形成稳定的结构体系,这个稳定的结构体系与一次设计成型态相比不会产生过大的位移和应力,即能充分利用上一个吊装单元作为下一个吊装单元的支撑结构。

因此,无支撑施工需要根据单层网格结构的网格内部结构形式来决定采用的安装方式,以尽量减少分块单元长度的原则,考虑不同方向的分块安装方式,主要将安装方式分为交错式和螺旋式。对于单层三向网格结构来说,它的分块可以沿着水平、垂直和斜对角三个不同的方向进行划分,且均能够满足划分的每一个分块在吊装完成后能够与前一步安装结构形成稳定的结构体系的要求,所以它能够采用螺旋式、单向交错式和对称交错式 3 种安装方式。本工程为单层三向网格结构,通过介绍 3 种安装方式的流程以及特点,并对比分析选出适合本工程的最优安装方式。

根据马鞍形穹顶的结构及施工特点,将穹顶分为外部环梁和内部三向网格单层网壳两部分进行施工,其中外部环梁采用分段吊装的方式进行施工,内部单层网壳采用螺旋式、单向交错式和对称交错式3 种施工方式进行施工。

3.1　 无支撑螺旋式施工

当内部单层网壳采用螺旋式分块吊装的方式进行施工时,穹顶的分块方式如图 2 所示。此时穹顶共分为 13 个分块单元,外观尺寸最大的分块和质量最大的分块分别为 32A 和 31B,具体如表 1 所示。

1—支承柱;20 ~ 29—外环梁分段;31A ~ 37—内部单层网壳分块。

图 2　 螺旋式分块方式

表 1　 螺旋式施工分块信息

本工程马鞍形穹顶结构的无支撑螺旋式安装最显著的特点为从四周向中心施工,流程见图 3。

TJ1 ~ TJ6 为支撑胎架编号。下同。

图 3　 螺旋式施工流程

1) 步骤 1:搭设 TJ1 ~ TJ6,安装 1 及 2;2) 步骤 2:地面拼装 31A、31B 并吊装至设计位置,吊装状态下进行 31A、31B 与环梁之间的补杆安装,完成后松钩;3) 步骤 3:利用前步骤分块作为支撑,吊装 32A、32B 至设计位置;4) 步骤 4:按照步骤 2) 、3) 吊装方式,吊装剩余分块至设计位置,剩余分块吊装顺序为33A、33B → 34A、34B → 35A、35B → 36A、36B → 37,所有分块安装完成;5) 步骤 5:卸载 TJ1 ~ TJ6,穹顶施工完毕。

3.2　 无支撑单向交错式施工

当内部单层网壳采用单向交错式分块吊装的方式进行施工时,穹顶的分块方式如图 4 所示。此时穹顶共分为 9 个分块单元,外观尺寸最大的分块和质量最大的分块分别为 31 和 32,具体如表 2 所示。

1—支承柱;20 ~ 29—外环梁分段;31 ~ 39—内部单层网壳分块。

图 4　 单向交错式分块方式

表 2　 单向交错式施工分块信息

本工程马鞍形穹顶结构的无支撑单向交错式安装最显著的特点为以端到端的方式进行单向施工,流程见图 5。

图 5　 穹顶单向交错式施工流程

1) 步骤 1:搭设 TJ1 ~ TJ6,安装 1 及 2;2) 步骤 2:地面拼装 31 并吊装至设计位置,吊装状态下进行 31 与环梁之间的补杆安装,完成后松钩;3) 步骤 3:利用前步骤分块作为支撑,吊装 32 至设计位置;4) 步骤 4:按照步骤 2)、3) 吊装方式,吊装剩余分块至设计位置,剩余分块吊装顺序为 33 → 34 → 35 →36 → 37 → 38 → 39,所有分块安装完成;5) 步骤 5:卸载 TJ1 ~ TJ6,穹顶施工完毕。

3.3　 无支撑对称交错式施工

当内部单层网壳采用对称交错式分块吊装的方式进行施工时,穹顶的分块方式如图 6 所示。此时穹顶共分为 9 个分块单元,外观尺寸最大的分块和质量最大的分块分别为 31 和 32,具体如表 3 所示。

1—支承柱;20 ~ 29—外环梁分段;31 ~ 39—内部单层网壳分块。

图 6　 对称交错式分块方式

表 3　 对称交错式施工分块信息

本工程马鞍形穹顶结构的无支撑对称交错式安装最显著的特点为从一端向中心施工完后再由另一对称端向中心施工,流程见图 7。

图 7　 穹顶对称交错式施工流程

1) 步骤 1:搭设 TJ1 ~ TJ6,安装 1 及 2;2) 步骤 2:地面拼装 31 并吊装至设计位置,吊装状态下进行 31 与环梁之间的补杆安装,完成后松钩;3) 步骤 3:利用前步骤分块作为支撑,吊装 32 至设计位置;4) 步骤 4:按照步骤 2)、3) 吊装方式,吊装 33、34 至设计位置;5) 步骤 5:按照步骤 2)、3) 吊装方式,调转吊装方向,吊装剩余分块至设计位置,剩余分块吊装顺序为 35 → 36 → 37 → 38 → 39,所有分块安装完成;6) 步骤 6:卸载 TJ1 ~ TJ6,穹顶施工完毕。

4.1　 模型建立

采用大型有限元分析软件 MIDAS/gen 进行马鞍形穹顶 3 种施工方式的施工过程仿真分析,对比不同施工工序下,施工过程、施工完成态及设计一次成型态结果。施工过程仿真分析先通过定义各个施工阶段的结构组、荷载组和边界组,然后按照实际施工步骤对定义的组进行激活或钝化,从而实现结构的施工过程模拟。该方法不是将各个施工步骤的分析模型作为独立的模型进行分析计算,而是采用模型累积的方法,在每个阶段只输入已变化的结构、荷载或边界条件进行分析,然后将结果在前一阶段的分析结果基础上进行累积,最后输出总的分析结果,即各阶段之间相互关联,相互影响。本结构为线性累加模型,因此无需考虑几何非线性的影响。

施工过程中仅考虑结构自重,通过软件自动计算构件重量,取自重系数为 1.1;根据设计图纸定义构件材质、截面尺寸及构件之间的连接形式,其中穹顶下部与混凝土柱顶的连接采用固接边界条件进行模拟,穹顶封边梁支撑体系采用节点弹性支撑,按照支撑实际刚度进行模拟。

环梁在无支撑施工过程中会承受较大的扭矩,为验证环梁施工过程的稳定性,通过在截面定义阶段考虑环梁截面的翘曲效果,利用 MIDAS 软件自带的 7 自由度分析功能进行环梁单元的稳定性分析。计算模型见图 8。

图 8　 计算模型

4.2　 仿真分析结果

由图 9 ~ 16 对比可知,3 种施工方式施工完成态与设计一次成型态结果吻合均较好,结构内力及变形均接近,误差在可接受范围内。

图 9　 螺旋式施工竖向位移　 mm

图 10　 螺旋式施工应力云图　 MPa

图 11　 单向交错式施工竖向位移　 mm

图 12　 单向交错式应力云图　 MPa

图 13　 对称交错式施工竖向位移　 mm

图 14　 对称交错式施工应力云图　 MPa

图 15　 一次成型态马鞍形穹顶竖向位移　 mm

图 16　 一次成型态马鞍形穹顶应力云图　 MPa

由表 4 数据可知,穹顶在 3 种不同施工方式下,各个施工阶段环梁单元的最大应力分别为 13.79,14.74,14.45 MPa,均远远小于材料限值 305 MPa。

表 4　 环梁稳定性分析 MPa

从图 9 ~ 16 的应力云图可以看出,结构整体应力较小,且环梁施工过程无稳定性问题,安全储备充足,表明马鞍形三向网格单层网壳穹顶的无支撑施工方法安全可靠。

通过对比马鞍形穹顶施工过程、施工完成态和设计一次成型态的位移和应力结果可知,虽然 3 种施工完成态的结构内力及变形均与一次成型态接近,整个施工过程的应力安全储备也足够多,但是不同的无支撑施工方式其吻合度相差甚多,具体对比结果见表 5。

表 5　 无支撑施工方式对比分析

由表 5 可知,三向网格单层网壳穹顶的无支撑螺旋式施工相比于三向网格单层网壳穹顶的无支撑交错式施工,无论是位移还是应力,其施工完成态与设计一次成型态的误差均更小,且施工全过程的最大位移值和最大应力值也均更小。

通过对分块信息进行分析,表 1 ~ 3 的分块信息表明,采用螺旋式施工的分块单元长度整体小于交错式施工,对于单层网格结构来说,分块单元长度越长,施工过程中竖向变形会越大,而每一个吊装单元都会利用上一个吊装单元作为支撑结构,那么这种竖向变形就会因为下一个吊装单元的安装而加大,最终导致两个分块单元的交界处变形和应力过大。因此通过竖向位移云图和应力云图可以看出,3 种施工方式的竖向变形和应力较大值均集中于分块单元的交界处,且因为交错式施工的整体分块单元长度均大于螺旋式施工,所以交错式施工的竖向变形和应力均大于螺旋式施工。

此外,表 5 中交错式施工完成态的悬挑边缘处的最大竖向位移为 -38.82 mm,远远大于一次设计成型态的 -22.83 mm。这主要是因为交错式施工采用的是端到端的施工方式,这就导致了结构的变形向着悬挑端倾斜累积,该马鞍形穹顶结构两侧悬挑本身利用的就是自身的重力平衡而形成的一种自平衡稳定状态,当结构的变形向着悬挑端倾斜时,相当于在一侧悬挑端施加了一个竖向力,“跷跷板”效应直接加剧了一侧悬挑端的竖向位移。而通过对比表 5 中交错式单向施工和对称施工两种方式的竖向位移,显然交错式对称施工的方式能够显著缓解单向施工给结构带来的“跷跷板”效应,悬挑边缘处的最大竖向位移从 -38.82 mm 减少到了 -29.40 mm,明显减少了施工完成态竖向位移与一次设计成型态的误差。

综合对比 3 种施工方式的竖向位移和应力结果可知,本工程马鞍形穹顶采用螺旋式施工的方式更为合适。

根据本工程施工仿真分析结果,实际最终选择采用无支撑螺旋式施工方式。为了更好地对比仿真分析与实际施工结构内力和位移的情况,在结构位移和应力模拟值较大处布置各 10 个变形监测点、应力监测点,测点布置如图 17 所示。

图 17　 变形和应力监测点布置

施工完成态下各变形和应力监测点的施工监测结果与施工仿真分析结果的对比如图 18 所示。

图 18　 测点竖向变形和应力的对比

由图 18 可知:施工仿真分析的测点最大竖向变形为 26 mm,施工监测所得的测点最大竖向变形为34 mm,均出现在测点 3 上;应力测点最大值为 78.9 MPa/-87 MPa,分别出现在测点 5 和 8,与施工模拟值相比虽然略有增加但仍远远小于材料强度限值 305 MPa;无论是位移还是应力,施工模拟值和实测值两者曲线的发展变化趋势以及数值总体上保持一致,说明无支撑螺旋式施工方案安全合理。

基于深圳市“互联网+”未来科技城地块 DY01-04 街坊西区下沉广场穹顶单层网壳结构,对其无支撑施工方法进行研究,对比了螺旋式施工和交错式两种施工方式,可以得出以下主要结论:

1) 通过施工仿真分析,单层网壳结构采用无支撑施工方式,施工完成态结构应力和位移与一次成型态相近,且环梁施工无稳定性问题,结构安全储备充足,无支撑施工技术是安全可靠的,可为类似工程提高参考。

2) 无支撑施工方式中,交错式施工的分块长度相比于螺旋式施工更长,会加大施工完成态竖向位移和应力,因此螺旋式施工方式相比于交错式施工方式更优。

3) 交错式施工方式中,对称施工相比于单向施工更优,因为其能显著降低单向交错式施工带来的“跷跷板”效应,从而减小变形和应力。

4) 通过对施工过程的变形和应力监测,网壳结构各测点的变形和应力与施工模拟结果在发展变化趋势及数值上总体保持一致,体现了无支撑螺旋式施工方案的合理性。