贵阳国际会议中心a1商业区中庭采光顶屋面钢结构滑移施工分析.pdf

第 43 卷 第 2 期 2013 年 1 月下 建筑结构 Building Structure Vol． 43 No． 2 Jan． 2013 贵阳国际会议中心 a1 商业区中庭采光顶 屋面钢结构滑移施工分析 陈志祥 1， 吴挺前2 1 中国联合工程公司， 杭州 310006;2 浙江东南网架股份有限公司， 杭州 311209 ［摘要］针对贵阳国际会议展览中心 a1 商业区中庭采光顶屋面钢结构的结构特点及现场施工条件， 通过方案比 较、 优化分析、 施工模拟分析确定了安全、 经济、 合理的滑移施工方案。重点介绍了施工方案优选、 滑移施工分析、 吊装施工计算等内容， 这些技术措施有效保证了钢结构的顺利施工， 确保了工程质量和施工安全。 ［关键词］钢结构;滑移;吊装;施工分析 中图分类号 TU393. 3文献标识码 A 文章编号 1002- 848X 2013 02- 0051- 05 Slipping construction analysis on atrium lighting roof steel structure of a1 business area in Guiyang International Conference Center Chen Zhixiang1，Wu Tingqian2 1 China United Engineering Corporation，Hangzhou 310006，China; 2 Zhejiang Southeast Space Frame Co．，Ltd．，Hangzhou 311209， China Abstract According to the structural characteristics of atrium lighting roof steel structure of a1 business area in Guiyang International Conference Center and the construction conditions in site，based on the scheme comparison，optimized analysis and construction simulation analysis，the security，economic and reasonable slipping construction scheme were determined． Optimal selection of construction scheme，slipping construction analysis，hoisting construction calculation were emphatically introduced． These technical measures not only ensure the smooth construction of the steel structure，but also ensure the construction quality and safety． Keywords steel structure;slipping;hoisting;construction analysis 作者简介 陈志祥， 高级工程师， Email chenzx79 163． com。 1工程概况 贵阳国际会议展览中心主要由会展中心、 会议 中心、 观光综合楼、 五星级酒店、 商务及办公、 公寓等 子项目组成， 是国内功能配套最完备、 设施最先进的 多功能会议展览中心之一， 如图 1 所示。其中 a1 商 业区中庭采光顶屋面钢结构分 3 个区域， 见图 2， 其 中区 域 一 和 区 域 三 投 影 面 积 均 为 90m 27m 2 430m2; 区域二投影面积为 36m 27m 972m2。 每一个区域的中间都采用管桁架结构， 两端采用变 截面 H 型钢梁。管桁架形式为倒三角形， 上弦杆 180 8、 下弦杆 219 12、 腹杆 88. 5 4. 5， 矢高 1. 2 ～ 1. 584m， 钢管之间直接相贯连接， 桁架跨度 25. 6m， 通过支座支承于 38. 386m 标高的钢牛腿上。 边缘钢梁为变截面 H 型钢 H 300 ～ 684 250 8 10， 同样支承于钢牛腿上， 钢材材质均为 Q345B。 2施工方案选择 2. 1 施工方案确定 a1 商业区中庭采光顶屋面管桁架结构虽然只 有 21 榀， 桁架安装规模不大， 但现场施工条件非常 复杂， 如图 3 所示。桁架结构正下方有错层的钢楼 梯平台及混凝土结构楼层， 形成多层不同的结构体 图 1贵阳国际会议展览中心效果图 图 2 a1 商业区屋面钢结构平面 系并相互交错， 待屋面桁架施工时， 钢楼梯平台已施 工好， 使得汽吊不能直接进入场内吊装， 而桁架下方 又没有楼层板可以搭设操作架， 使得施工十分困难。 而且管桁架在建筑物的中间位置， 周边的混凝土结 建筑结构2013 年 构高于桁架的安装高度 图 3 ， 如采用大型吊装设 备进行吊装， 经现场勘察， 吊机需行走在 a1 集中商 业区建筑物外侧的消防通道上， 需用 150t 以上的汽 车吊才能满足安装要求， 不但施工费用高， 而且消防 通道也承受不了如此之大的吊机。 图 3现场施工条件照片 根据 以 上 分 析 和 以 往 类 似 工 程 的 安 装 经 验 ［1， 2］， 采用以下安装方案 在每一安装区域的一端 搭设管桁架拼装操作平台 图 4 ， 管桁架在操作平 台上进行单榀拼装， 单榀桁架拼装完成后采用滑移 的方法逐步向另一侧滑移运送至安装位置， 然后使 用安装位置两端设置的临时吊架进行吊装就位、 安 装于钢牛腿上。如此单榀拼装→滑移→吊装， 完成 所有桁架的安装。3 个安装区域相互独立， 可以分 别独立施工， 互不影响。 图 4桁架拼装平台位置及滑移方向 2. 2 滑移施工方案优化分析 采用滑移施工的单榀桁架形式如图 5 所示， 横 截面呈倒三角形， 自身矢高 1. 2 ～ 1. 584m， 通过两端 的支座安装于 38. 386m 标高的钢牛腿上。单榀桁 架自身跨度 25. 6m， 两端的钢筋混凝土梁距离 27m， 采用滑移施工时须对桁架的端部进行处理， 使桁架 端部与滑移支架可靠连接， 保证桁架结构在混凝土 梁柱上进行滑移施工和吊装就位施工过程的安全。 原端部处理方案如图 6 所示， 该端部处理方案 图 5单榀桁架立面图 图 6原端部处理方案 十分牢固， 可以保证滑移过程安全可靠。但该方案 多根临时钢管之间、 临时钢管与结构钢管和球之间 均相贯焊接， 临时钢管需做相贯坡口， 加工制作较困 难， 焊接量相对较大， 施工措施费相对较高。 考虑到每次滑移的结构单元为单榀桁架， 具有 以下特点 1 自身跨度为 25. 6m， 为中小跨度结构; 2 重量仅 50kN， 质量相对较轻; 3 桁架支座节点位 于结构的上弦， 桁架截面形式为倒三角形 图 5 ， 单 榀桁架滑移和吊装时， 其重心位于支座节点下方约 0. 45m 处。分析以上特点可知， 由于单榀桁架结构 重量轻、 跨度不大， 而倒三角形单榀桁架的刚度好， 因此在滑移和吊装过程中单榀桁架结构的变形较 小、 受到的竖向和水平作用力较小; 而且由于结构重 心低于支座节点， 因而结构不会出现绕支座节点的 翻转情况。针对这些结构特点， 考虑了图 7 所示的 端部处理方案。该方案非常简洁， 只需要一根矩形 钢管即可， 加工制作方便， 焊接工作量小， 施工措施 费低。 图 7新端部处理方案 2. 3 两种端部处理措施方案经济性比较 分别采用两种端部处理措施方案时， 单榀桁架 一端所用临时杆件的经济性比较如表 1 所示。从表 可以看出， 新端部处理方案的经济性远远高于原方 案， 用钢量不到原方案的 1 /10， 而且安装拆除非常 25 第 43 卷 第 2 期陈志祥， 等． 贵阳国际会议中心 a1 商业区中庭采光顶屋面钢结构滑移施工分析 方便。该工程共 21 榀单榀桁架， 每一单榀桁架两端 均需焊接临时杆件， 因此可节约用钢量 15. 54t。 单榀桁架一端所用临时杆件经济性比较表 1 项目 杆件 类型 杆件规格 杆件 数量 安装拆除难易 杆件 重量 /kg 原端部 处理 方案 圆管 219 10， 180 10， 88. 5 4. 5 10 焊缝多、 焊接 量大， 安装 拆除较复杂 410 新端部 处理 方案 方管 □200 200 16 16 1 焊缝少、 焊 接量小， 安装 拆除较简单 40 3滑移施工技术措施及相关计算分析 3. 1 拼装平台搭设及滑轨滑轮等设置 根据现场实际情况， 在 37. 0m 标高楼面上搭设 操作架， 操作架搭设至 41. 5m 标高， 在操作架上设 拼装胎架。操作架采用建筑施工用扣件式钢管脚手 架， 钢管采用 48 3. 5， 材质为 Q235B， 搭设尺寸 为 长 33. 0m、 宽 6. 0m， 操作架立杆纵横向间距均为 1. 5m， 步高 1. 7m， 操作架平台顶部标高为屋顶楼面 梁顶标高 41. 5m， 顶部作业层水平杆同样采用 48 3. 5 钢管， 间距≤300mm， 水平杆上方满铺竹笆片 脚手板， 脚手板与水平杆采用铁丝绑扎固定。在搭 设操作架拼装平台时， 顶层水平钢管避开滑移轨道。 桁架的现场拼装在设计好的拼装胎架进行， 拼 装胎架采用 20 号工字钢和 10槽钢制成， 桁架拼装 好后， 开始装设滑移支架， 桁架拼装完成且经验收合 格后， 与滑移支架进行焊接固定。桁架滑移轨道采 用 20 号工字钢， 设置在 41. 5m 标高混凝土梁柱上 图 8 ， 通过预埋钢板与混凝土梁柱进行连接固定。 桁架滑移用的滑轮装置采用专用滚动滑轮系统， 滑 轮两侧设置限位板防止滑轮脱轨。 图 8预埋钢板和滑移轨道示意 3. 2 滑移施工分析 滑移支架设计如图 9 所示， 中部的压杆和底部 连接滑轮的杆件选用焊接 H 型钢 H220 220 8 12， 斜杆选用 140 4. 0 钢管， 材质均为 Q235B。滑 移支架同桁架两端的临时方钢管焊接连接， 通过设 置加劲板 图 9 使该节点处达到刚接条件。滑移支 架同单榀桁架一起共同 形成稳固的滑移系统。 3. 2. 1 其他方案讨论 该滑移方案十分简 洁， 曾有人担心滑移时 结构体系的安全性， 提 出了在桁架下弦两端和 滑移架底部用手拉葫芦 图 9滑移支架及端部连接示意 连接并张紧 图 10 的加强措施， 以防止横向管桁架 发生过大的竖向变形时引起结构体系的破坏， 即通 过手拉葫芦连接并张紧保证横向管桁架不发生过大 的竖向变形。该加强措施对于较柔的结构是有一定 的防范作用的， 但对于本工程， 由于横向管桁架的刚 度很好， 基本上不起作用， 如果操作不当还会带来滑 移施工的不便， 原因如下 图 10端部加强措施示意 1 本滑移单元采用倒三角形管桁架结构， 刚 度好、 重量轻， 跨度仅 27m， 因此竖向变形很小。后 面的计算结果显示， 竖向挠度仅 8. 3mm。 2 本滑移体系类似单跨门式刚架， 由于横向 管桁架和竖向滑移支架刚度都非常好， 滑移体系的 可能破坏模态是当滑移支架和桁架相交的节点处变 为铰接时， 滑移体系发生侧移破坏 图 11 。因此保 证该节点处达到刚接条件才是防范滑移体系可能破 坏的关键。 图 11破坏模态 3 在滑移开始前该滑移体系在自重作用下会 在滑轮处产生横向水平力 X 方向 ， 但由于横向管 桁架的刚度好， 横向水平力很小; 当滑移开始时， 由 于滑移过程中滑轮的侧向约束 X 方向 很小， 滑轮 会发生微小的侧向位移， 从而释放掉横向水平力。 通过对滑移体系在两端支座处完全释放侧向约束进 35 建筑结构2013 年 行计算分析可知， 侧向位移 Dx 2. 1mm， 非常微小。 4 加强方案利用手拉葫芦连接并张紧， 人为 因素影响比较大。当手拉葫芦张得过紧时， 由于滑 移过程中滑轮的侧向约束很小， 滑轮会在手拉葫芦 的张力作用下向内侧移， 侧移过大时会导致滑轮的 限位板同滑轨顶紧甚至卡死， 给滑移施工带来不便; 而当手拉葫芦松弛时， 加强措施基本不起作用。 3. 2. 2 滑移施工计算分析 单榀桁架滑移时其滑移结构体系类似单跨门式 刚架 图 12 ， 滑移结构体系在牵引力作用下通过两 端底部的滑轮在滑轨上向前滑动， 其工作状态与安 装完毕后的工作状态有很大不同， 滑移结构体系不 但承受竖向的自重荷载， 还要承受水平方向的惯性 力等荷载， 同时还须考虑滑移时的动效应 动力系 数取 1. 15 。滑移计算模型如图 13 所示， 桁架杆件 材质为 Q345B， 临时构件材质选用 Q235B。使用的 计算分析软件为 MIDAS/Gen。 图 12桁架滑移示意 图 13滑移阶段竖向位移云图 /mm 1 荷载取值 竖向荷载为结构自重， 滑移工况分析时， 荷载分 项系数取 1. 2， 动力系数取 1. 15， 1. 2 1. 15 1. 38 ≈1. 4， 即综合考虑动力系数后总分项系数取 1. 4; 水平荷载为滑移系统启动或制动 即加速或减速 时结构的惯性力， 取结构自重的 10 ， 综合考虑动 力系数后总分项系数取 1. 4; 基本风压 0. 30kN/m2。 滑轮处采用弹性约束进行模拟。 2 滑移阶段计算分析 经过计算机施工仿真分析， 滑移阶段滑移系统 的最大竖向位移 Dz仅为 8. 3mm 图 13 ， Dz/L 8. 3 /27 000 1 /3 253， 远小于 1 /250， 说明滑移系统 的竖 向 刚 度 非 常 好。最 大 侧 向 水 平 位 移 Dx 2. 1mm， 非常微小， 说明滑移开始时， 滑轮仅发生极 微小的侧向位移， 就释放掉了横向水平力， 滑移过程 中滑移系统的工作状态良好。当把滑轮的侧向约 束， 在结构上部施加侧向水平力 Fx 5kN 时， 结构 的侧向位移仅 1. 0mm。最大纵向水平位移 Dy 3. 7mm， 也很小， 说明滑移系统在纵向水平荷载的作 用下变形很小， 滑移系统的纵向刚度很好。 各工况下结构体系最大应力仅为 45. 1N/mm2， 远小于设计强度 ［3］。最大应力比为 0. 13 ＜ 1. 00。 施工仿真分析结果显示滑移阶段结构的安全性 完全满足要求。 3. 2. 3 桁架滑移技术措施 在对单榀桁架进行滑移时， 牵引力为滑轮与滑 轨之间的摩擦力和滑移单元 包括单榀桁架和滑移 支架等 启动或制动 即加速或减速 时结构的惯性 力之和， 可按滑移单元自重的 20 计算。滑移单元 自重约 55kN， 两端各设置一个牵引点， 每一牵引点 的牵引力 F 55 0. 2 2 5． 5kN， 考虑其他一些不 利因素， 牵引设备采用 5t 手拉葫芦进行牵引滑移。 牵引选用 6 19 直径为 17mm 的钢丝绳， 牵引点设 置在混凝土柱上。牵引速度不大于 0. 3m/min。 为保证桁架滑移时两个牵引点同步， 采用如下 措施进行控制 1 在滑移轨道上划分刻度线 50mm 为一个刻度 ， 在桁架牵引点位置各安排一个人报 数， 用对讲机互报桁架滑移过程中两侧滑轮的具体 位置， 以便随时校正两侧的牵引速度， 并保持均速滑 移; 2 桁架滑移时设一名总指挥， 两个牵引点各设 一名副指挥兼观察员， 对桁架滑移情况进行观测， 发 现异常立刻向总指挥报告， 及时调整解决; 3 每只 滑轮的两侧均设限位板， 防止在滑移过程中滑轮 脱轨。 3. 3 吊装施工分析 单榀桁架滑移到安装位置后， 开始进行桁架的 吊装。吊装支架设计如图 14 所示， 中部和上部杆件 采用焊接 H 型钢 H300 200 8 12， 前部及后方 斜杆采用 140 4. 5 钢管， 左右两侧采用 89 4. 0 钢管， 材质均为 Q235B。吊装支架底部与混凝土梁 柱顶的预埋钢板进行焊接或螺栓连接， 确保连接 可靠。 图 14桁架吊装示意 3. 3. 1 吊装施工计算分析 单榀桁架吊装时两吊点之间的距离为 25. 60m， 与桁架安装完毕后的跨度相同， 但桁架吊装时的工 作状态既不同于安装完毕后的工作状态， 也不同于 滑移工作状态， 因为桁架在缓慢向下吊装过程中， 不 45 第 43 卷 第 2 期陈志祥， 等． 贵阳国际会议中心 a1 商业区中庭采光顶屋面钢结构滑移施工分析 但要考虑桁架的自重荷载， 而且要考虑桁架吊装时 的起吊动效应， 动力系数取 1. 15， 同时还须考虑可 能受到风荷载等因素的扰动， 使桁架偏离平衡位置， 这时桁架会绕吊点转动一定的角度， 但由于桁架结 构的重心低于吊点， 当扰动结束后， 桁架会自动回到 平衡位置。吊装计算分析时， 吊装支架和单榀桁架 一起进行整体计算分析， 见图 14。吊装支架杆件材 质选用 Q235B， 桁架杆件材质为 Q345B。使用的计 算分析软件为 MIDAS/Gen。 1 荷载取值 竖向荷载为结构自重， 综合考虑动力系数后总 分项系数取 1. 4; 水平荷载为考虑吊装时风荷载等 因素对结构的扰动， 取结构自重的 10 ， 分项系数 取 1. 4; 基本风压取 0. 30kN/m2。 2 吊装阶段计算分析 吊装阶段计算分析结果显示， 桁架的最大竖向 位移 Dz仅为 6. 4mm， 假如桁架由于晃动等因素转动 一定的角度， 例如转动了 15， 这时桁架的最大竖向 位移 Dz为 7. 2mm， 都非常小， 说明该桁架具有良好 的空间受力性能， 各个方向的刚度比较均匀， 即使发 生晃动， 桁架结构也处于安全状态。由于桁架的重 心低于吊点， 假如发生晃动， 当晃动结束后， 桁架将 自然归于安装就位时的竖直状态。 在各种不利工况下吊装支架的最大位移 Dx 0. 5mm， Dy 14. 9mm， Dz 1. 2mm， 均满足要求。在 各种工况下单榀桁架和吊装支架的最大应力分别为 20. 5N/mm2和 116. 5N/mm2， 均满足要求。吊装阶 段结构的安全性满足要求。 3. 3. 2 桁架吊装技术措施 1 桁架吊装时先将两端支座处的吊索捆扎牢 固、 确保各项连接措施可靠安全， 然后用 5t 手拉葫 芦收紧， 避免割断杆件时， 结构产生振动; 之后对吊 架、 吊索等进行全面检查， 确保一切正常后， 割断支 座处的临时方钢管; 然后再进行安全检查， 确认安全 后， 进行向下吊装， 使单榀桁架结构平稳地降落到钢 牛腿上， 对位准确后焊接固定。 2 吊装过程中设一名总指挥， 两个吊架处各 设一名副指挥兼观察员， 随时监测、 观察吊装过程是 否有异常情况， 观测桁架下落速度， 并将信息反馈给 总指挥， 及时调整， 保证吊装过程的同步性。 3. 4 边缘钢梁安装 边缘型钢钢梁质量 2. 86t， 待所有管桁架安装完 成后开始安装边缘钢梁。边缘钢梁分段加工制作， 也采用在屋顶楼面上拼装完成后滑移至安装位置， 然后用专用吊装支架吊装就位。由于边缘型钢钢梁 的重心高于支座节点， 在吊点位置选择时不能采用 在两端支座节点处进行吊装就位的方法。考虑到钢 梁位于边缘位置， 待所有管桁架安装完成后， 可以在 拼装平台中部靠近边缘钢梁位置的混凝土梁柱上设 置吊装支架， 通过吊装钢梁中部适当位置的耳板进 行吊装 图 15 ， 保证了钢梁的重心位于吊点的下 方， 避免了吊装时翻转的可能性。 图 15 连缘钢梁吊装示意 4结语 针对贵阳国际会议展览中心 a1 商业区中庭采 光顶屋面钢结构的结构特点及现场施工条件， 通过 方案比较、 优化分析确定了经济合理的滑移施工方 案。并利用 MIDAS 软件对施工过程进行了仿真模 拟分析， 确保了施工安全。 本工程钢结构于 2010 年 11 月施工完成， 整个 施工过程非常顺利， 取得了很好的社会经济效益。 施工中所采用的一些技术措施可供类似工程参考。 参考文献 ［1］陈志祥， 周观根， 肖炽． CCTV 新址电视文化中心顶层 网架承重支架设计与研究［J］． 施工技术，2008， 37 5 30- 32． ［2］周观根， 陈志祥， 朱乾， 等． 厦门西站屋面钢结构施工 关键技术［J］． 施工技术，2010， 39 8 108- 111． ［3］GB 500172003 钢结构设计规范［S］． 北京中国计 划出版社， 2003． 上接第 87 页 ［5］秦四清， 等． 深基坑工程优化设计［M］． 北京地震出 版社，1998． ［6］陈昌富，吴子儒，曹佳，等． 水泥土墙支护结构遗传 进化优化设计方法［J］． 岩土工程学报，2005，27 2 224- 229． ［7］杨云， 冯亚． 自适应遗传算法在场强传播损耗预测中 的应用［J］． 微电子学与计算机， 2010， 27 11 121- 127． ［8］SIMPAON A R，PRIEST S D． The application of genetic algorithms to optimization problems in geotechnics ［J］． Computers and Geotechnics，1993，15 1 1- 19． ［9］田丰， 边婷婷． 基于自适应遗传算法的交通信号配时 优化［J］． 计算机仿真， 2010， 27 6 305- 308． ［ 10］雷英杰， 张善文， 李续武， 等． Matlab 遗传算法工具箱 及应用［M］． 西安西安电子科技大学出版社，2005． 55