现代大跨度空间钢结构施工技术.doc

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现代大跨度空间钢结构施工技术
第1 页共7 页鲍广鉴1 李国荣1 王宏1 罗军1曾强2陈柏全2(1深圳建升和钢结构建筑安装公司、广东深圳重庆大学土木系,重庆
摘要:本文详细介绍了大跨度钢结构施工技

的研究与应用.重点探讨了滑移施工技术,非对称整体提升技术,特殊焊接技术等方面的问题,并以具体工程实例加以说明.
关键词:大跨度空间施工技术,铸钢节点、滑移施工技术,整体提升施工技术Long-spa

Spatial Steel Structure Construction TechnologyBAO guangjian1 Li guorong1 WANG hong1 LUO jun1 ZENG qiang2CHEN jianshenghe Steel Structure Construction Co.Ltd. of Chongqing
Abstract:In this article the author presented the research and application of long-span spatial steelstructure construction. Furthermore, the writer discussed the crucial technology on sliding global lifting technology, special welding technology and gave the typical example oflong-span spatial steel structure construction.
spatial steel structure construction, cast joint, sliding construction technology ,global lifting technology1引言随着建筑理念的不断更新,出现了许多新型建筑,尤其是机场建筑,会展中心、体育场馆,展览馆等大型公共建筑均采用大跨度,复杂空间钢结构作为屋盖结构体系.建筑的美学要求和功能多样化引发了施工技术的变革,这种变革不仅仅停留在施工手段上的简单更新,而是将钢构件新制造技术;曲线滑移,非对称整体提升等新施工技术;计算机结构动态控制等辅助技术应用于工程实践,推动建筑业摆脱传统,向跨行业,机械化,高科技领域迈进.因此,施工企业要想在激烈的市场竞争中立足,就需要根据工程需要不断的进行施工新技术的尝试和创新.
近年来公司承担了多项国家重点工程建设项目,施工过程中积累了一定的经验、研究和实施了多项新的施工方法,其中的《复杂空间钢结构曲线滑移,非对称整体提升等施工技术的研究与应用》获得了2004年的国家科技进步二等奖.这里将工作中所遇到的问题和大跨度钢结构施工技术的要点提出进行分析.2大跨空间钢结构施工技术
2.1结构构件和异型节点的制作技术以钢结构建筑为代表,各种大跨度,复杂空间形状的钢结构建筑不断涌现,派生出了各种新型,局部受力复杂,制作难度大的钢构件.近年来承接了一系列大型,结构复杂,施工难度大的钢结构工程,在钢构件制作技术上遇到许多突出、具有代表性的难题,其中以深圳文化中心、深圳青少年宫、深圳会展中心等工程为典型代表.
2.1.1深圳文化中心工程深圳文化中心黄金树设计整个结构共采用了67个多分枝、复杂铸钢节点、形状各异,无一相同;节点最多由10根管件汇交而成,分枝成空间分布、夹角无规律性,单个铸钢节点重量多达7.71吨.如此复杂的树形结构国内唯一、其中铸钢节点的制作存在巨大的困难.在节点深化图1 节点模型Fig.1 Joint model
第2 页共7 页设计和制作过程中、利用3D3S软件,精确计算每两个杆件分枝之间的相互空间角度并确定各分枝长度,使用五轴联动数控机床加工节点中心球和各分枝圆心杆,选用消失模先进工艺、采用倒注,多冒口的方法,确保铸造质量.以上各项技术均达到国内领先,国际先进水平.铸钢节点应用于工程实际中、效果十分良好.每个节点外形尺寸准确,各分枝角度及长度与设计值较为吻合,为后续的焊接及整体控制等工序提供良好的条件.施工完毕后,整体造型新颖,美观,现已成为深圳市的标志性建筑物之一.工程最终使用自行研究制作的铸钢节点、弃用了日本的同类产品.
该工程黄金树结构最终整体造价仅为日方报价的十分之一.经检验、深圳文化中心枝形铸钢节点质量完全达到设计要求,质量等级为优良,并获省部级科技进步三等奖.
2.1.2深圳国际会展中心工程深圳会展中心造型独特、大跨度巨型双箱梁实心拉杆组合结构为国内首次使用.一共由68榀双钢梁与梁间檩条构成钢框架,其中38榀箱梁下带实心拉杆,其余为梁下钢柱支撑形式.上弦巨型箱梁为圆弧,变截面状,单轴线双榀梁组合,单榀梁重约180吨,与锲型钢柱相交处截面尺寸达1000mm×4800mm,跨度为126米,下弦φ150mm实心拉杆作为高强度拉杆在建筑行业上也是首次出现.针对实心钢棒拉杆,业主,设计方曾经考虑使用德国或英国的产品、由于价格过于昂贵,而转向国内产品.经我们参与研究制作的实心钢棒完全符合设计提出的高强度,性能稳定,抗疲劳性能良好,承载力大,防腐性强、使用寿命长等的要求,可代替德国或英国的同类产品、成本却只有其的几十分之一.单制作一项就大大提高了工程的经济效益,同时也促进和提高了我国高强度钢材的制作水平,增强其国际竞争力.
深圳会展中心巨型箱梁是钢结构的主要组成构件,其制作对结构功能的实现影响重大.现场安装显示、箱梁1000mm×4800mm截面处钢板局部变形不大于3mm,分段连接截面轴向间距误差仅为3mm,横向错位为3mm,整体长度误差控制在30mm以内.经监理单位及质检部门检测,箱梁质量完全符合设计质量要求.
2.2整体滑移施工技术大跨度空间钢结构的施工过程中最为关键的问题是结构在形成空间整体前的稳定性问题.滑移施工技术较好地解决了这一问题.滑移工艺是利用能够控制同步的牵引设备,将分成若干个稳定体的结构沿着一定的轨道,由拼装位置水平移动到设计位置的施工工艺.该工艺的优点是:可解决大量吊装设备无法辐射位置的结构安装难题;节约施工场地;对吊装设备要求低.缺点是:要求结构平面外刚度大,需要铺设轨道,多点牵拉时同步控制难度大.
2.2.1深圳机场二期扩建航站楼曲线桁架分片累计滑移深圳机场二期扩建航站楼钢屋盖为135米跨鹏形曲线钢桁架体系,施工滑移采用高空分榀组装、单元整体滑移,累积就位、三点牵拉、同步横向滑移工艺、成功地解决了施工中有较大水平外推力作用的钢管桁架整体,横向稳定性控制的难题及滑移轨道的设计,制作,安装难题,属国内首次采用,该工程的综合施工技术经国内专家鉴定达国际先进水平,获省部级科技进步一等奖,并在此基础上形成了国家级图2会展局部鸟瞰图图3 滑移现场Fig3Sliding site
第3 页共7 页工法.本工程安装施工所采用的高空分榀组装、单元整体滑移,逐单元累积就位的工艺是在原有的滑移工艺基础上进行了多方面的改进、突破,创造了滑移施工的多项新技术,主要表现在以下几
个方面:
(1)有水平推力下大跨度滑移轨道的设计,制作,安装技术.
(2)有限元计算程序软件进行复杂结构的施工验算技术.
(3)空间曲线桁架滑移过程的稳定性控制技术.
(4)多点牵拉桁架的多点同步控制技术.
2.2.2广州新白云国际机场旅客航站楼双胎架等标高曲线滑移广州新白云国际机场航站楼采用以人字柱支撑的大跨度双曲面钢屋盖,平面尺寸为314m(长)×212m(宽),安装方案选择了多轨道,变高度胎架,曲线滑移,分组安装施工工艺、解决了空间曲面屋盖体系的安装就位难题,在国内属首次.曲线滑移技术经国内专家鉴定达国际领先水平,获省部级科技进步二等奖.本工程胎架系统由两个高37米,宽26米,长62米胎架组成,每个重350t,外形庞大,构造复杂,在弧形轨道上滑动,其安全可靠性是本方案关键.桁架在胎架上高空拼装好以后需整体滑移至安装位置,桁架位置处在同心圆的直径线上,四条滑移轨道布置在同心圆的不同半径上,要保证同角速度整体曲线滑移是一大难点.本工程将滑移胎架的设计和桁架拼装滑移就位及滑移的同步控制作为重点、采取了多项控制措施.
2.2.3沈阳桃仙机场二期扩建航站楼屋盖钢结构胎架滑移工艺沈阳桃仙机场二期扩建航站楼屋盖总重3000t,桁架长
96.4m,采用分段拼装、胎架滑移工艺、三天安装两榀、仅用93天时间完成了23榀主桁架吊装、节约了工期,为沈阳桃仙机场2000年底投入运营赢得了时间.此前胎架滑移工艺在我国属首次应用,无类似施工经验借鉴,本工程的顺利完成,添补了我国此项施工工艺的空白,为今后类似工程施工提供了理论依据和实际操作方法.以本工程为实例的胎架滑移工法已成为国家级工法.
2.2.4哈尔滨体育会展中心128m索桁架屋盖高低跨同步液压牵引滑移哈尔滨体育会展中心钢屋盖由35榀张弦桁架构成,每榀桁架跨度达128米.施工采用整体吊装、分片累积,高低跨不等标高同步滑移施工工艺、滑轨高差15.2m,牵引设备采用液压千斤顶计算机同步控制系统,是我国滑移施工跨度最大的张弦结构工程.
2.3整体提升施工技术计算机控制液压整体提升技术是近年来将计算机控制技术应用于建筑施工领域的新技术.它主要工作原理是以液压千斤顶作为动力设备,根据各作业点提升力的要求,将若干液压图4结构模型图Fig.4 Structure model图5 胎架滑移Fig.5 Scaffold sliding图6 滑移方案Fig.6 Sliding scheme
第4 页共7 页千斤顶与液压阀组,泵站等组合成液压千斤顶集群,并在计算机控制下同步运动,保证提升或移位过程中大型结构的姿态平稳,负荷均衡.
2.3.1广州新白云机场飞机维修库钢结构工程250×88m钢屋盖多吊点非对称整体提升广州新白云机场飞机维修设施钢结构屋盖整体提升单元尺度250米×88米,总面积21000平方米,总重量4277吨,是全国应用整体提升技术一次提升面积最大的单体建筑.
工程中主要涉及的关键技术有以下几点:
(1) 整体提升计算机动态控制.
(2) 整体提升的设计与提升工况的验算.
(3) 大跨度钢屋盖地面组拼工艺.
(4) 计算机控制液压整体提升技术.
(5) 整体提升监测技术.该工程提升点多达十二个,提升力分布不均
匀、支承柱刚度差,稳定性计算相当复杂,国内尚无先例.在建设过程中联合清华大学结构研究所和上海同新公司一起研究,在整体提升设计计算,大面积钢屋盖地面组拼工艺、计算机控制液压整体提升技术,整体提升监测技术和测控工艺等方面,形成了成套技术,在钢结构施工技术方面作了的一次创新,获省部级科技进步一等奖.
2.4高空无支托拼装施工技术高空块体扩大单元无支托组装技术,施工原理是:将结构体系合理的分段,选择吊装顺序,使施工过程无需塔设支撑平台,利用结构自身刚度形成稳定单元、通过不断扩大单元接装、最后形成整体结构.
2.4.1厦门国际会展中心35m悬挑桁架高空块体扩大单元无支托组装技术厦门国际会展中心主体钢结构总高度42.6米,
31.8米标高以下为五层大柱距钢框架结构,31.8米以上部分为双向大悬臂空间桁架结构.梁、柱,桁架的主要断面为箱形,H型和十字形,最大板厚为75mm,重要部位采用国产类似SM490B-Z25材质,总用钢量1.45万吨.厦门会展中心顶部屋盖为目前国内最大的双悬臂空间桁架结构,悬挑长度南北向35m,东西向21m,双向悬挑.屋盖所采用的双向外挑帽盖结构,单榀重量80吨,施工阶段桁架下挠难于控制.屋盖体系为空间桁架,采用单榀吊装、施工阶段的荷载与最终的使用荷载和
结构体系差距较大.安装顺序如下图:进入进入进入进入组序e组序f组序d组序c组序b组序a图7 提升现场Fig.7 Lifting site图8 施工现场Fig.8 Construction site图9 组装示意图Fig.9 Structure assembly
第5 页共7 页本工程施工采用高空块体扩大单元无支托组装技术,通过不断扩大稳定结构单元接装、最后形成整体结构.厦门国际会展中心大悬臂结构,采用本方案施工,充分利用了结构本身优势,减少了施工投入,加快了施工进度,为下部空间交叉施工创造了作业面.高空块体扩大单元无支托组装技术已成为大悬臂空间结构施工技术的创新.
2.5厚板,异种钢材及管结构的多角度,全位置焊接技术钢构件截面形式,连接形式在不断新颖多样化,焊接质量要求高,无参考经验的焊接新问题不断出现.国产钢材的推广应用增加了焊接难度,特别是用于厚板截面时易发生母材层状撕裂问题,焊接质量难于控制.现场的焊接环境是影响焊接质量的一个重要因素,温度低,风量大,空气湿度大的环境使得焊缝成型质量,焊缝保养等控制难度增大.面对不断出现的种种焊接难题,在合理利用传统焊接技术的基础上,针对不同工程的不同焊接特点努力推行了新颖,高效的焊接工艺及方法,成功地克服了各种焊接难点、保证了焊接质量,特别是在深圳文化中心及厦门国际会展中心工程中得到了充分的体现.
2.5.1深圳文化中心管结构多角度,全位置异种钢材焊接深圳文化中心黄金树采用了新颖独特的树枝结构(如图),树枝节点采用半空心半实心的巨型铸钢件,每个铸钢件以不同角度伸出多个钢管接头(如图),每个钢管接头又与作为黄金树树枝的无缝钢管通过对接焊上下关联、逐步形成多节点、多分枝、多角度的三维空间树状钢结构造型.铸钢节点与相连无缝钢管的异种钢材对接焊是本工程的关键环节,也是整个钢结构施工焊接领域的一大难点、主
要表现在以下几方面:
(1) 多角度全位置的高空焊接铸钢件体形复杂.(2) 不等壁厚的大直径管管结构对接焊.(3)异种钢材焊接.(4)焊接变形难于控制.(5)焊接接头易出现裂纹等质量问题图11结构模型图Fig.11 Structure model钢铸节点与无缝钢管进行现场高空多角度全位置焊接.多角度是指钢铸节点的每个伸出钢管和相应无缝钢管的对接面呈各种不同的空间角度,焊工施焊时须考虑因倾角大小的差异所带来的熔池成形的差异而变换工艺参数,才能达到每个接头施焊均匀、焊缝和母材充分熔合等要求.全位置是指每个对接口的圆形焊缝都须进行四面围焊,焊工要经常变换焊接位置及焊接工艺参数,逐步完成仰焊,仰立焊,立焊,立平焊,平焊等操作.主要有以下三方面重点:
①焊前试验、现场焊接工艺评定.
②全面的焊接各环节质量控制.黄金树面貌典型钢铸节点图10钢管接头全位置焊接示意Fig.10 The sequence of cast joint siteweld收焊(平焊)收焊起焊(仰立天芯线仰立立平对称施起焊
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③细致的根部,填充层及面层焊接.
2.5.2厦门国际会展中心特殊环境下国产厚板焊接技术图12 施工现场Fig.12 Construction site厦门国际会展中心地处多风雨的沿海地区、是首例采用国产厚钢板的大型建筑,主体钢结构为81m×81m均布的48根十字型劲性柱,箱型柱及H型钢梁组合的钢框架结构(如图12),整个钢结构安装工程施工焊接量约为18万延长米.钢柱选用国产SM490B-Z25钢板,其余板材均为国产钢材Q345B.梁、柱,桁架的主要断面为箱形,H型和十字形,焊接类型为钢柱对接焊,H型钢梁对接焊和H型钢梁T型焊等全熔透焊缝.如何做好特殊条件下国产超厚钢板的焊接,已经成为钢结构施工领域的一大研究课题.现场施工焊接的特点难点主要表现在以下几方面:
(1)采用超厚截面国产钢材钢柱最大板厚达75mm,翼缘板厚普遍大于50mm,钢材Z向性能差,易产生层状撕裂现象.
(2) 焊接节点集中单根柱牛腿连接节点多达12个(如图12),并有大量的空中组拼连续梁焊接,梁最大跨度27m,最大悬挑上下弦梁长35m,焊接变形控制难度大.
(3)焊接环境恶劣工程地处海边、暴雨,台风多,空气湿度大,焊缝不易成型和保养.图13焊接现场Fig.13 Welding site
厚板焊接过程中所采取的措施:
(1) 现场焊接模拟试验找出施工中的不稳定因素和可行的防治方法,从技术上作好防层状撕裂准备,最终确定了最钢框架结构面貌典型多牛腿钢柱节点现场焊接焊缝成型
第7 页共7 页佳的焊接工艺参数.
(2)积极全面的防风雨措施每个焊接节点均搭设防风防雨的防护棚,切实做好防风雨工作,保证现场焊接的顺利进行及焊接接头质量.
(3) 科学合理的超厚板接头焊接技术针对钢框架结构的节点分布特点、通过从内向外,先焊缩量较大节点、后焊缩量较小节点、先单独后整体的合理焊接顺序,有效地分解了拘束力、从根本上减少变形和撕裂源.
(4)严密的后热及保温措施,无损检测采用大功率烤枪沿焊缝中心两侧各150mm范围内均匀加热至约250℃左右,使其缓慢冷,严格制约层状撕裂缺陷.
2.6复杂空间钢结构施工过程的动态结构计算机控制动态结构计算机控制是近年来将计算机技术应用于施工领域的一门新技术,是非常有效的施工辅助手段.通过对各种不利因素的分析和计算,可进行有效的方案可行性分析,优化施工方案,保证施工质量,安全和方案的科学性,验证不利因素对结构的影响是否属于控制范围,提出合理的控制基准和方法,有利于指导施工全过程.具体工程应用如下:广州机库4300吨钢屋盖多吊点非对称整体提升过程动态结构计算机控制;广州新白云机场航站楼钢屋盖曲线滑移的计算机分析及控制;钢棒拉杆组合结构目标位移控制结构预拱.
2.7复杂空间钢结构测控及试验研究钢结构施工测量控制作为施工技术的一部分,其工程施工方案的合理性,先进性,从大量的测控数据信息中分析结果并得到反应和证实.具体工程应用如下:深圳机场二期曲线钢桁架滑移过程位移动态监测;深圳文化中心复杂铸钢节点在枝状空间钢结构中的测量定位;深圳国际会议展览中心大跨度巨型箱梁及实心拉杆安装过程应力、应变监测.3结语文中介绍的大跨度钢结构系列施工技术是以近年来建设的一批大跨度复杂空间钢结构工程
为立足点、包括了以下两个方面:(1)从施工方法上形成了以曲线滑移,非对称整体提升,扩大单元无支托组装技术为核心的空间结构安装系列技术.(2)从相关工艺上形成了包括各工况下的结构应力分析;铸钢,锻钢及异型空间钢结构制作;扩大单元无支托组装;曲线滑移;非对称整体提升以及施工过程动态结构计算机控制;焊接;空间定位及测控技术;结构及变形试验、测试技术等辅助技术在内的钢结构施工成套技术.希望这些技术能够对我国钢结构施工行业生产力水平的提升有所帮助,进而使我国空间大跨钢结构的施工技术迈入世界先进行列.
参考文献:
[1] 鲍广鉴郭彦林等广州新白云国际机场航站楼钢结构整体曲线滑移施工技术[J. 建筑结构学报[2] 鲍广鉴等沈阳博览中心钢结构施工技术[J. 施工技术[3] 侯兆欣等新加坡MAGA会展中心大跨度钢结构施工技术[J. 施工技术(9).
作者简介:鲍广鉴,男(汉族),上海人、总经理,教授级高工