超大型钢结构工程施工方案选择.doc

超大型钢结构工程施工方案选择介绍了青岛*机场扩建、青岛*会展中心等几个大型工程屋盖钢结构施工方案的选择和工程实践。通过对滑移、扒杆整体提升与其他方案的分析比较，得出了下部与周边为混凝土结构、屋面为钢结构的工程，在选择钢结构施工方案时应遵循的一些原则。0前言机场航站楼、体育场馆等大型公共建筑为了满足建筑和结构上的需要，大多采用下部混凝土结构，屋面为大跨、造型复杂的钢结构形式，此类工程往往质量要求高、工期紧，且难以在混凝土结构上使用大型机械进行拼装和吊装作业。因此，在钢结构施工方案选择时，存在诸多需要综合考虑的技术问题，如：为保证工程的总工期，在钢结构施工期间，安装、装饰及周边的混凝土结构能否同步施工钢结构安装方法是否影响到其自身结构、混凝土结构，以及施工作业的安全；钢结构施工方法对质量、安全、施工速度的影响程度如何：上述问题均需围绕整个工程的总体目标，统筹考虑，以便选择合理的钢结构施工方案。1工程实例11青岛*机场扩建工程1.1.1工程概况青岛*机场扩建工程共分2期，其中期于2004年竣工，二期于2007年竣工。2期工程建筑面积17万m2，地下12层，地上3层，钢屋面最高处标高为26.796m，整个工程平面为曲线(见图1、2)。其中屋盖钢结构工程主要分为候机大厅、指廊、陆侧大雨棚等部分，钢结构的总重量约为6020t。一期候机大厅钢屋盖的面积为30900m2，平面呈扇形，扇形上弦长197m，下弦长154m，跨度72m，平面分为B和C两个区。屋面采用大型管桁架(BHJ)。材料为Q345B无缝钢管，所有节点均为焊接，管桁架平面呈V型，两端分别安装在标高23.498m和标高21.223m的混凝土柱上，其高差为2275m，见图2。整个候机大厅屋盖共6榀主桁架，每榀重量约84t，有弦杆共36根，腹杆792根。112方案选择该工程一、二期均采用了高空累积一整体曲线滑移的方案，并取得了较好技术经济效果。下面以一期工程为例对方案进行分析比较。(1)跨外两侧使用大型机械在地面或楼板上拼装、起吊的施工方案。地面单元组装，分多段吊至楼板进行对接，需使用2台大型起重机械抬吊就位。施工准备期较短，但需占用候机楼四周的场地，高架桥、+126m楼板、设备安装及其他工序无法施工，不能保证总体工期：施工作业的安全性较好，但拼装时对混凝土结构的安全性影响较大。需使用2台以上300t大型起重设备，并需加固混凝土楼板，成本过高。(2)地面单元组装、分段吊装、高空对接、曲线滑移的施工方案。地面单元组装，使用一台大型起重设备分2段吊至柱顶的滑移轨道，高空对接，累积一一整体高空曲线滑移，顶升就位，见图3。仅占用10、G轴线外侧的场地，高架桥、+126m楼板、安装及其他工序可同时施工，能够保证工程的总工期；钢结构施工速度较快，并可以减少高空作业，有利于保证施工质量和安全使用的大型起重设备较少，仅需增加滑移钢粱及滑移设备的费用，施工成本较低。高空曲线滑移技术难度较大，施工准备期较长。根据上述对比，只要解决了高空曲线滑移的关键施工技术，并将滑移箱梁、轨道等准备工作穿插于其他工序中，采用地面单元组装、分段吊装、高空对接、曲线滑移的施工方案，既能缩短钢结构的施工工期、降低工程成本，又能保证工程的总工期。1.1.3二期工程钢结构方案的实施效果全部钢结构工程自2006年4月1O月完成，其主要部分候机大厅钢结构的拼装、滑移2006年5月12曰6月10曰完成。钢结构施工期间，高架桥、砌体、安装等分项均同步施工，内外装修、场区等分项提前3个月开始，工程总工期缩短了4个月。由于在地面上拼装，减少了材料运输、提高了工效和质量、钢结构拼装、滑移的速度为45d榀，施工期间未发生安全事故。12青岛*会展中心工程21.2.1工程概况青岛*会展中心展厅部分为预应力混凝土框架结构，二层主展厅屋面为144m60m钢结构屋盖，形成了总面积约8600m2的无柱大空间结构，以满足展厅使用功能的需要。钢屋盖承重结构为60m跨的空间钢管桁架，桁架间距12m，主桁架共12榀，单榀重量约为40t，边桁架共24榀，单榀重约6t，屋面钢结构总重量约900t。钢结构平面布置见图4。钢管桁架两端支撑在边桁架上，边桁架为H型钢平面桁架由E轴至S轴连续设置，边桁架的支座采用过渡板与混凝土主体结构的预埋件相连。主桁架为变高度、变宽度的倒三角形截面空间钢管桁架，杆件均采用Q345B无缝钢管制作，上弦273mm，下弦直径299mm，腹杆的直径为273mm、140mm，节点为直接相贯焊接连接节点，桁架拱顶最大安装高度约为32m，单榀桁架的结构形式见图5。1.2.2工程特点及难点(1)钢结构总量不大，但造型独特、复杂，为大跨度空间管桁架。(2)工期紧。工程于2004年年底开工，2006年5月全部展厅和会议中心的部分区域即要交付使用。(3)展厅钢结构屋面位于建筑平面的中间，四周均为混凝土结构，楼面为大体积预应力混凝土结构，大跨度钢结构安装比较困难，见图4。1.2.3方案选择由于钢结构屋面位于混凝土结构的中央，如采用在跨外两侧吊装或原位散拼的方案，将影响四周混凝土结构，以及装修、安装等工序的穿插施工，造成总工期的延长。另外，因主桁架的造型对称、重心低、结构稳定，适合于滑移，而且在混凝土梁上铺设滑移轨道较为方便，因此经过比较选择了在S轴线一侧的场地拼装，分段吊装至2615m标高后，再整体拼装向E轴线一侧累积一一整体滑移的方案。起重机械的选择。如采用单榀桁架整体吊装的方案，则重量达40t的主桁架，安装高度32m，回转半径达24m，需要采用300t以上的吊车。为此选择了主桁架地面整体组装，分三段吊装的方法。最大的吊装单元仅为14t，选择160t汽车式起重机即可满足要求。为了保证起重机的回转半径，U轴线外侧的混凝土结构须待钢结构吊装完成后方可施工：SU轴线间的2615m标高以上的混凝土结构作为主桁架二次拼装的场地，待滑移完成后方可施工。为了加快钢结构屋面的施工速度，提前穿插屋面板的施工，选择了过渡板的滑移方案。即：增加过渡钢板，使滑移轨道的标高与主桁架的就位标高相同，滑移至平面位置后钢结构可直接就位。1.2.4实施效果钢结构施工自2005年9月25日1O月3O日完成。钢结构拼装使用了2个胎架，单胎架的拼装速度为3d榀，对接、滑移速度为2d榀，施工速度较其他方案提高了1倍。另外，滑移期间还穿插完成了部分钢结构屋面；除S轴线外侧剩余部分混凝土结构工程外，其余全部完成砌体、安装、装修等分项也按计划穿插施工。由于上述原因，使工程总工期缩短了3个月。13青岛*跳水馆工程131工程概况青岛*跳水馆工程为十一届全运会比赛场馆，包括比赛馆和商业区，总建筑面积46787m2，地下2层、地上1层为混凝土框架结构，其主要池体支撑在混凝土框架柱上，屋面为网架结构，造型似贝壳状。工程工期紧，2007年9月开工，2009年3月竣工。钢屋盖结构型式为焊接空心球节点四角锥网架，网格尺寸为4m4m左右不等。南北向跨度为1012m，东西向跨度130m，最高处标高为3O7Om。最低处标高为一1O8m。网架投影面积为15041m2，展开面积为18000m2，网架矢高为4.2m，由中心向四周变薄。网架结构总重量约1600t，其中室内部分网架重量约为1100t。网架杆件最大为37728mm，最小为603mm；焊接球最大球径为800mm，最小球径为300mm。支撑型式为室内部分有42个周边支撑柱，室外有4个落地支撑点。132方案选择为了保证工程的总工期及工程的质量、安全，对滑移、整体提升、高空散拼等几个方案进行了研究论证，最终选择了扒杆整体提升的方案。(1)由于结构造型复杂，难以划分拼装单元和布设滑移轨道，不宜采用滑移方案。(2)尽管架设满堂脚手架进行高空散拼的方案，操作环境好，有利于安全生产，但施工速度慢，而且屋面以下的作业空间全被占用，钢结构施工期间无法穿插砌体、安装、装修等分项的施工，将使工程的总工期延长34个月。(3)设置2O个格构式扒杆和部分独脚扒杆实施网架的整体提升(见图7)，施工难度大，对混凝土结构、钢结构及施工作业安全的影响大，但在网架提升过程中，可以穿插砌体、安装、装修等分项的施工，能够缩短工程的总工期34个月。因此，只要解决扒杆提升的整体稳定性、同步性及扒杆支撑部位混凝土结构的安全等问题，则该方案是可行的。133扒杆整体提升室内部分选择2O个格构式扒杆和部分独脚扒杆分5步实施网架的整体提升。即：先拼装00以下池体内的网架，提升至00再将该标高处的网架拼装完，继续提升至84m标高，扩大拼装后再提升，并依次进行最后2步的提升，与室外的网架连接后，再进行整体网架的卸载和就位，见图8。2对比分析21滑移方案211建筑造型及结构形式的分析(1)国内大型钢结构滑移工程如：深圳机场、浦东机场一期、广州新白云机场、沈阳桃仙机场，以及上述2个工程的建筑造型上均有一个共同点，即建筑造型在一个方向上比较规则，呈直线或圆弧型，这样可以方便的布设滑移轨道。否则，实施滑移方案将比较困难，应该考虑提升或其他方案。(2)采用滑移方案的工程，其结构形式的特点主要有：下部为混凝土结构或地下有混凝土结构，屋面为大跨度、造型复杂的钢结构，使用大型起重设备在混凝土结构上进行拼装和吊装作业比较困难。建筑的周边有混凝土结构，如：青岛流亭机场候机楼外侧的高架桥，青岛*会展中心周边的混凝土结构。采用大型起重设备拼装或吊装将推迟周边混凝土结构的施工。212技术经济分析(表1)。213其他方面的分析(1)过渡板滑移。减少了顶升就位的工序，可以避免钢结构各单元之间的施工位移，降低了施工难度，加快施工速度：钢结构滑移期间还可以穿插屋面施工，能够缩短工程的总工期。(2)大型起重机械的选择对成本影响较大。因此，除了考虑起吊重量、高度、回转半径等参数外，还要结合影响工期的关键环节和高空对接的难度来划分地面拼装单元。青岛*会展中心工程将主桁架分为3个拼装单元，仅使用了160t的吊车。如划分为2个单元需使用200t以上的吊车，单榀整体吊装需使用300t以上的吊车，则施工成本将明显加大。由于决定滑移施工速度的关键点是地面拼装，且该工程高空拼装点为混凝土结构平台，操作简单，因此可以增加拼装单元，以减小起吊重量。2.2扒杆提升方案(1)对于建筑造型上不适合滑移的，屋面为钢结构尤其是网架或网壳结构的，下部为混凝土结构的工程，其屋面的钢结构施工可采用扒杆整体提升的方案。(2)扒杆提升方案的技术经济分析见表2。3结语下部和周边为混凝土结构的屋面钢结构工程，选择钢结构施工方案时应围绕工程的总目标，综合考虑质量、安全、工期、造价等因素来确定。经过对多个大型工程的实践和方案选择的分析可以得出：(1)建筑造型在一个方向为直线或圆弧时宜选择滑移方案。否则，应考虑整体提升或其他方案。(2)屋面为钢网架或网壳结构时，如不适合滑移方案时宜采用扒杆整体提升方案。(3)滑移方案对其他工序和混凝土结构施工的影响最小，对工程总工期最有利，扒杆整体提升方案次之。(4)过渡板滑移减少了顶升就位的工序，可以提前穿插屋面施工，有利于安全作业，并能够加快施工速度。因此，采用滑移方案时应结合滑移方法优化钢结构的支座。(5)滑移施工时，地面拼装单元的划分对大型起重机械的选择和造价的影响较大。