钢结构工程空间变曲面网格结构合龙与卸载技术总结

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空间变曲面网格结构合龙与卸载技术摘要:XXX体育中心钢屋盖为空间变曲面弯扭斜交网格结构，其构件为箱型且均有不同程度的弯扭；结构跨度长达500m，对温度的敏感性较强。为了尽量消减施工对结构产生的内部应力，设计时在关键部位预留了后施工带。又因安装采用“高空原位胎架安装工艺”，仅I标段的支撑点位就多达250个，使得合龙与卸载显得尤为关键。采用先将合龙构件用卡马焊接固定，再进行合龙口处对接主焊缝的焊接，焊接完毕后割除卡马的合龙工艺；采用切割卸载专用工装，达到将结构自重从胎架转移到支座的目的。关键词:XXX体育中心钢结构空间网格结构合龙卸载位移监测VariablesurfacemeshstructureofspaceclosureandunloadingprocessAbstract：ThesteelroofofmainvenueofShenzhenBaySportsCenterisdesignedasbending-torisonalgridstructurewithspatialchangingsurface.Thecomponentsofthesteelroofisdesignedasboxsectionwithdifferentbendingandtorsion.Furthermorethestructuralspanis500m,soitissensitivetotemperaturedifference.Laterconstructedbeltisdesignedatkeypositionframe,sotheclosureanunloadingismoredifficult.Theclosurecomponentsareweldedwithtemporaryconnectionsbeforeconstructionofmainweldingatclosurepoint.Thenthetemporaryconnectionsarecutoffwhentheweldingiscompleted.Thespecialunloadingequipmentsiscutoffafterunloadingfinished,andthecomponentscanloadingonbearings.Keywords：ShenzhenBayCentersteelstructurespatialgridstructureclosureunloadingdisplacementmonintoring1.工程概况XXX体育中心主场馆长约500m，宽约240m，由“一场两馆”组成，即体育场、体育馆及游泳馆。体育中心屋盖为复杂空间变曲面单层网壳，将“一场两馆”有机联系在一起，内部采用较少支撑形成大空间，外部形成一个包裹，形似“春茧”。本工程钢结构以S40轴（见图1）为界将屋盖划分为I标段、II标段两部分。Ⅰ标段为：钢屋盖合龙段以东的钢结构，包括：体育场、大树广场、展望桥、及其相连的树形柱等；II标段为：钢屋盖合龙段以西的钢结构，包括：体育馆、游泳馆及其相连的树形柱等第一作者:温小勇（1986-）男，深圳建升和钢结构建筑安装工程有限公司，助理工程师。。Ⅰ标段钢结构与II标段钢结构采用“高空原位胎架安装工艺”各自独立施工，待施工完成后，由I标段的施工单位负责两个标段的合龙再各自卸载。本工程的卸载有如下特点：①卸载总重量大（用钢量约为2.3万t）；②合龙和卸载分析技术要求高，考虑的影响因素多；③卸载工艺复杂，且同步性要求高；④高空作业难度大；⑤卸载位移精度要求高，同步精度必须控制在±10mm以内。图1：钢结构效果图2．合龙工艺2.1合龙构件本工程合龙主要是指Ⅰ标段与Ⅱ标段在S40轴线处的合龙，合龙构件为□700×450×10×14～□700×450×20×20箱型杆件。2.2合龙计算分析1）温度作用 温度是合龙分析中最重要的因素，由于本结构体系为空间变曲面斜交网格结构体系，其构件为箱型且均有不同程度的弯扭，结构跨度长达500m，温度作用下合龙构件两端节点会发生变形，对合龙构件形状和尺寸、周围构件应力等的影响需要重点考虑。本工程合龙开始到完成只持续了3d，风荷载、地基沉降和其它部分施工所产生的影响较小，可基本忽略。2）荷载组合考虑合龙过程中主要荷载的作用，采用荷载组合为1.35的恒载与1.0的温度作用（±5℃）。3）合龙计算模拟计算荷载，分析应力应变及位移变化。得到合龙过程中结构及胎架的应力、位移等均满足要求。2.3合龙施工过程中的关键问题及处理措施2.3.1安装误差的影响整个结构在构件安装完成后合龙，由于安装后误差的积累，会导致合龙单元安装长度有一定的变化。因此，需在合龙前做好以下两个方面的准备工作：1）复测合龙缝两端已完成构件端口的控制坐标，记录偏差值。2）实测合龙单元连接构件之间的实际长度，并与理论构件长度进行比较，如偏差较大，应分析偏差原因，对个别差异较大的构件应即时向制作厂提出，以便对实际制作长度进行调整。2.3.2合龙时间的选择根据设计要求，钢结构合龙温度为23℃～30℃。为了保证合龙的安全性，考虑昼夜的温差。通过对当时的天气情况进行研究分析，结合天气预报，发现2010年5月25～27日这三天为阴天，且温度适宜，昼夜温差小于十度。合龙时间就安排在了这三天的晚上18：00到第二天早上6:00，并对温度实时监测。2.3.3合龙方式由于合口数量多、焊接量大，共58根合龙构件，截面有□700×450×10×14、□700×450×12×20和□700×450×20×203种，经过测算，一个焊工焊接一根合龙对接焊缝的时间预计10h，为了避免合龙口对接焊缝焊接过程中因温度变化而出现受拉破坏现象，本工程采用的合龙方式为：先将合龙口的卡马焊接固定，再进行合龙口对接主焊缝的焊接，焊接完毕后割除卡马。卡马的大小和数量需根据该部位的受力计算确定。2.4合龙安装1）合龙安装前，一定要对合龙口进行一个长期的监测，确保合龙口两端位移在误差范围内。2）依次将合龙构件吊装就位，合龙口设置临时卡马与主杆件焊接固定。3）合龙段安装时，要尽量控制合龙口的间隙大小，该间隙大小要考虑温度变形计算结果和焊接收缩变形，同时，对合龙口的错边量也要加以严格控制。合龙焊接顺序从中间往南北两端对称进行，使合龙过程保持结构的对称性。4）安装就位后，除了合龙对接口一端预留不焊，其它接口部位均及时焊接完毕，以增强结构的整体稳定性。5）根据安装和合龙过程中卡马的最不利受力情况的计算，卡马设置如图2所示。合龙口上、下翼缘各设置两块卡马，为增加卡马侧向稳定性，两侧板各设置一块卡马，除下翼缘的卡马焊接固定在已装构件牛腿上外，其它卡马均焊接固定在合龙段端口上；卡板规格根据实际情况选定，采用双面角焊缝。图2：合龙口卡马设置6）合龙段安装就位后，非合龙口对接主焊缝及时进行焊接，待焊接完成2/3以上后方可松钩，松钩时注。7）在整个安装过程中，要定期进行合龙口的跟踪检查工作，一是检查卡马的连接焊缝和变形情况，确保卡马的安全；二是检查合龙口的间隙情况。8）结构对接焊口焊接完毕后方可割除卡马。卡马割除时的温度选择夜间接近合龙温度，以避免卡马割除时，结构和卡马内部存在过大的温度应力。卡马割除顺序：先割除上下翼缘板的卡马，再割除腹板上的卡马。卡马割除时，根部需留2mm左右，以防伤母材，切割完毕后，表面采用砂轮机打磨平整，然后再补涂油漆。3．卸载工艺3.1支撑胎架卸载工装为了保证屋面分片单元的安装精度，胎架顶部根据各个安装点的标高设置相应的工装。高空安装单元工装设计如图3所示。 图3屋面单元安装工装X-steel模型图3.2卸载步骤计算分析Ⅰ标段钢结构安装过程总计布置临时支撑胎架250个，数量多，给最终的卸载和拆撑工作带来很大的困难。由于本工程工期紧张，放弃了合龙后整体卸载的方法，而是分区分步逐级卸载。因此需要对卸载流程进行细致的分析，以确保结构及胎架的整体安全。具体卸载步骤及分区如图4所示。图4卸载编号及步骤分区图3.3卸载工艺3.3.1卸载步骤介绍采用气割枪切割支撑短立柱进行卸载，同时按照卸载的顺序，分标段、分区、分步进行。Ⅰ标段整个卸载共计51步，分为合龙前与合龙后卸载，其中合龙前为第1步至第34步，合龙后为第35步至第51步。3.3.2卸载施工工艺3.3.2.1卸载前的准备1）项目内部组织一次卸载区域内构件焊缝大检查，对漏焊的焊缝立即进行补焊；2）对即将卸载的区域内所有焊缝进行探伤，保证合格并通过第三方（第四方抽检）无损探伤检测合格；同时邀请业主和监理进行焊缝验收；3）布置好屋盖和胎架位移监测点，记录各监测点原始数据；4）根据支撑点的理论卸载量，在支撑胎架顶工装的支撑短立柱上做刻度标记（每个刻度10mm），以便控制卸载切割量；3.3.2.2卸载施工1）割除工装顶部水平支撑杆与屋盖构件的焊接点，并平整构件与水平支撑杆的接触面，减少卸载时支撑杆对构件的水平阻力，同时避免卸载过程中水平推力施加在胎架上。2）对于部分钢管短立柱顶着屋盖构件的工装，先割除短立柱与构件的连接，使构件落在水平支撑杆上，再割除短立柱顶部，保证短立柱与构件有足够的空间进行卸载。3）开始卸载前，首先对两根钢管短立柱内侧钢管槽进行切割，切割的竖向高度为理论的下绕值（如图5）。这样使得每个工装只保留两边的外侧钢管槽，减少卸载过程的切割量，利于卸载切割的同步性。图5切割示意图4）切割时，先纵向切割钢管槽，以每10mm高度为一道，接着对钢管槽进行水平切割。水平切割应两侧同时对称进行，且每道切割缝宽度为2mm，使屋盖缓慢自由下降。下降10mm位置后，再进行第二道纵向切割和水平切割，直至理论下绕位置（当前步骤竖向位移）并最终卸载完成。5）对部分水平位移较大的卸载位置处钢管槽进行加宽切割，以释放水平位移，保证卸载顺利。3.3.2.3卸载注意事项1）卸载过程，随时监控结构关键点的位移和变形情况，实时反馈测量数据，并与计算结果进行对照，监测结果及时向有关技术人员报告。如果发现监测的数据和计算的数据有误差或者偏差很大，立即停止卸载，找出原因，问题解决后再继续进行；2）卸载过程中对胎架的变形进行实时监测，发现应力应变异常应立即停止卸载； 3）在整个卸载过程中，胎架作为支撑和保护措施，直到卸载完毕，结构监测结果表明主体结构应力应变监测数据稳定后再拆除。4）每天察看天气预报，预报有四级或以上风力、雨雪、大雾、雷电前停止施工；施工过程中出现雨雪、大雾、雷电或4级以上大风天气时，立即停止施工。5）高处作业必须按规定采取安全防护措施。施工前提前认真检查施工通道及平台安全情况，如有安全隐患及时整改。6）高处作业要重点监督有作业层临边防护，不仅对作业层作业人员要有防护措施，还要注意在高处作业下方的作业人员和人行通道的安全。要避免上下交叉作业，必要时，下方作业采取停工和封挡等防护措施。3.5卸载位移监测结果卸载位移监测点布置如图6所示。图6位移监测点布置图3.4.1II区监测结果1）II-3区卸载时，Z向位移变化最大的点位于BJY3点，为-40.4mm。X向最大位移位于BJY10点，为17.4mm。Y向最大位移位于BJY11点，为20.7mm。2）II-2区卸载时，Z向位移变化最大的点位于BJY5棱点，为-75.4mm；X向最大位移位于BJY4点，为16.4mm。Y向最大位移位于BJY5棱点，为52.1mm。3）II-4区卸载时，Z向位移变化最大的点位于BJY9点，为-47.5mm；X向最大位移位于BJY10点，为67.7mm。Y向最大位移位于BJY11棱点，为60.2mm。4）II-1区卸载时，Z向位移变化最大的点位于BJY7点，为-158.2mm；X向最大位移位于BJY7点，为47.2mm。Y向最大位移位于BJY8棱点，为-47.2mm。3.4.2I区监测结果I区卸载结束时各监测点位移变化基本趋于平稳，关键卸载点位移变化较明显，卸载完毕时，监测点最大位移位于BJY14点，X向位移为3.4mm，Y向位移为22.3mm，Z向位移最大为-66.2mm。该点设计理论值为X向位移变化为18.74mm，Y向位移变化为29.91mm，Z向位移变化为-94.57mm。与该点理论值相比，实测值有一定的误差，卸载误差，卸载环境以及监测时人为误差是不可忽视的因素。3.4.3监测结果分析1）在结构卸载过程中，关键卸载点各测点位移变化明显，相邻区卸载时各监测点位移都有一定的相互影响。2）整个卸载过程，监测构件无异常变化，构件工作状态稳定。卸载过程顺利，监测构件在此过程安全可靠。4．结束语由于本结构体系为空间变曲面弯扭斜交网格结构体系，其构件为箱型且均有不同程度的弯扭；结构跨度长达500米，对温度的敏感性较强，合龙之后卸载才应该是最理想的方法。但是由于本工程的实际情况，必须在合龙之前进行部分区域的卸载，这使得工艺跟方法的确定尤为重要，特别是计算模拟分析，成为保证卸载安全的重中之重。本工程打破了传统的卸载工艺，采用先将合龙构件用卡马焊接固定，再进行合龙口处对接主焊缝的焊接，焊接完毕后割除卡马；切割卸载专用工装达到将结构自重从胎架转移到支座的目的。使“春茧”从设想成为了现实。参考文献[1]北京钢铁设计研究总院.GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.[2]中冶集团建筑研究总院.jgj81-2002建筑钢结构焊接技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.[3]中国有色金属工业协会.GB50026-2007工程测量规范[S].北京：中国计划出版社，2007.[4]冶金工业部建筑研究总院。GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.[5]中国钢结构协会.建筑钢结构施工手册[M].北京：中国计划出版社，2002.