單層網殼屋蓋整體滑移施工關鍵技術*

王慧芳,朱博莉,馬曉暉,侯彥果,杜明山,聞陳寶,伍錦鵬

(1.北京建工土木工程有限公司,北京 100015; 2.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083;3.北京建工集團有限責任公司,北京 100088; 4.清華大學土木工程系,北京 100084)

0 引言

城市交通樞紐綜合體伴隨公共交通引導城市發展,土地和空間資源集約化利用,城市建筑社會化與巨型化等趨勢應運而生,綜合了交通功能與城市生活其他功能。其公共空間系統以交通功能為主體,在綜合體內部及綜合體與所處城市環境間起到組織和協調作用。北京星火站交通樞紐位于北京市朝陽站西側,可實現高鐵、地鐵、公交等多種交通方式集中換乘。北京星火站樞紐區大跨度鋼屋蓋采用單層菱形網殼結構,面外剛度較弱。

大跨度鋼屋蓋施工技術可分為原位吊裝、整體提升、累積滑移及整體滑移技術。目前滑移施工多為雙層網格結構滑移,單層網殼屋蓋滑移還不多見。單層斜交網格結構在整體滑移施工過程中,豎向支承條件發生變化,豎向支承條件與網格設計支承條件完全不同。對于大跨度單層網格結構,屋面整體剛度較弱,整體滑移過程中需有效控制其撓度和應力水平,保證滑移過程中結構應力與變形控制在安全范圍內。

1 工程概況

北京星火站交通樞紐及配套工程是一座集鐵路、軌道交通、公交、出租車、網約車、社會車等多種交通方式于一體的綜合交通樞紐,位于星火站站房西側,總建筑面積約13.6萬m2,如圖1所示。鋼結構主要分布于樞紐結構屋蓋,局部樓層分布勁性結構,整個屋面分為公交區和樞紐區(見圖2)。樞紐區鋼結構包括鋼柱、斜支撐、菱形網柱、單層菱形網格網殼及鋼框架雨棚,板厚最大為100mm,鋼材材質主要為 Q355B,Q345GJC。

圖1 建筑效果Fig.1 Effect of the building

圖2 項目結構效果Fig.2 Effect of the project structures

圖3 樞紐區屋蓋結構Fig.3 Roof structure of hub area

圖4 樞紐區鋼結構分解Fig.4 Decomposition of steel structure in hub area

結合現場情況及相關施工工藝,鋼結構屋蓋采用異地拼裝、整體滑移施工方案。鋼結構屋蓋散件進入施工場地拼裝為吊裝單元,在基坑以南原有硬化地面進行整體拼裝,再將屋蓋整體滑移至設計位置,與下部結構合龍安裝。該施工方案既滿足了結構設計要求,同時下部結構與鋼結構屋蓋同步施工,縮短了工期,節約了成本。

2 菱形網格屋蓋吊裝、拼裝技術

屋蓋采用散件進場、現場小單元拼裝、大單元組裝的方式進行安裝。根據施工方案,網殼在現場拼裝為吊裝單元,進行高空異位拼裝,以3根主梁為1個分塊(見圖5),將鋼屋蓋滑移區劃分為97個拼裝單元,每個拼裝單元約13根桿件。每個吊裝單元間為后補桿件,各分塊按順序進行吊裝。

圖5 菱形網格屋蓋吊裝單元劃分Fig.5 Hoisting unit division of diamond grid roof

菱形網格屋蓋下部支撐體系包括滑移軌道+V形撐、胎架體系和圓管柱。4條滑移軌道中,每條滑移軌道設置多個V形撐;胎架支撐采用75t胎架標準節,頂部設置轉換梁;圓管柱規格為φ325×10,基于變形控制要求,設置324個點位。支撐體系作為臨時支撐保證菱形網格屋蓋進行異位拼裝。

網架安裝順序為從左上至右下依次安裝。起步從左上分塊1開始,按網架主梁方向延伸安裝至最右側邊緣后,進行補檔桿件安裝,以此類推,完成所有桿件安裝,如圖6所示。

圖6 屋蓋拼裝順序Fig.6 Roof assembly sequence

采用MIDAS Gen 2021軟件進行菱形網格屋蓋拼裝模擬。其中,荷載僅考慮結構自重,自重系數取1.283;荷載組合考慮標準組合(1.0恒荷載)和基本組合(1.3恒荷載),約束支撐體系底部平動位移。屋蓋拼裝完成后豎向位移和應力比如圖7所示。由圖7可知,拼裝完成后,屋蓋最大豎向位移為7.41mm

圖7 拼裝完成后屋蓋豎向位移及應力比Fig.7 Vertical displacement and stress ratio of the roof after assembling

網架起吊過程的變形控制及拼裝時的精度控制均為屋架吊裝施工的重難點?？刂凭W架在起吊過程中的應力與撓度的前提是對網架結構合理分塊,而分塊既要考慮網架在自身重力作用下的變形,還要考慮起重機起吊能力。菱形網格屋蓋吊裝時分塊分區如圖5所示,最大拼裝單元重約35.47t。

由于網架在吊裝過程的受力狀態與正常使用狀態不同,因此吊裝方案的選擇及吊點設置是吊裝過程需要關注的重點。在吊裝過程中,網架整體需處在彈性階段,不能發生整體面外失穩和局部桿件失穩,且最好能使吊裝單元兩端轉角為0°,以方便與周圍桿件連接。

鑒于此,采用四點吊裝方案,吊點布置遵循2個原則：①原則1 吊點與網架重心投影面重合;②原則2 鋼絲繩夾角控制在45°～60°。原則1是確保吊裝單元吊裝過程中不發生較大傾斜,原則2是為保證吊索合理的吊裝空間,同時不在屋蓋網架中產生較大面內壓力?；诖嗽瓌t制定菱形網格屋蓋吊裝方案,并進行驗證。

分析中,荷載僅考慮結構自重,自重系數取1.283,同時考慮1.4倍動力系數;荷載組合考慮標準組合(1.0恒荷載)和基本組合(1.3恒荷載),約束吊點3個平動位移、吊裝單元某點平面內平動位移及繞自身軸的轉動。

由計算結果可知,吊裝單元在標準組合荷載作用下,跨中最大豎向變形為9.85-(8.15+9.35)/2=1.10mm<10 000/400=25.0mm,符合規范要求;端部豎向最大相對變形為10.34-9.35=0.99mm<1 500/200=7.50m,符合規范要求。吊裝單元在基本組合荷載作用下,最大應力比為0.12<1,符合規范要求。吊裝過程中吊索最大拉力為172.8kN,遠小于其破斷力1 280kN,符合規范要求。綜上所述,菱形網格屋蓋拼裝單元吊裝方案滿足要求。

為保證拼裝單元吊裝順利進行,給出如下建議：①吊裝過程應緩慢進行,避免出現加速度過大情況;②五級及以上大風條件下禁止吊裝作業;③為防止吊裝過程中發生晃動,在適當位置設置纜風繩,并隨時調整纜風繩角度和長度;④嚴格按施工方案進行吊裝,如果施工條件發生變化,需通知設計院,重新進行驗算。

3 菱形網格屋蓋整體滑移技術

項目采用整體滑移施工方案：在公交區3.600m標高平臺上拼裝網殼結構,設置4條滑移軌道將網殼滑移至樞紐區就位。4條滑移軌道分別設置在⑦,,,軸,布置如圖8所示。

圖8 滑移軌道布置Fig.8 Layout of sliding tracks

施工方案必須保證結構安裝完成后不會出現較大附加應力,因此,需在⑦,軸間網殼結構上設置反變形措施,使其在滑移和下部支撐系統安裝對口時,標高與設計標高存在較小差異。經過比較,在⑦,軸間網殼下部設置12道預應力拉索系統,如圖9所示。

圖9 拉索系統布置Fig.9 Layout of cable system

屋蓋整體滑移施工過程為：第1步,拼裝滑移部分網殼,安裝滑靴及加固桿件、拉索及撐桿,索張拉,網殼荷載轉移至滑靴支座上并進行滑移;第2步,將網殼南北兩側懸挑段進行反頂;第3步,安裝網格柱、斜撐、-0.200標高平臺柱及夾層、雨棚和幕墻柱,安裝非滑移部分網殼;第4步,卸載拉索及撐桿;第5步,卸載軸滑移軌道;第6步,卸載軸滑移軌道;第7步,卸載⑦軸滑移軌道;第8步,卸載軸滑移軌道?；剖┕み^程如圖10所示。

屋蓋整體滑移施工過程模擬中,恒荷載僅考慮鋼結構、屋面系統、管道及吊掛系統、涂料等自重,滑移部分自重≤3 200t?；詈奢d為滑靴摩擦力和油缸頂推力?；ブёQ向固定,水平向(x,y向)設置剛度為0.1kN/mm彈簧;結構鋼柱、鋼骨柱下端固結,上端采用彈簧(剛度參照支座參數);幕墻柱、搖擺柱和斜撐下端和上端均采用鉸接。整體模型約束如圖11所示。

圖11 模型約束示意Fig.11 The model constraints

屋蓋整體滑移施工模擬結果如圖12所示。由圖12a可知,菱形網格屋蓋整體滑移施工過程中,屋蓋最大豎向位移為108.2mm,此時設計容許撓度值為51 600/400=129mm,滿足設計要求;施工過程中,最大豎向位移與跨度比值Uz/L均<1/400。因此,施工過程中,結構剛度滿足設計要求。由圖12b可知,菱形網格屋蓋整體滑移施工過程中,屋蓋網殼最大應力比為0.84<1.0,其中,應力較大桿件不多,大部分桿件應力比<0.5,可見屋蓋網殼在施工過程中處于彈性階段?；剖┕み^程布置的措施結構最大應力比為0.9<1.0,滿足設計要求。因此,施工過程中,屋蓋網殼和措施結構應力比均<1.0,滿足結構強度及穩定性要求。

圖12 整體滑移施工模擬結果Fig.12 Simulation results of integral sliding construction

屋蓋整體滑移施工完成后,結構豎向位移和應力比如圖13所示。由圖13可知,施工完成后,屋蓋網殼結構豎向位移最大值出現于巨柱兩側跨度最大位置,布置支撐的位置豎向變形較小;屋蓋網殼應力比基本<0.5,應力分布均勻,受力合理。

圖13 施工完成后結構豎向位移與應力比Fig.13 Vertical displacement and stress ratio of the roof after construction

由數值模擬結果可知,菱形網格屋蓋異位拼裝、整體滑移施工方案合理可行,縮短了工期。

4 網格巨柱吊裝及施工關鍵技術

星火站交通樞紐中間采用2根巨型網格柱作為主要受力構件,支承屋蓋結構。網格巨柱為雙螺旋扭轉,扭轉曲率較大,同時巨柱桿件采用箱形截面,加工制作、施工安裝難度大(見圖14)。主要難點包括：①為實現雙螺旋造型,桿件截面均為空間彎扭箱形構件,加工困難;②網格巨柱為雙螺旋扭轉,精確定位難,拼裝難度大。為解決施工難題,采用Rhino軟件建模方式進行深化建模,將雙扭構件展開出圖,間隔1m取其剖面用于控制其扭轉姿態,同時提取控制點坐標便于加工復測。加工前編制詳細加工方案,研究最先進、切實有效的加工工藝。最終,確保網格巨柱安裝形態。

圖14 網格巨柱Fig.14 The giant grid column

網格巨柱安裝采用支撐胎架支承、分塊拼裝施工方案。在巨柱傾斜側布置多個支撐胎架,網格巨柱安裝完成后,再對其進行卸載拆除。根據菱形巨柱構件間相互關系,分成8個子結構分片單元和補檔構件,采用80t汽車式起重機依次吊裝每個單元。8個吊裝單元中最重為39.82t,吊裝設備滿足其吊裝需求。拼裝過程如圖15所示。

圖15 網格巨柱拼裝過程Fig.15 Assembly process of giant grid column

網格巨柱吊裝單元采用3吊點方式進行吊裝,吊裝時鋼絲繩夾角控制在45°～60°。為控制吊裝單元空間姿態,下部2根鋼絲繩配置手拉倒鏈用于調整吊裝姿態。

為確保網格巨柱拼裝過程剛度、強度及穩定性滿足設計要求,對其拼裝過程進行數值模擬。拼裝施工模擬中,只考慮自重荷載,自重系數取1.1。根據菱形網格巨柱分片單元吊裝過程分析結果可知,菱形網格巨柱分片單元最大豎向位移16mm,構件最大應力比僅為0.18,滿足規范要求。菱形網格巨柱在安裝過程中,最大相對豎向位移1.9mm,在支撐胎架拆除后,豎向相對位移7.8mm,略超規范值1.3mm,最大水平位移34.8mm,采取增設支撐等加固措施。

5 結語

本文介紹了北京星火站樞紐區鋼結構方案和關鍵施工技術,指出施工過程難點與相應解決措施,主要結論如下。

1)菱形網格屋蓋采用散件進場、異位拼裝施工方案。采用4吊點吊裝方案,并在同一側2個鋼絲繩上配置手拉倒鏈用于調整吊裝姿態,確保吊裝單元空中姿態,實現拼裝單元間的順利對接。由屋蓋網架拼裝過程模擬結果可知,拼裝過程中結構剛度、強度及穩定性滿足設計要求,驗證了拼裝方案的合理性。

2)菱形網格屋蓋采用整體滑移施工方案。單層網殼面剛度弱,通過設置拉索系統控制屋蓋網殼滑移過程中的豎向變形,確保網殼滿足剛度要求。通過屋蓋網殼施工全過程模擬,驗證了屋蓋網殼結構在施工過程中的剛度、強度及穩定性均滿足要求,驗證了既定施工方案的可行性。

3)網格巨柱采用散件進場、分塊吊裝施工方法。采用3吊點吊裝方案,并在其下部2根鋼絲繩配置手拉倒鏈用于調整吊裝姿態,確保吊裝單元空中姿態,實現拼裝單元間順利對接?；谑┕み^程模擬,網格巨柱分塊合理,拼裝順序合理,施工過程中結構豎向位移、桿件應力均滿足設計要求,驗證了施工方案的可行性。