能給建筑安上“翅膀”的鋼結(jié)構(gòu)--內(nèi)蒙古張拉索膜結(jié)構(gòu)
張拉索膜結(jié)構(gòu)工程背景
長(zhǎng)沙黃花綜合保稅區(qū)位于湖南省長(zhǎng)沙市黃花機(jī)場(chǎng)附近。北卡口為其“門(mén)戶”工程，造型似“飛機(jī)”。上部主要采用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式，網(wǎng)殼形狀為雙曲拱形，連接節(jié)點(diǎn)為相貫焊接節(jié)點(diǎn)。上部網(wǎng)殼“兩翼”搭設(shè)在下部?jī)蓚?cè)箱型墩柱上，截面形式為400*16，網(wǎng)殼“中部”設(shè)置為觀光鋼平臺(tái)，觀光鋼平臺(tái)下部設(shè)置旋轉(zhuǎn)鋼樓梯。北卡口高度約14m，鋼網(wǎng)殼主要截面形式為Φ400*20、Φ273*16、Φ159*10、Φ102*7；材質(zhì)均為Q345B。
北卡口造型復(fù)雜并要求一個(gè)月內(nèi)完成主體結(jié)構(gòu)施工，工期壓力大；結(jié)構(gòu)形式為雙曲拱形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)，部分桿件須雙向彎曲，加工難度大；網(wǎng)殼采用相貫線焊接節(jié)點(diǎn)，對(duì)施工要求精度高，現(xiàn)場(chǎng)安裝難度大。
網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)一般采用高空散裝法、分條或分塊安裝法、滑移法、整體吊裝法、整體提升法、整體頂升法、折疊展開(kāi)式整體提升法?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，北卡口網(wǎng)殼只能采用高空散裝法或者分塊吊裝法。
高空散裝法：能夠提供較廣的作業(yè)面、單根桿件精度調(diào)節(jié)方便、起重設(shè)備選用型號(hào)較?。坏切枰钤O(shè)滿堂支撐架、高空對(duì)接焊多、焊接變形難控制、且工期難以保障。
分塊吊裝法：高空作業(yè)較少、地面上焊接變形容易控制、工期可以得到保障；但是拼裝時(shí)精度要求高、起重設(shè)備選型較大、分塊吊裝時(shí)高空定位難度較大。
綜合考慮到工期、成本及精度控制等因素，采用分塊吊裝法進(jìn)行北卡口施工最為合適。整體施工思路為先吊裝兩側(cè)箱型墩柱，然后分塊吊裝上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，之后吊裝中部“觀光平臺(tái)”。
網(wǎng)殼分塊及支撐胎架布置
網(wǎng)殼分塊
根據(jù)北卡口的獨(dú)特形式，現(xiàn)將其上部網(wǎng)殼分為七塊進(jìn)行吊裝。塊與塊之間吊裝完成后立即進(jìn)行之間的補(bǔ)缺桿件吊裝。
支撐胎架布置
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在各塊交接處布置如下圖所示的8個(gè)支撐胎架與兩側(cè)箱型墩柱組成施工支撐體系。經(jīng)計(jì)算，支撐胎架四周立桿為Ф102*8的無(wú)縫鋼管，立桿間聯(lián)系桿件為Ф80*6的無(wú)縫鋼管，上部采用18號(hào)工字鋼制作支撐平臺(tái)。支撐平臺(tái)段也作為支撐胎架標(biāo)高調(diào)節(jié)段。
現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)
材料進(jìn)場(chǎng)
北卡口結(jié)構(gòu)形式獨(dú)特，為雙曲拱形鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)形式為相貫節(jié)點(diǎn)。工廠構(gòu)件加工采用冷彎弧技術(shù)和相貫線切割技術(shù)，構(gòu)件的加工精度直接影響了現(xiàn)場(chǎng)的安裝質(zhì)量。故北卡口構(gòu)件工廠加工階段，項(xiàng)目部安排專(zhuān)人進(jìn)行駐廠，所有構(gòu)件出廠時(shí)均經(jīng)檢驗(yàn)合格。進(jìn)場(chǎng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)按照一定比例進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收。構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收時(shí)重點(diǎn)關(guān)注構(gòu)件的尺寸大小、漆膜厚度、相貫線切割精度、彎曲精度（矢高）。構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)后，按編號(hào)進(jìn)行分類(lèi)碼放，并注意成品保護(hù)。
地面拼裝
地面拼裝是整個(gè)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，質(zhì)量控制最方便的一道關(guān)鍵性工序。本工程采用原位拼裝方法，地面拼裝流程簡(jiǎn)述如下：
（1）測(cè)量放線
根據(jù)圖紙進(jìn)行坐標(biāo)換算得出每個(gè)分塊網(wǎng)殼的水平投影坐標(biāo)，之后利用全站儀放出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的具體位置，要求偏差不小于1mm，并在地面上做好十字形標(biāo)記，最外側(cè)可稍微外放預(yù)留焊接收縮余量。此外，為了避免儀器系統(tǒng)誤差，要求每次放線時(shí)室外氣候和溫度基本相同，且每個(gè)分塊網(wǎng)殼放線作業(yè)必須一次成型，不允許在轉(zhuǎn)換不同測(cè)站后重新放線。
（2）拼裝胎架搭設(shè)
根據(jù)全站儀放出的各個(gè)分塊網(wǎng)殼的水平投影位置，在其上部搭設(shè)各個(gè)分塊網(wǎng)殼的拼裝胎架，拼裝胎架采用20a工字鋼制作成倒T型拼裝胎架。然后根據(jù)坐標(biāo)換算后的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)高，在拼裝胎架上部焊接支撐牛腿，并采用L50*5的角鋼進(jìn)行拼裝胎架加固，防止拼裝胎架傾覆。拼裝胎架支撐牛腿標(biāo)高的控制是決定分塊網(wǎng)殼各桿件相對(duì)位置的關(guān)鍵性因素，在拼裝胎架全部搭設(shè)完成必須進(jìn)行整體復(fù)核驗(yàn)收。
（3）桿件拼裝
根據(jù)深化圖紙和拼裝胎架搭設(shè)的位置，配合線錘進(jìn)行桿件的拼裝，先拼裝主桿件、后拼裝次桿件，節(jié)點(diǎn)的中心偏差不大于2mm。待主桿件拼裝定位完成后，立即用馬板將桿件和拼裝胎架進(jìn)行固定，確保緊固后方可進(jìn)行下一根主桿件拼裝。然后，采用鋼卷尺在主桿件上標(biāo)記出次桿件安裝位置，并配合線錘、水準(zhǔn)儀進(jìn)行平面位置和標(biāo)高調(diào)整；調(diào)整完成之后將次桿件與主桿件進(jìn)行點(diǎn)焊固定。
（4）相貫線焊接
待每個(gè)分塊網(wǎng)殼拼裝完成后，并經(jīng)復(fù)查尺寸、坡口等情況合格后，即可進(jìn)行相貫線焊接工序。焊接順序?yàn)橄群附幼冃屋^大的桿件、后焊接變形較小的桿件，先焊中間再焊兩邊，先焊焊縫小的部位再焊焊縫多的部位，先焊受力大的桿件再焊受力小的桿件，先焊受拉桿件再焊受壓桿件，先焊大管徑桿件再焊小管徑桿件。對(duì)于主桿件對(duì)接焊，采用雙人對(duì)稱焊接。
（5）焊縫檢測(cè)
焊接完成24小時(shí)后，進(jìn)行焊縫超聲波探傷，檢測(cè)焊縫內(nèi)部質(zhì)量。并采用焊縫量規(guī)檢測(cè)相貫線焊縫趾部、根部的焊腳尺寸。正式吊裝前，各個(gè)分塊網(wǎng)殼的焊縫質(zhì)量均檢驗(yàn)合格。
構(gòu)件吊裝
首先，將北卡口兩側(cè)墩柱及之間平臺(tái)鋼梁安裝完成。之后，采用全站儀放出支撐胎架搭設(shè)位置并安放支撐胎架。支撐胎架采用纜風(fēng)繩進(jìn)行固定，標(biāo)高同分塊網(wǎng)殼支撐節(jié)點(diǎn)位置圓管最低點(diǎn)標(biāo)高。
采用220t汽車(chē)吊進(jìn)行各分塊網(wǎng)殼吊裝。正式就位后，采用全站儀進(jìn)行觀測(cè)，采用千斤頂進(jìn)行坐標(biāo)細(xì)微調(diào)整，先平面位置后標(biāo)高。平面位置調(diào)整后，立即在兩側(cè)焊接馬板固定；標(biāo)高調(diào)整后，在下部加設(shè)調(diào)節(jié)鐵塊。各分塊網(wǎng)殼吊裝順序?yàn)椋旱?、2塊→第3塊→第4、5塊→第6、7塊，每個(gè)分塊網(wǎng)殼吊裝完成后立即采用25t汽車(chē)吊進(jìn)行分塊網(wǎng)殼之間桿件的補(bǔ)缺吊裝。各分塊網(wǎng)殼之間定位完成之后，必須待主桿件焊接完成，次桿件打底焊接完成后方可松構(gòu)。
支撐架卸載
正式卸載前，進(jìn)行網(wǎng)殼卸載前標(biāo)高實(shí)測(cè)。
支撐胎架卸載采用分級(jí)同步卸載，采用割刀切割分塊網(wǎng)殼下部調(diào)節(jié)鐵塊，一次性切割量為1-2cm。每個(gè)支撐胎架上調(diào)節(jié)鐵塊切削完成后方可進(jìn)行下一次切削?，F(xiàn)場(chǎng)過(guò)程中出現(xiàn)任何異常情況，必須立即停止卸載，待查明情況后再進(jìn)行卸載。
卸載完成后，立即進(jìn)行網(wǎng)殼成型標(biāo)高復(fù)測(cè)。確定最終下?lián)铣潭取?/div>
仿真模擬
支撐胎架仿真分析
支撐胎架按集中荷載200KN進(jìn)行考慮，模擬后，由應(yīng)力云圖得到支撐胎架加載后最大應(yīng)力為70.85MPa，小于Q235B鋼材屈服強(qiáng)度；最大應(yīng)力比為0.3；最大位移量3.65mm。滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。
網(wǎng)殼卸載仿真分析
網(wǎng)殼正式卸載前采用有限元進(jìn)行仿真分析，模擬支撐胎架卸載工況，計(jì)算出理論下?lián)现?。由?yīng)力云圖可得知，卸載后最大應(yīng)力為108.78MPa，小于Q345B鋼材屈服強(qiáng)度，最大應(yīng)力比為0.32，滿足要求。最大下?lián)衔恢梦挥凇帮w機(jī)兩翼”中部，大小為25mm。
網(wǎng)殼分塊及支撐胎架布置
北卡口工程經(jīng)過(guò)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕M織施工，最終25天內(nèi)完成了主體結(jié)構(gòu)施工作業(yè)，提前了5天完成了業(yè)主的要求；焊縫質(zhì)量控制得當(dāng)，一次性合格率達(dá)到了98%以上；卸載后兩翼中部下?lián)献畲笾禐?3mm，與計(jì)算值25mm基本相同，也滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求；且整個(gè)施工過(guò)程中未發(fā)生任何安全事故。
通過(guò)長(zhǎng)沙黃花綜合保稅區(qū)北卡口雙曲拱形單層鋼管網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工方法的闡述，為類(lèi)似的雙曲拱形單層鋼管網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工提供了一定的經(jīng)驗(yàn)。特別是對(duì)于工期要求十分緊張的雙曲拱形相貫節(jié)點(diǎn)單層鋼管網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工，張拉膜提供了工程實(shí)例依據(jù)。
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