CN101812925B - 一种巨型环状钢结构的施工方法 - Google Patents

Abstract

一种用于巨型环状钢结构的施工方法，是在一个由巨型环状钢结构与一系列施工辅助设备组成的施工环境中按照特定步骤实现的。首先在胎架上拼装巨型环状钢结构，使其处于躺倒的状态；再在结构底部安装两个脚，并将其与地面铰接；然后对巨型环状钢结构进行加强，借助于车轮辐条的工作原理，将有预应力的柔性拉索在结构内部交叉布置，以提高结构的整体刚度；之后借助A字形支承架提供的施工平台，通过穿心式千斤顶张拉起吊索，将整个巨型环状钢结构沿着两个脚的连线旋转起扳，直至达到设计给定位形；最后将巨型环状钢结构的底部杆件补全，补浇混凝土基础，固定巨型环状钢结构；待拆除所有施工辅助措施后，便完成所述巨型环状钢结构的安装。

Description

一种巨型环状钢结构的施工方法

技术领域

本发明涉及巨型环状钢结构的一种安装方法，属于施工技术领域。

背景技术

随着社会的进步以及经济与科学技术的飞速发展，在大型公共建筑结构中采用更加新颖的结构形式已经是大势所趋，具有各种新奇造型的城市雕塑建筑也应运而生。

目前在城市雕塑建筑结构中，有一种巨型环状钢结构雕塑，其设计直径已经超过100米，目前正在规划的沈阳生命之环的直径已经达到180m。考虑到这类结构主要以抵抗风荷载与水平地震作用为主，其巨型环状钢结构多采用立体钢管截面。

对于如此巨大的钢结构环，如何进行结构的现场吊装是施工中的难点。与一般的建筑结构不同，这类结构具有高度高、高宽比极小的特点，如果采用传统的胎架支承法，施工现场需要搭设大体量的胎架以及采用大吨位的起重设备，其胎架的稳定性也会成为一个难以解决的突出问题，需要额外增加胎架的用材量或者施加缆风系统，成本是不可估量的。如果采用分段整体提升，其提升胎架的设计与实施与采用传统的胎架支承法遇到的问题一样，施工成本也是巨大的。

为了实现可行性、经济性和安全性的统一，需要设计一种巧妙合理的施工方案。为此，本发明提出了一种针对巨型环状钢结构的整体旋转起扳施工及控制方法。这种施工与控制方法构思巧妙，不仅其安装过程中的安全可控程度高，而且能够节约施工成本、缩短施工周期。

本发明实施的思路是：首先在胎架上拼装巨型环状钢结构，使其处于躺倒的状态，在结构底部安装两个脚，与地面处理为铰接；然后对巨型环状钢结构进行加强，以增强其在起扳过程中的刚度，减少其变形；之后沿着两个脚的连线将整个环状钢结构旋转起扳，直至达到设计给定位形；最后将巨型环状钢结构的底部杆件补全，并浇注底部混凝土基础，将巨型环状钢结构固定，待拆除所有施工辅助措施后，便完成该结构的安装。

对巨型环状钢结构的旋转起扳借助A字形支承架；将斜拉起吊索连接于巨型环状钢结构上，背索锚固于场地上，A字形支承架连接共同形成一个自适应平衡体系。在A字形架顶部，安装穿心式液压千斤顶，通过千斤顶张拉斜拉起吊索，从而实现巨型环状钢结构的旋转起扳。

对巨型环状钢结构采用什么样的加强方案，也是本发明的一个技术亮点。借鉴我们日常生活中使用的自行车轮子，在加强环状钢结构时采用了柔性拉索而不是采用刚性构件；在环状结构的内侧设置通过圆心的拉索并对拉索施加足够的预应力，然后在圆心位置通过压盘把所有拉索结成一个节点，该节点的作用类似车轴；这样便实现对巨型环状钢结构的预应力加强。

采用本发明提出的这种安装方法，在旋转起扳之前，巨型环状钢结构在地面便拼装形成了一个整体，结构在安装成型时的受力状态与设计中所考虑的状态比较一致；通过加强措施增加结构的刚度，将结构整体旋转起扳，大大降低施工成本，且借助先进的计算机同步控制技术，自动化程度高，是替代传统施工方法的一种更为先进的施工方法。

发明内容

本发明提供一种适用于巨型环状钢结构施工的新方法。

1、一种用于巨型环状钢结构的施工方法，其特征在于，是在一个由巨型环状钢结构与一系列施工辅助设备组成的施工环境中，按照下述步骤实现的：

步骤1：组建该施工方法所需的施工环境：所述施工环境由巨型环状钢结构与一系列施工辅助设备组成，所述施工辅助设备包括：拼装胎架、加强索、钢压盘、A字形支承架、起吊索、背索、穿心式张拉千斤顶、揽风绳，均为通用设备；步骤1具体按步骤1.1～1.4进行：

步骤1.1：拼装所述巨型环状钢结构，具体操作方法如下：首先在施工场地上布置拼装胎架；然后以拼装胎架为支撑点，拼装所述巨型环状钢结构，此过程按照设计给定要求进行；在拼装完成后，在所述巨型环状钢结构的底部安装两个脚；所述巨型环状钢结构仅在两个脚处与基础连接，且两个脚与基础的连接均处理为铰接；两个脚与基础连接的两个铰接支座的连线为轴线AB；

步骤1.2：对所述巨型环状钢结构进行加强，具体按步骤1.2.1～1.2.2进行：

步骤1.2.1：在所述巨型环状钢结构内侧，每隔45°角度布置两道加强索，共布置8道加强索，具体操作方法为：在所述巨型环状钢结构内侧，在与轴线AB垂直方向布置第一加强索和第二加强索，按顺时针方向，在与第一加强索和第二加强索呈45°夹角方向布置第三加强索和第四加强索，在与第一加强索和第二加强索呈90°夹角方向布置第五加强索和第六加强索，在与第一加强索和第二加强索呈135°夹角方向再布置第七加强索和第八加强索；每根加强索的两端均连接于所述巨型环状钢结构的内侧，8道加强索均相交于巨型环状钢结构中心点M；在安装每根加强索时，均通过张拉方法使其产生预张力；

步骤1.2.2：在所述巨型环状钢结构中心点M处，使用钢压盘夹持加强索，即使用9块钢板将第一至第八加强索夹持形成一个节点，具体操作方法为：首先，自下往上，将9块钢板编号为第一钢板、第二钢板、第三钢板、第四钢板、第五钢板、第六钢板、第七钢板、第八钢板、第九钢板；然后，将第八加强索夹于第一钢板与第二钢板之间，将第二加强索夹于第二钢板与第三钢板之间，将第四加强索夹于第三钢板与第四钢板之间，将第六加强索夹于第四钢板与第五钢板之间，将第七加强索夹于第五钢板与第六钢板之间，将第一加强索夹于第六钢板与第七钢板之间，将第三加强索夹于第七钢板与第八钢板之间，将第五加强索夹于第八钢板与第九钢板之间，这样同一方向的两根加强索在巨型环状钢结构中心点M处上下错开；将9块钢板上下对齐，在每块钢板周边上下对应的位置上开螺栓孔，高强螺栓穿过9块钢板，拧紧高强螺栓，将9块钢板与8根加强索连为一体，形成一个节点；

步骤1.3：架设A字形支承架，安装背索、起吊索、穿心式张拉千斤顶，具体按步骤1.3.1～1.3.3所述进行：

步骤1.3.1：在与轴线AB平行相距L距离处架设A字形支承架，A字形支承架与巨型环状钢结构分别位于轴线AB的两侧，其中d/5≤L≤d/2，d为所述巨型环状钢结构的高度；A字形支承架由两个格构柱组成，两个格构柱在顶部连接，柱脚均与基础处理为铰接；两格构柱的轴线形成夹角β，其中20°≤β≤40°；两格构柱的轴线形成一个平面，在安装时调整该平面与竖直面形成夹角γ，并使A字形支承架向轴线AB一侧倾斜，其中γ取为5°；

步骤1.3.2：在A字形支承架远离轴线AB的一侧布设背索，背索的一端与A字形支承架的顶部连接，另一端在工程场地地面上锚固；

步骤1.3.3：布置穿心式张拉千斤顶，并安装起吊索，具体操作方法如下：首先在A字形支承架的顶部布设3个穿心式张拉千斤顶；然后安装3根起吊索，分别为第一起吊索、第二起吊索、第三起吊索，这3根起吊索的一端分别穿过3个穿心式张拉千斤顶，第一起吊索和第二起吊索的另一端连接在所述巨型环状钢结构上，第三起吊索的另一端连接在钢压盘上焊接的耳板上；第一起吊索及第二起吊索在所述巨型环状钢结构上的连接位置分别是第五加强索的两端与所述巨型环状钢结构的连接位置；

步骤1.4：安装揽风绳：在所述巨型环状钢结构上安装第一揽风绳和第二揽风绳，两根揽风绳在所述巨型环状钢结构上的连接位置分别是第五加强索的两端与所述巨型环状钢结构的连接位置，两根揽风绳的另一端均锚固在地面上，锚固点位于轴线AB远离A字形支承架一侧的工程场地上；

步骤2：对巨型环状钢结构实施旋转起扳：在起吊过程，以所述巨型环状钢结构的两个脚与基础连接的两个铰支座的连线中点O与所述巨型环状钢结构中心点M这二者的连线OM与水平面的夹角α为控制参数；

在起吊初始状态，α＝α₁；其中，α₁由所述巨型环状钢结构的拼装位置确定，为设计给定值；

在起吊终止状态，α＝α₂；其中，α₂由所述巨型环状钢结构的目标位置确定，为设计给定值；

控制3个穿心式张拉千斤顶对第一起吊索、第二起吊索、第三起吊索同步进行张拉，使控制参数α从α₁变为α₂；

步骤3：按照设计给定要求补全所述巨型环状钢结构底部缺失的杆件，并补浇底部混凝土基础，将所述巨型环状钢结构固定在混凝土基础之上；最后拆除所有的施工辅助设备，完成所述巨型环状钢结构的施工。

与传统方法相比，本发明提出的这种施工方法具有如下优点：

(1)由于在较低的胎架上整体拼装，巨型环状钢结构的焊接拼装质量有保证；而且在旋转到位后，结构的受力状态与设计时所考虑的也比较一致；

(2)施工过程中，巨型环状钢结构受到加强索的加强，刚度有很大提高，安全性得到保障；

(3)施工过程中，A字形支承架、起吊索、背索以及巨型环状钢结构组成自适应平衡状态，受力明晰，安全性高；

(4)借助计算机同步控制技术，旋转起扳过程自动化程度高，节约成本；

本发明是一种能够替代传统施工方法的适用于巨型环状钢结构的一种更为优越的施工方法。

附图说明

图1为巨型环状钢结构的示意图；

图2为巨型环状钢结构旋转起扳前的状态示意图；

图3为巨型环状钢结构旋转起扳过程的状态示意图；

图4为巨型环状钢结构旋转起扳完成状态示意图；

图5为巨型环状钢结构施工完成状态示意图；

具体实施方式

一种用于巨型环状钢结构的施工方法，其特征在于，是在一个由巨型环状钢结构与一系列施工辅助设备组成的施工环境中，按照特定步骤实现的。所述巨型环状钢结构如图1所示，由巨型环状钢结构1与混凝土基础2两部分组成，其中，所述巨型环状钢结构1的高度d大于100m，且高宽比很小。

如图2所示，用于组建施工环境的施工辅助设备包括：拼装胎架3、加强索5、钢压盘6、A字形支承架7、起吊索8、背索9、穿心式张拉千斤顶10，揽风绳13，均为通用设备；其中，加强索5包括8根加强索，分别为：加强索5-1、加强索5-2、加强索5-3、加强索5-4、加强索5-5、加强索5-6、加强索5-7、加强索5-8；钢压盘6由9块上下对齐放置的钢板6-1～6-9、周边的高强螺栓11与钢压盘耳板12组成。

下面结合附图2～4，具体说明本发明的实施方式：

步骤1：组建该施工方法所需的施工环境：如图2所示，所述施工环境由巨型环状钢结构1与一系列施工辅助设备组成，所述施工辅助设备包括：拼装胎架3、加强索5、钢压盘6、A字形支承架7、起吊索8、背索9、穿心式张拉千斤顶10，均为通用设备；步骤1具体按步骤1.1～1.4进行：

步骤1.1：如图2所示，拼装所述巨型环状钢结构1，具体操作方法如下：如图2所示，首先在施工场地上布置拼装胎架3；然后以拼装胎架3为支撑点，拼装所述巨型环状钢结构1，此过程按照设计给定要求进行；在拼装完成后，在所述巨型环状钢结构1的底部安装两个脚4-1、4-2；所述巨型环状钢结构仅在两个脚4-1、4-2处与基础连接，且两个脚4-1、4-2与基础的连接均处理为铰接；两个脚4-1、4-2与基础连接的两个铰接支座的连线为轴线AB；

步骤1.2：如图2所示，对所述巨型环状钢结构1进行加强，具体按步骤1.2.1～1.2.2进行：

步骤1.2.1：在所述巨型环状钢结构1内侧，每隔45°角度布置两道加强索，共布置8道加强索，具体操作方法为：在所述巨型环状钢结构1内侧，在与轴线AB垂直方向布置两根加强索5-1和5-2，按顺时针方向，在与加强索5-1和5-2呈45°夹角方向布置两根加强索5-3和5-4，在与加强索5-1和5-2呈90°夹角方向布置两根加强索5-5和5-6，在与加强索5-1和5-2呈135°夹角方向再布置两根加强索5-7和5-8；每根加强索的两端均连接于所述巨型环状钢结构的内侧，8道加强索均相交于巨型环状钢结构中心点M；在安装每根加强索时，均通过张拉方法使其产生预张力；

步骤1.2.2：在所述巨型环状钢结构中心点M处，使用钢压盘6夹持加强索5，即使用9块钢板6-1～6-9将8根加强索5-1～5-8夹持形成一个节点，具体操作方法为：首先，自下往上，将9块钢板编号为钢板6-1、钢板6-2、钢板6-3、钢板6-4、钢板6-5、钢板6-6、钢板6-7、钢板6-8、钢板6-9；然后，将加强索5-8夹于钢板6-1与6-2之间，将加强索5-2夹于钢板6-2与6-3之间，将加强索5-4夹于钢板6-3与6-4之间，将加强索5-6夹于钢板6-4与6-5之间，将加强索5-7夹于钢板6-5与6-6之间，将加强索5-1夹于钢板6-6与6-7之间，将加强索5-3夹于钢板6-7与6-8之间，将加强索5-5夹于钢板6-8与6-9之间，这样同一方向的两根加强索在巨型环状钢结构中心点M处上下错开；将9块钢板上下对齐，在每块钢板周边上下对应的位置上开螺栓孔，高强螺栓11穿过9块钢板，拧紧高强螺栓11，将9块钢板与8根加强索连为一体，形成一个节点；

步骤1.3：如图2所示，架设A字形支承架7，安装背索9、起吊索8、穿心式张拉千斤顶10，具体按步骤1.3.1～1.3.3所述进行：

步骤1.3.1：在与轴线AB平行相距L距离处架设A字形支承架7，A字形支承架7与巨型环状钢结构1分别位于轴线AB的两侧，其中d/5≤L≤d/2，d为所述巨型环状钢结构1的高度；A字形支承架7由两个格构柱组成，两个格构柱在顶部连接，柱脚均与基础处理为铰接，两柱脚与基础连接的两个铰支座的连线为轴线CD；两格构柱的轴线形成夹角β，其中20°≤β≤40°；两格构柱的轴线形成一个平面，在安装时调整该平面与竖直面形成夹角γ，并使A字形支承架7向轴线AB一侧倾斜，其中γ取为5°；

步骤1.3.2：在A字形支承架7远离轴线AB的一侧布设背索9，背索9的一端与A字形支承架7的顶部连接，另一端在工程场地地面上锚固；

步骤1.3.3：布置穿心式张拉千斤顶10，并安装起吊索，具体操作方法如下：首先在A字形支承架7的顶部布设3个穿心式张拉千斤顶；然后安装3根起吊索8-1、8-2、8-3，这3根起吊索的一端分别穿过3个穿心式张拉千斤顶，起吊索8-1和8-2的另一端连接在所述巨型环状钢结构上，起吊索8-3的另一端连接在钢压盘6的耳板12上；起吊索8-1及8-2在所述巨型环状钢结构上的连接位置分别是加强索5-5的两端与所述巨型环状钢结构的连接位置；

步骤1.4：安装揽风绳13：在所述巨型环状钢结构上安装两根揽风绳13-1和13-2，揽风绳13-1和13-2在所述巨型环状钢结构上的连接位置分别是加强索5-5的两端与所述巨型环状钢结构的连接位置，揽风绳13-1和13-2的另一端均锚固在地面上，锚固点位于轴线AB远离A字形支承架7一侧的工程场地上；

步骤2：如图3所示，对巨型环状钢结构1实施旋转起扳：在起吊过程，以所述巨型环状钢结构的两个脚4-1和4-2与基础连接的两个铰支座的连线中点O与所述巨型环状钢结构中心点M这二者的连线OM与水平面的夹角α为控制参数；

在起吊初始状态，α＝α₁；其中，α₁由所述巨型环状钢结构的拼装位置确定，为设计给定值；

在起吊终止状态，α＝α₂；其中，α₂由所述巨型环状钢结构的目标位置确定，为设计给定值；

控制3个穿心式张拉千斤顶对起吊索8-1、8-2、8-3同步进行张拉，使控制参数α从α₁变为α₂；

步骤3：如图4所示，按照设计给定要求补全所述巨型环状钢结构1底部缺失的杆件，并补浇底部混凝土基础，将所述巨型环状钢结构固定在混凝土基础之上；最后拆除所有的施工辅助设备。

Claims (1)

1.一种用于巨型环状钢结构的施工方法，其特征在于，是在一个由巨型环状钢结构与一系列施工辅助设备组成的施工环境中，按照下述步骤实现的：

步骤1：组建该施工方法所需的施工环境：所述施工环境由巨型环状钢结构与一系列施工辅助设备组成，所述施工辅助设备包括：拼装胎架、加强索、钢压盘、A字形支承架、起吊索、背索、穿心式张拉千斤顶、揽风绳，均为通用设备；步骤1具体按步骤1.1～1.4进行：

步骤1.1：拼装所述巨型环状钢结构，具体操作方法如下：首先在施工场地上布置拼装胎架；然后以拼装胎架为支撑点，拼装所述巨型环状钢结构，此过程按照设计给定要求进行；在拼装完成后，在所述巨型环状钢结构的底部安装两个脚；所述巨型环状钢结构仅在两个脚处与基础连接，且两个脚与基础的连接均处理为铰接；两个脚与基础连接的两个铰接支座的连线为轴线AB；

步骤1.2：对所述巨型环状钢结构进行加强，具体按步骤1.2.1～1.2.2进行：

步骤1.2.1：在所述巨型环状钢结构内侧，每隔45°角度布置两道加强索，共布置8道加强索，具体操作方法为：在所述巨型环状钢结构内侧，在与轴线AB垂直方向布置第一加强索(5-1)和第二加强索(5-2)，按顺时针方向，在与第一加强索(5-1)和第二加强索(5-2)呈45°夹角方向布置第三加强索(5-3)和第四加强索(5-4)，在与第一加强索(5-1)和第二加强索(5-2)呈90°夹角方向布置第五加强索(5-5)和第六加强索(5-6)，在与第一加强索(5-1)和第二加强索(5-2)呈135°夹角方向再布置第七加强索(5-7)和第八加强索(5-8)；每根加强索的两端均连接于所述巨型环状钢结构的内侧，8道加强索均相交于巨型环状钢结构中心点M；在安装每根加强索时，均通过张拉方法使其产生预张力；

步骤1.2.2：在所述巨型环状钢结构中心点M处，使用钢压盘夹持加强索，即使用9块钢板将第一至第八加强索夹持形成一个节点，具体操作方法为：首先，自下往上，将9块钢板编号为第一钢板(6-1)、第二钢板(6-2)、第三钢板(6-3)、第四钢板(6-4)、第五钢板(6-5)、第六钢板(6-6)、第七钢板(6-7)、第八钢板(6-8)、第九钢板(6-9)；然后，将第八加强索(5-8)夹于第一钢板(6-1)与第二钢板(6-2)之间，将第二加强索(5-2)夹于第二钢板(6-2)与第三钢板(6-3)之间，将第四加强索(5-4)夹于第三钢板(6-3)与第四钢板(6-4)之间，将第六加强索(5-6)夹于第四钢板(6-4)与第五钢板(6-5)之间，将第七加强索(5-7)夹于第五钢板(6-5)与第六钢板(6-6)之间，将第一加强索(5-1)夹于第六钢板(6-6)与第七钢板(6-7)之间，将第三加强索(5-3)夹于第七钢板(6-7)与第八钢板(6-8)之间，将第五加强索(5-5)夹于第八钢板(6-8)与第九钢板(6-9)之间，这样同一方向的两根加强索在巨型环状钢结构中心点M处上下错开；将9块钢板上下对齐，在每块钢板周边上下对应的位置上开螺栓孔，高强螺栓穿过9块钢板，拧紧高强螺栓，将9块钢板与8根加强索连为一体，形成一个节点；

步骤1.3：架设A字形支承架，安装背索、起吊索、穿心式张拉千斤顶，具体按步骤1.3.1～1.3.3所述进行：

步骤1.3.1：在与轴线AB平行相距L距离处架设A字形支承架，A字形支承架与巨型环状钢结构分别位于轴线AB的两侧，其中d/5≤L≤d/2，d为所述巨型环状钢结构的高度；A字形支承架由两个格构柱组成，两个格构柱在顶部连接，柱脚均与基础处理为铰接；两格构柱的轴线形成夹角β，其中20°≤β≤40°；两格构柱的轴线形成一个平面，在安装时调整该平面与竖直面形成夹角γ，并使A字形支承架向轴线AB一侧倾斜，其中γ取为5°；

步骤1.3.2：在A字形支承架远离轴线AB的一侧布设背索，背索的一端与A字形支承架的顶部连接，另一端在工程场地地面上锚固；

步骤1.3.3：布置穿心式张拉千斤顶，并安装起吊索，具体操作方法如下：首先在A字形支承架的顶部布设3个穿心式张拉千斤顶；然后安装3根起吊索，分别为第一起吊索(8-1)、第二起吊索(8-2)、第三起吊索(8-3)，这3根起吊索的一端分别穿过3个穿心式张拉千斤顶，第一起吊索(8-1)和第二起吊索(8-2)的另一端连接在所述巨型环状钢结构上，第三起吊索(8-3)的另一端连接在钢压盘上焊接的耳板上；第一起吊索(8-1)及第二起吊索(8-2)在所述巨型环状钢结构上的连接位置分别是第五加强索(5-5)的两端与所述巨型环状钢结构的连接位置；

步骤1.4：安装揽风绳：在所述巨型环状钢结构上安装第一揽风绳(13-1)和第二揽风绳(13-2)，两根揽风绳在所述巨型环状钢结构上的连接位置分别是第五加强索(5-5)的两端与所述巨型环状钢结构的连接位置，两根揽风绳的另一端均锚固在地面上，锚固点位于轴线AB远离A字形支承架一侧的工程场地上；

步骤2：对巨型环状钢结构实施旋转起扳：在起吊过程，以所述巨型环状钢结构的两个脚与基础连接的两个铰支座的连线中点O与所述巨型环状钢结构中心点M这二者的连线OM与水平面的夹角α为控制参数；

在起吊初始状态，α＝α₁；其中，α₁由所述巨型环状钢结构的拼装位置确定，为设计给定值；

在起吊终止状态，α＝α₂；其中，α₂由所述巨型环状钢结构的目标位置确定，为设计给定值；

控制3个穿心式张拉千斤顶对第一起吊索(8-1)、第二起吊索(8-2)、第三起吊索(8-3)同步进行张拉，使控制参数α从α₁变为α₂；

步骤3：按照设计给定要求补全所述巨型环状钢结构底部缺失的杆件，并补浇底部混凝土基础，将所述巨型环状钢结构固定在混凝土基础之上；最后拆除所有的施工辅助设备，完成所述巨型环状钢结构的施工。

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