CN104652831A - 大跨度单层网壳钢结构的施工方法 - Google Patents

大跨度单层网壳钢结构的施工方法 Download PDF

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曹景全
严峰
高群山
刘德彬
李根喜
潘栋
严杰
胡可明
史丽娟
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Abstract

本发明提供了一种适用于大跨度单层网壳钢结构的施工方法。所述施工方法在施工时将所述单层网壳钢结构从顶部到底部依次分为提升区、嵌补区以及散拼区三个区域进行,其中提升区杆件的安装是在低于设计高度的提升区胎架群上进行,安装完毕后再进行整体提升,由此保证了安装精度和质量,并提高了施工安全性。所述施工方法避免了采用传统胎架支撑法时所面临的需要搭设大体量的胎架、需采用大吨位的起重设备,以及胎架稳定性难以保证的问题,是一种安全可靠且成本较低的施工方法。

Description

大跨度单层网壳钢结构的施工方法
技术领域
本发明涉及一种建筑物施工方法,特别涉及一种大跨度单层网壳钢结构的施工方法。
背景技术
随着社会的进步以及经济和科学技术的发展,人民的生活追求和感官要求越来越高,一些更加新颖的建筑形式应运而生。近年来,一类具有贝壳形曲面外观的大跨度单层网壳钢结构逐渐成为诸多新颖建筑造型中的一个代表。
以京津城际于家堡站的站房屋盖结构为例,该屋盖整体为贝壳形单层网壳钢结构,最大跨度达143m,高为25.8m,内部无任何竖向支撑。对于如此巨大的单层网壳钢结构体系,如何进行现场安装是施工中的难点。与一般的建筑结构不同,这类结构具有高度高、跨度大、结构缺陷敏感度高等特点,如果全部采用传统的胎架支撑法,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,而且胎架的稳定性也会成为一个难以解决的突出问题,通常需要额外增加胎架的用材量,为了保证中间高的范围临时加固措施的安全可靠,施工成本会不可避免地大幅增加,且由于受结构形式的限制,没有办法实现整体提升。因此,亟需提出一种安全可靠且成本较低的施工方法,以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大跨度单层网壳钢结构的施工方法,以替代传统施工方法,解决传统施工方法在进行大跨度单层网壳钢结构施工中所面临的安全性和稳定性难以保障及施工成本过高的问题。
本发明的技术方案如下:
一种大跨度单层网壳钢结构的施工方法,施工时按照结构设计,将所述单层网壳钢结构从顶部到底部依次分为提升区、嵌补区以及散拼区三个区域进行施工,具体步骤如下:
(1)提升区胎架群的搭设和杆件的安装:根据提升区的设计位置,在其地面的垂直投影位置搭设竖向支撑胎架和水平桁架,构成提升区的整体胎架群;之后在所述提升区胎架群上完成提升区上杆件的焊接拼装,所述提升区的整体胎架群高度低于提升区的设计高度。
(2)提升架的搭设:根据提升区的设计位置及高度搭设提升架。
(3)散拼区胎架群的搭设和杆件的安装:根据散拼区的设计位置及高度搭设竖向支撑胎架和水平桁架,构成散拼区的整体胎架群;之后在所述散拼区的整体胎架群上由下往上逐级完成散拼区上杆件的焊接拼装。
(4)提升区杆件的整体提升:通过所述提升架将已焊接拼装成整体的提升区杆件提升至设计高度。
(5)嵌补合拢:进行嵌补区上杆件的焊接拼装,由此完成提升区和散拼区上杆件的嵌补合拢。
(6)胎架卸载:将所述提升架和散拼区的整体胎架群逐级卸载,完成所述单层网壳钢结构的施工。
由于所述步骤(1)、(2)及(3)分别涉及不同区域或位置的施工,施工过程互不影响,所以上述3个步骤可根据具体情况变换顺序,亦可同时进行。
为了保证所述提升架的整体刚度和稳定,所述提升架搭设为两部分:位于提升区顶部中央的矩形架和环绕提升区边缘环形架。其中,所述矩形架由4个提升胎架构成,4个提升胎架分别构成矩形架的一个角,相邻的提升胎架顶部通过水平桁架相连接,所述矩形架中每个提升胎架比其所对应的提升点的设计高度至少高1m。所述矩形架可以进一步保证提升时所述提升架中央最大受力部位的整体刚度和稳定性。所述环形架由若干个环绕提升区的提升胎架构成,提升胎架的数量根据提升杆件的重量、液压油泵的提升力以及均匀对称布置原则确定,相邻的提升胎架顶部通过水平桁架相连接,由此在提升区边缘形成一个封闭的环。所述环形架中每个提升胎架比其所对应的提升点的设计高度至少高1m。
为了保证所述散拼区的整体胎架群的稳定性,所述散拼区的整体胎架群包括由外向内的外环形胎架群、中环形胎架群和内环形胎架群;所述外环形胎架群、中环形胎架群和内环形胎架群的整体高度依次升高,均包括由间隔设置的多个竖向支撑胎架所围成的环形主体结构;所述中环形胎架群和内环形胎架群还包括位于所述中环形胎架群和内环形胎架群的环形主体结构之间的若干竖向支撑胎架;所述中环形胎架群中相邻的竖向支撑胎架间通过水平桁架相连接;所述内环形胎架群中相邻的竖向支撑胎架间通过水平桁架相连接。所述外环形胎架群、中环形胎架群和内环形胎架群分别对应散拼区上的3个环形的杆件安装区域:外环形安装区、中环形安装区以及内环形安装区,从散拼区底部至顶部,外环形安装区、中环形安装区以及内环形安装区的高度依次升高,位置由散拼区的外围逐渐延伸至顶部中央。由于外环形胎架群的高度最低,所以在仅依靠单独的竖向支撑就能够满足稳定性要求的杆件安装区域,其内部的竖向支撑胎架间无需搭设水平桁架,仅将外环形胎架群中处于受力较大、对支撑稳定性要求较高的杆件安装区域的部分竖向支撑胎架通过水平桁架相连接,并进一步将已通过水平桁架相互连接的竖向支撑胎架与中环形胎架群中邻近的竖向支撑胎架通过水平桁架相连接,由此在外、中环形胎架群之间形成小环形胎架群,以增强局部区域的支撑稳定性。中环形胎架群和内环形胎架群各包括一圈通过水平桁架连接的竖向支撑胎架;此外,中环形胎架群和内环形胎架群间增设的若干个竖向支撑胎通过水平桁架与中环形胎架群或内环形胎架群中邻近的竖向支撑胎架连接,构成中环形胎架群或内环形胎架群的一部分,进一步增强了相应杆件安装区域的支撑稳定性。
在进行散拼区杆件的安装过程中,可以在散拼区立面上预留若干温度缝,在散拼区杆件的焊接拼装过程中,所述温度缝的焊接合拢最后进行。其作用在于更好地弥补杆件安装过程中由于温度应力和焊接应力而导致的结构变形。
所述嵌补区杆件的焊接拼装可在一定的合拢温度下进行。所述合拢温度为施工地点所处地区的年最低气温和最高气温的平均值,上下浮动≤5℃。在所述合拢温度下进行焊接合拢,可以最大程度地减小单层网壳钢结构因气温变化而导致的内部应力变化,从而维持稳定的结构。
所述提升区、嵌补区以及散拼区上的杆件为矩形截面的箱型梁,杆件之间为刚接。为了进一步增强所述单层网壳钢结构的稳定性,从提升区顶部至散拼区底部,杆件的截面逐渐增大。
所述提升区的顶部中央还设有顶环梁,所述顶环梁呈环形,由矩形截面的箱型环梁焊接拼装而成;所述散拼区的最底部由底环梁所围绕,所述底环梁由1/4圆截面的箱型梁焊接拼装而成。所述顶环梁和底环梁分别从顶部和底部对所述单层网壳钢结构进行约束,以加固整个单层网壳钢结构并将其荷载有效传递至地下。
所述逐级卸载的方式为:按照由内向外的位置顺序依次载提升区顶部中央的矩形架、提升区边缘的环形架、散拼区整体胎架群中的内环形胎架群、中环形胎架群以及外环形胎架群。上述逐级卸载方式能够显著降低卸载过程中单层网壳钢结构的形变,确保单层网壳钢结构的稳定和施工安全。
本发明提供的施工方法适用于高度较高、跨度较大以及结构缺陷敏感度高的单层网壳钢结构的安装。所述施工方法在施工时将所述单层网壳钢结构从顶部到底部依次分为提升区、嵌补区以及散拼区三个区域进行,其中提升区杆件的安装是在低于设计高度的提升区胎架群上进行,安装完毕后再进行整体提升,由此保证了安装精度和质量,并提高了施工安全性。所述施工方法避免了采用传统胎架支撑法时所面临的需要搭设大体量的胎架、需采用大吨位的起重设备,以及胎架稳定性难以保证的问题,是一种安全可靠且成本较低的施工方法。
附图说明
图1本发明技术方案中单层网壳钢结构上不同施工区域的侧视图。
图2本发明技术方案中单层网壳钢结构上不同施工区域的俯视图。
图3本发明技术方案中提升架的结构示意图。
图4本发明技术方案中散拼区整体胎架群的结构俯视图。
图5散拼区整体胎架群中外环形胎架群及小环形胎架群的结构示意图。
图6外环形安装区在散拼区中的位置示意图。
图7散拼区整体胎架群中中环形胎架群的结构示意图。
图8中环形安装区在散拼区中的位置示意图。
图9散拼区整体胎架群中内环形胎架群的结构示意图。
图10内环形安装区在散拼区中的位置示意图。
图11散拼区立面上预留的4个温度缝的位置示意图。
图12本发明技术方案所采用的方架和固定基座的结构示意图。
图13本发明技术方案所采用的方架和固定基座结构示意图的侧视图。
具体实施方式
以本发明所述的施工方法完成了京津城际于家堡站的站房屋盖的施工。以下进行具体说明。
所述屋盖的设计外形为单层网壳钢结构,具有由36根顺时针和36根逆时针的空间螺旋形箱型截面杆件交叉编织而成的贝壳形双曲面,其平面设计尺寸为143m×80m,设计失高为25.8m,内部无任何竖向支撑。屋盖下方为负一层候车大厅和负二层轨行区,候车大厅和轨行区层高均为10米。
施工时将所述单层网壳钢结构从顶部到底部依次分为如图1、2所示的提升区1、嵌补区3以及散拼区2三个区域进行施工,具体步骤如下:
(1)提升区1胎架群的搭设和杆件的安装:根据提升区1的设计位置,在其地面的垂直投影位置搭设竖向支撑胎架和水平桁架,构成提升区1的整体胎架群;之后在所述提升区1的整体胎架群上完成提升区1上杆件的焊接拼装。所述提升区1的整体胎架群高度低于提升区1的设计高度。
(2)提升架的搭设:根据提升区1的设计位置及高度搭设提升架。
(3)散拼区2胎架群的搭设和杆件的安装:根据散拼区2的设计位置及高度搭设竖向支撑胎架和水平桁架,构成散拼区2的整体胎架群;之后在散拼区2的整体胎架群上由下往上逐级完成散拼区2上杆件的焊接拼装。
(4)提升区1杆件的整体提升:采用液压同步提升技术,通过所述提升架将已焊接拼装成整体的提升区1的杆件提升至设计高度。
(5)嵌补合拢:进行嵌补区3上杆件的焊接拼装,由此完成提升区1和散拼区2上杆件的嵌补合拢。
(6)胎架卸载:将所述提升架和散拼区2的整体胎架群逐级卸载,完成所述单层网壳钢结构的施工。
由于所述步骤(1)、(2)及(3)分别涉及不同区域或位置的施工,施工过程互不影响,所以上述3个步骤可根据具体情况变换顺序,亦可同时进行。
所述散拼区2的高度为18.1m,投影面积为7800m2;散拼区2之上的嵌补区3的高度跨度为2.1m,投影面积为800m2;最上部的提升区1的高度跨度为5.6m,投影面积为2500m2。由于所述单层网壳钢结构下方为候车大厅,所以提升区1的整体胎架群搭建在候车大厅底板上。提升区1的整体胎架群由44个竖向支撑胎架构成,竖向支撑胎架间连接有水平桁架,提升区1的整体胎架群最低点的高度低于地面6.8m,最高点的高度为6.5m。由于所述提升区1的整体胎架群高度远低于提升区1的设计高度,所以提升区1的杆件安装得以在较低的高度进行,安装完毕后再进行整体提升,由此保证了安装精度和质量,并提高了施工安全性。上述施工方法在施工时将所述单层网壳钢结构分为提升区1、嵌补区3以及散拼区2三个区域进行施工,避免了采用传统胎架支撑法时所面临的需搭设大体量的胎架、需采用大吨位的起重设备、胎架稳定性难以保证、安全性差以及成本高等一系列突出问题。
为了保证所述提升架的整体刚度和稳定,所述提升架搭设为如图3所示的两部分:位于提升区1顶部中央的矩形架6和环绕提升区边缘环形架7。其中,所述矩形架6由4个提升胎架构成,4个提升胎架分别构成矩形架6的一个角,每个提升胎架比其所对应的提升点的设计高度高1m,相邻的提升胎架顶部通过水平桁架相连接。所述矩形架6的长为20.1m,宽为7.4m。所述矩形架6可以进一步保证提升时所述提升架中央最大受力部位的整体刚度和稳定性。所述环形架7由17个环绕提升区1的提升胎架构成,提升胎架的数量根据提升杆件的重量、液压油泵的提升力以及均匀对称布置原则确定。相邻的提升胎架顶部通过水平桁架相连接,由此在提升区1边缘形成一个封闭的环。所述环形架7中每个提升胎架比其所对应的提升点的设计高度高1m。
为了保证所述散拼区2的整体胎架群的稳定性,所述散拼区2的整体胎架群由外向内包括如图4所示的外环形胎架群21、中环形胎架群22以及内环形胎架群23。所述外环形胎架群21、中环形胎架群22和内环形胎架群23的整体高度依次升高,均包括由间隔设置的多个竖向支撑胎架所围成的环形主体结构。由图4和图5可以看出,外环形胎架群21为由20个间隔设置的竖向支撑胎架围成的环形结构,其中竖向支撑胎架的高度为3~6m。由图4和图7可以看出,中环形胎架群22由22个竖向支撑胎架构成,包括构成环形主体结构的20个间隔设置的竖向支撑胎架以及位于中环形胎架群22和内环形胎架群23的环形主体结构之间的2个竖向支撑胎架,所述中环形胎架群22中相邻的竖向支撑胎架间通过水平桁架相连接;中环形胎架群22中竖向支撑胎架的高度为8~12m。由图4和图9可以看出,内环形胎架群23由43个竖向支撑胎架构成,包括构成环形主体结构的31个竖向支撑胎架以及位于中环形胎架群22和内环形胎架群23的环形主体结构之间的12个竖向支撑胎架,所述内环形胎架群23中相邻的竖向支撑胎架间通过水平桁架相连接;内环形胎架群23中竖向支撑胎架的高度为14~18m。
如图6、8、10所示,外、中、内环形胎架群21、22、23分别对应散拼区2上3个环形的杆件安装区域:外环形安装区25、中环形安装区26以及内环形安装区27,从散拼区2的底部至顶部,外环形安装区25、中环形安装区26以及内环形安装区27的高度依次升高,位置由散拼区2的外围逐渐延伸至顶部中央。按照垂直投影面积,外环形安装区25、中环形安装区26以及内环形安装区27面积分别为:2800m2、2600m2和2400m2。由于外环形胎架群21的高度最低,所以在仅依靠单独的竖向支撑就能够满足稳定性要求的杆件安装区域,其内部的竖向支撑胎架间无需搭设水平桁架。所述外环形胎架群21中的3个竖向支撑胎架通过水平桁架连接,其两端的两个竖向支撑胎架进一步通过水平桁架与中环形胎架群22中邻近的2个竖向支撑胎架相连接,由此在外环形胎架群21和中环形胎架群22之间形成包含5个竖向支撑胎架的小环形胎架群24,以增强局部区域的支撑稳定性。小环形胎架群24对应于散拼区上坡度最缓、杆件截面最大的安装区域,该区域对支撑稳定性要求较高。
散拼区2上杆件通过履带式起重机吊至散拼区的整体胎架群上进行对称安装。如图11所示,在散拼区的杆件安装过程中,在散拼区2立面上预留有4个温度缝8,在散拼区2上杆件的焊接拼装过程中,所述温度缝8的焊接合拢最后进行。其作用在于更好地弥补杆件安装过程中由于温度应力和焊接应力而导致的结构变形。
所述嵌补区3上杆件的焊接拼装在14±5℃下进行,14℃为施工地点所处地区的年最低气温和最高气温的平均值,在所述合拢温度范围进行焊接合拢,可以最大程度地减小单层网壳钢结构因气温变化而导致的内部应力变化,从而维持稳定的结构。
所述提升区1、嵌补区3以及散拼区2上的杆件为矩形截面的箱型梁,杆件之间为刚接。为了进一步增强所述单层网壳钢结构的稳定性,从提升区1顶部至散拼区2底部,杆件的截面逐渐增大。其中提升区1顶部最小截面为400mm(宽)×600mm(高),板厚20mm;散拼区2底部最大截面为700mm(宽)×900mm(高),板厚30mm。
如图1、2所示,所述提升区1的顶部中央还设有顶环梁4,所述顶环梁4呈环形,投影面积为350m2,由矩形截面为500mm(宽)×700mm(高),板20mm的箱型环梁焊接拼装而成;所述散拼区2的最底部由底环梁5围绕,所述底环梁5由1/4圆截面为的箱型梁焊接拼装而成,其规格为1000mm×1100mm(直角边),厚度分别为30mm和34mm,弧形边厚度为30mm。所述顶环梁4和底环梁5分别从顶部和底部对所述单层网壳钢结构进行约束,以加固整个单层网壳钢结构并将其荷载有效传递至地下。
所述逐级卸载的方式为:按照由内向外的位置顺序依次载提升区1顶部中央的矩形架6、提升区1边缘的环形架7、散拼区2的整体胎架群中的内环形胎架群23、中环形胎架群22以及外环形胎架群21。上述逐级卸载方式能够显著降低卸载过程中单层网壳钢结构的形变,确保单层网壳钢结构的稳定和施工安全。
为了更好地控制卸载过程中单层网壳钢结构的形变,逐级卸载量为8~10mm,并在卸载前采用通用有限元分析设计软件MIDAS GEN 8.0根据所述逐级卸载的方式建模分析,以检测所述逐级卸载的过程中结构和应力变化是否满足要求,同时在所述逐级卸载的过程中对胎架及杆件应力应变进行全程监测。
如图12、13所示,所述竖向支撑胎架、提升胎架以及水平桁架均采用截面为1500×1500mm的方架9。为了使竖向支撑胎架及提升胎架整体均匀受力,每个竖向支撑胎架和提升胎架底部均设置固定基座10,所述固定基座10是由工字钢焊接成的“田”字形框体,其规格为1500mm(长)×1500mm(宽)×300mm(高)。

Claims (9)

1.一种大跨度单层网壳钢结构的施工方法,其特征在于:将所述单层网壳钢结构从顶部到底部依次分为提升区(1)、嵌补区(3)以及散拼区(2)三个区域进行施工;其施工步骤包括前3个可按任意顺序进行或同时进行的施工步骤:
1)根据提升区(1)的设计位置,在其地面的垂直投影位置搭设竖向支撑胎架和水平桁架,构成提升区(1)的整体胎架群;之后在所述提升区(1)的整体胎架群上完成提升区(1)上杆件的焊接拼装,所述提升区(1)的整体胎架群高度低于提升区(1)的设计高度;
2)根据提升区(1)的设计位置及高度搭设提升架;
3)根据散拼区(2)的设计位置及高度搭设竖向支撑胎架和水平桁架,构成散拼区(2)的整体胎架群;之后在所述散拼区(2)的整体胎架群上由下往上逐级完成散拼区(2)上杆件的焊接拼装;
以及之后的如下施工步骤:
4)通过所述提升架将已焊接拼装成整体的提升区(1)杆件提升至设计高度;
5)进行嵌补区(3)上杆件的焊接拼装,完成提升区(1)和散拼区(2)上杆件的嵌补合拢;
6)将所述提升架和散拼区(2)的整体胎架群逐级卸载,完成所述单层网壳钢结构的施工。
2.根据权利要求1所述的施工方法,其特征在于:所述提升架包括位于所述提升区(1)顶部中央的矩形架(6)和环绕提升区边缘的环形架(7);所述矩形架(6)由4个提升胎架构成,4个提升胎架分别构成矩形架(6)的一个角,相邻的提升胎架顶部通过水平桁架相连接;所述环形架(7)由若干个环绕提升区(1)的提升胎架构成,相邻的提升胎架顶部通过水平桁架相连接。
3.根据权利要求1所述的施工方法,其特征在于:所述散拼区(2)的整体胎架群包括由外向内的外环形胎架群(21)、中环形胎架群(22)和内环形胎架群(23);所述外环形胎架群(21)、中环形胎架群(22)和内环形胎架群(23)的整体高度依次升高,均包括由间隔设置的多个竖向支撑胎架所围成的环形主体结构;所述中环形胎架群(22)和内环形胎架群(23)还包括位于所述中环形胎架群(22)和内环形胎架群(23)的环形主体结构之间的若干竖向支撑胎架;所述中环形胎架群(22)中相邻的竖向支撑胎架间通过水平桁架相连接;所述内环形胎架群(23)中相邻的竖向支撑胎架间通过水平桁架相连接。
4.根据权利要求3所述的施工方法,其特征在于:所述外环形胎架群(21)中的部分竖向支撑胎架通过水平桁架相连接,并与中环形胎架群(22)中邻近的竖向支撑胎架通过水平桁架相连接,形成小环形胎架群(24)。
5.根据权利要求1所述的施工方法,其特征在于:所述散拼区(2)上杆件的焊接拼装还包括最后进行的对所述散拼区(2)立面上预留的若干温度缝(8)的焊接合拢。
6.根据权利要求1所述的施工方法,其特征在于:所述嵌补区(3)上杆件的焊接拼装在合拢温度下进行,所述合拢温度为施工地点所处地区的年最低气温和最高气温的平均值,上下浮动≤5℃。
7.根据权利要求1所述的施工方法,其特征在于:所述提升区(1)、嵌补区(3)以及散拼区(2)上的杆件是截面为矩形的箱型梁,从提升区(1)顶部至散拼区(2)底部,所述杆件的截面逐渐增大。
8.根据权利要求1所述的施工方法,其特征在于:所述提升区(1)的顶部中央设有顶环梁(4),所述顶环梁(4)由截面为矩形的箱型环梁焊接拼装而成;所述散拼区(2)的最底部由底环梁(5)围绕,所述底环梁(5)由截面为1/4圆的箱型梁焊接拼装而成。
9.根据权利要求3所述的施工方法,其特征在于:所述逐级卸载的方式为:按照由内向外的位置顺序依次卸载提升区(1)顶部中央的矩形架(6)、提升区边缘的环形架(7)、内环形胎架群(23)、中环形胎架群(22)以及外环形胎架群(21)。
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