CN117090307A - 一种大跨度曲面幕墙密柱悬挑结构体系及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及结构工程技术领域，具体涉及一种大跨度曲面幕墙密柱悬挑结构体系及其安装方法。曲面幕墙悬挑结构体系包括箱型密柱，所述箱型密柱依次连接安装有弧形钢梁、屋盖钢结构以及悬挑钢平台，基于该结构体系的安装方法，提高了弧形箱型钢梁分段安装精度，同时解决了该结构体系中弧形箱型钢梁的L型幕墙柱节点相互贯通与安装精度控制难题。

Description

一种大跨度曲面幕墙密柱悬挑结构体系及其安装方法

技术领域

本发明涉及结构工程技术领域，具体涉及一种大跨度曲面幕墙密柱悬挑结构体系及其安装方法。

背景技术

随着经济生活的不断发展，人们对于幕墙建筑钢结构要求越来越高，幕墙形状以及结构体系越来越复杂，不仅对结构体系、构件设计以及连接节点的承载力和建筑外观，而且对建造安装精度和施工完结构受力性能上提出了更高要求。幕墙的支撑钢结构形式多样、千变万化，从受力机理上来区分，可以分为刚架结构、桁架结构及预应力索杆结构三种，在大跨度曲面幕墙的支撑钢结构应用上，其支撑钢结构往往需要较大的整体刚度，来抵抗水平荷载和竖向荷载，同时，其结构体系宜轻盈、形式千变万化、通透性强、艺术表现力强。

曲面幕墙支撑悬挑结构体系外形优美，采用整体刚度大、抵抗变形能力强的刚架结构体系，曲面幕墙立面布置箱形密柱结构，箱柱下端与地面结构层可靠刚性连接，在18.28米和22米标高布置弧形箱型钢梁与建筑主体结构刚性连接。在18.28米标高布置悬挑2.5米混凝土楼层钢平台，在22米～24米标高布置悬挑不小于12米屋盖钢结构，造成曲面幕墙支撑悬挑结构体系受力复杂，18.28米弧形箱梁节点构造设计难度非常大。

在申请号为CN 217150807 U的专利中，公开一种曲面幕墙支撑结构，包括：至少一主体；多个预埋连接组件，预埋连接组件间隔安装在主体上；幕墙支撑骨架，安装在预埋连接组件上；幕墙面板，幕墙面板安装在幕墙支撑骨架上，且幕墙面板沿着预埋连接组件的分布方向延伸。该方案解决了现有技术中幕墙装配单一的技术问题，同时能提高幕墙整体稳定性。但该现有专利的曲面幕墙结构没有得到改进，其安装完成后的结构受力状态不一致，且支撑结构的安装精度无法得到有效控制。

发明内容

本发明基于上述背景技术中存在的不足，针对现有曲面幕墙的结构力学性能不稳定，且曲面幕墙的安装精度无法得到有效控制的问题，目的是提供一种大跨度曲面幕墙密柱悬挑结构体系及其安装方法，使曲面幕墙结构的受力状态一致，且有效控制其安装精度。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种大跨度曲面幕墙密柱悬挑结构体系，包括箱型密柱，所述箱型密柱依次连接安装有弧形钢梁、屋盖钢结构以及悬挑钢平台，所述箱型密柱包括多个下幕墙柱、上幕墙柱，所述弧形钢梁水平设于下幕墙柱的上端，所述屋盖钢结构通过上幕墙柱与弧形钢梁的上端连接，悬挑钢平台水平设置于弧形钢梁的内侧。

作为本发明的进一步改进，安装方法包括以下步骤：

步骤一，定位预埋所述下幕墙柱；

步骤二，安装弧形钢梁，所述弧形钢梁与箱型密柱采用刚性偏心连接：将弧形钢梁均匀分为多段，且每段弧形钢梁均设置连接L型幕墙柱节点，所述L型幕墙柱节点使幕墙荷载偏心作用在所述弧形钢梁的外侧；

步骤三，弧形钢梁的测量与焊接，在步骤二中每段弧形钢梁的左右端口，上、下幕墙柱节点端口均设置测量点，多段弧形钢梁的焊接采用焊接与测量同时进行的矫正焊接工艺；

步骤四，对接口焊接，箱型密柱和弧形钢梁的安装由两端往中间同步逐步进行，且同一段钢梁的两端对接处同时进行焊接作业；

步骤五，各构件合拢，将屋面钢结构、悬挑钢平台与弧形钢梁进行合拢，通过对测得合拢温度下合拢构件的长度布置焊接收缩余量值，接着对合拢构件进行配切端口余量，控制合拢时的坡口间隙和错边量；

步骤六，临时支撑架的卸载。

作为本发明的进一步改进，在步骤二中，每段弧形钢梁的连接处还设有临时支撑平台。

作为本发明的进一步改进，所述临时支撑平台包括每段弧形钢梁连接处的上下两侧设置的井字支撑架，所述屋盖钢结构也设置有等距分布的井字支撑架。

作为本发明的进一步改进，在步骤二中设置的L型幕墙柱节点分别与弧形钢梁、上幕墙柱以及下幕墙柱连接，具体为：L型幕墙柱节点包括上节点和下节点，所述上节点连接上幕墙柱与弧形钢梁，采用偏心扩大头外包梁箱连接节点；所述下节点连接下幕墙柱与弧形钢梁，采用偏心箱式连接节点。

作为本发明的进一步改进，所述L型幕墙节点采用对位设置竖向加劲钢板，在所述上节点、下节点连接范围内设置水平加劲板以使箱型密柱对接节点板精准对齐；下幕墙柱的顶端还设置有嵌入段，嵌入段包括四块钢板，下幕墙柱通过所述嵌入段与L型幕墙柱节点连接。

作为本发明的进一步改进，在步骤三中，每段弧形钢梁的焊接工艺具体为：从两边向中间焊接，对接口采用左右、上下对称焊接，分段采用跳焊。

作为本发明的进一步改进，在步骤四中对接口焊接作业的顺序为：先立焊、再平焊、最后仰焊，且在一个接口四面全部焊接完成后，再进行下一个接口。

作为本发明的进一步改进，在步骤五中得出合拢构件长度的具体方法为：对构件合拢部位的端口进行坐标精确测量，通过建立坐标体系对实测点进行坐标采集得出，同时需要控制合拢端口的错边量。

作为本发明的进一步改进，在步骤六中卸载临时支架的具体步骤为：首先拆除屋盖钢结构下部的井字支撑架，接着拆除弧形钢梁下部临时支撑架，最后拆除悬挑钢平台下部临时支撑架。

因此，本发明的主要有益效果在于：

（1）本发明提供的一种大跨度曲面幕墙密柱悬挑结构体系，通过设置箱型密柱＋弧形钢梁＋屋盖钢结构＋悬挑钢平台组合而成的悬挑结构体系，大幅提升该曲面幕墙的结构受力性能，防止发生安装后的内力重分布现象；

（2）进一步地，通过L型幕墙柱节点及其连接安装方法使各结构相互贯通，提高安装控制精度；

（3）进一步地，通过将弧形钢梁分段测量焊接的方法步骤，解决弧形钢梁分段安装精度控制难题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请实施例中的一部分，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例大跨度曲面幕墙密柱悬挑结构体系的整体结构图；

图2为本实施例曲面幕墙密柱悬挑结构体系轴测图；

图3为本实施例临时支撑架布设的平面示意图；

图4为本实施例弧形钢梁分段示意图；

图5为本实施例弧形钢梁分段的测量点示意图；

图6为本实施例L型幕墙柱节点连接示意图；

附图标记说明，其中：箱型密柱1，弧形箱梁2，屋盖钢结构3，悬挑钢平台4，下幕墙柱1-1，上幕墙柱1-2，L型幕墙柱节点5，井字支撑架6，嵌入段1-11，测量点7。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明：

如图1、图2，本实施例提供一种大跨度曲面幕墙密柱悬挑结构体系，包括箱型密柱1，箱型密柱1依次连接安装有弧形钢梁2、屋盖钢结构3以及悬挑钢平台4，箱型密柱1包括多个下幕墙柱1-1、上幕墙柱1-2，弧形钢梁2水平设于下幕墙柱1-1的上端，屋盖钢结构3通过上幕墙柱1-2与弧形钢梁2的上端连接，悬挑钢平台4水平设置于弧形钢梁2的内侧。

基于上述曲面幕墙密柱悬挑结构体系的安装方法包括以下步骤：

步骤一、混凝土结构施工到室外地面层，箱型密柱1的下幕墙柱1-1预埋件按照施工图进行测量、定位预埋。

步骤二、安装18.28m标高弧形钢梁，参照图3，首先在弧形钢梁2和屋盖钢结构3下各架设12个井字支撑架6，由于18.28m标高弧形钢梁受力复杂，节点连接可靠性要求高，因此在弧形钢梁下架设了双井字支撑架作为1个支撑平台，并对其地下室顶板进行回顶加固。18.28m标高弧形钢梁采用焊接箱型钢，弧形钢梁2受力复杂，弧形内侧有悬挑钢平台4，箱型密柱1与弧形钢梁2采用刚性偏心连接，如图3，为了保证刚性节点施工质量和安装精度，弧形钢梁2分11段加工，每段弧形钢梁均设置连接L型幕墙柱节点5。

步骤三、18.28m标高弧形钢梁为大截面箱型结构构件，弧形钢梁跨长54.86米，弧形钢梁2上下分别有下幕墙柱1-1、上幕墙柱1-2刚性连接，现场焊接保证弧形钢梁2外轮廓尺寸和定位尺寸是重点，需要严格控制箱梁施工的环向、径向和竖向三个方向变形，制定专项焊接工艺和测量方案，弧形钢梁在车间分段加工，分段焊接，结合图5，每段弧形钢梁左右端口、上下幕墙柱节点端口均设置测量点7，根据钢构件实际情况制定科学合理的测量方案，对施工过程中测量控制网进行精度分析，提高测量准确精度，有效提升测量精度控制方法，在弧形钢梁2和L型幕墙柱节点5全部定位满足施工规范和现场安装要求、验收合格后出厂。

具体是采用从两边向中间焊接、对接口采用左右、上下对称焊接，分段采用跳焊，而且采用边焊接边测量边矫正的焊接工艺，建立高程和平面控制网，测量遵循“由整体到局部”的原则，施工精度控制采用全站仪、经纬仪等测量设备实时测量，及时反馈、纠偏，保证安装质量。对弧形钢梁2牛腿上的测量点实现精准把控，做到实时观测。根据BIM数据提前将弧形钢梁最终位置做出标记，并采取可靠措施来防止弧形钢梁超出所定位置。钢梁在吊装之前，先进行复核加工尺寸、形状，以免吊装就位后无法安装。保证了弧形钢梁焊接变形和焊接质量均满足施工验收规范要求。

步骤四、由于弧形钢梁2内侧有悬挑钢平台4，弧形钢梁在悬挑钢平台荷载作用下承受较大的平面外扭转力矩，为平衡弧形钢梁扭转力矩，弧形钢梁2与L型幕墙柱节点5经过计算分析，考虑上幕墙柱1-2和屋盖钢结构3荷载作用在弧形钢梁外侧，因而节点特别设计为幕墙荷载偏心作用在弧形钢梁外侧的偏心L型幕墙柱刚性连接节点。

参照图6，具体为，L型幕墙柱节点5上部的上节点采用偏心扩大头外包梁式箱式连接节点，L型幕墙柱节点5下部的下节点采用偏心箱式连接节点，幕墙节点采用对位设置竖向加劲钢板，加劲钢板厚度与幕墙柱壁厚等厚，为保证幕墙柱对接节点板精准对齐，在上节点、下节点连接范围内设置水平加劲板。L型幕墙柱节点5在车间焊接在弧形钢梁2上，上幕墙柱1-2与L型幕墙柱节点5现场直接焊接连接，为保证弧形钢梁2与下幕墙柱1-1准确连接，上下幕墙节点段各外伸500mm，下幕墙顶还设置长200mm嵌入段1-11，嵌入段为四块钢板，嵌入段1-11幕墙柱现场根据上下对接实际位置分别与下幕墙柱1-1和幕墙柱节点进行焊接连接，该偏心L型幕墙柱刚性连接节点是节点设计结合结构受力合二为一的创新构造设计。

步骤五、根据仿真模拟分析，曲面幕墙的箱型密柱1和弧形箱型2钢梁安装由两端往中间同步逐步进行，安装采用耳板临时固定，幕墙箱型密柱和弧形箱型钢梁安装采用先将钢结构吊装，临时固定，然后测量，焊接，进行复核矫正然后再复核最后合格验收的施工流程。保证整体构件精度符合设计和施工验收规范要求；现场焊接过程中，为防止钢梁受热产生的应力变形过大，经分析决定，同一段钢梁的两端对接处不得同时进行焊接作业。箱型钢梁焊接时，同一个接口的两个对边的焊接方向尽量保持一致，焊接顺序则采用先立焊、再平焊、最后仰焊的方式，在一个接口四面全部焊接完成后，再进行下一个接口。

步骤六、在下幕墙柱1-1和弧形钢梁2安装完成两边分段钢结构同时，屋盖钢结构3和悬挑钢平台4也从两端往中间同步进行安装，弧形钢梁现场安装时合拢温度应在20℃～30℃之间。在拟定的合拢温度区间范围内，对构件合拢部位端口进行坐标精确测量，测量采用徕卡全站仪进行测量，通过建立坐标体系对实测点进行坐标采集，得出合拢温度下的合拢构件的确切长度，然后根据此长度要求，布置合适的焊接收缩余量值后，对合拢构件进行配切端口余量，并切割坡口，控制合拢时的坡口间隙，该间隙大小要考虑温度变形计算结果和焊接收缩变形，以减少合拢口的焊接量和焊接残余应力，确保焊接口的焊接质量，同时，对合拢口的错边量也要加以控制，保证合拢的顺利完成。

步骤七、全部门厅钢结构构件全部焊接完成、经探伤验收合格后，在门厅钢结构支撑形成空间稳定受力体系后，开始对临时支撑架进行卸载。由于曲面幕墙的密柱支撑结构体系整体受力复杂，中间密柱受拉，两边密柱受压，卸载分布点多而广，根据门厅幕墙密柱支撑结构受力分析和施工验算，在结构安全保证第一前提下，变形协调为支撑情况下，加强实时监测，严格按照卸载专项施工方案进行，卸载遵循先上后下，从中间向两边的卸载原则，首先拆除屋架梁下部井字支撑架，接着拆除弧形大梁下部临时支撑架，最后拆除悬挑屋盖下部临时支撑架。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (10)

1.一种大跨度曲面幕墙密柱悬挑结构体系，其特征在于，包括箱型密柱，所述箱型密柱依次连接安装有弧形钢梁、屋盖钢结构以及悬挑钢平台，所述箱型密柱包括多个下幕墙柱、上幕墙柱，所述弧形钢梁水平设于下幕墙柱的上端，所述屋盖钢结构通过上幕墙柱与弧形钢梁的上端连接，悬挑钢平台水平设置于弧形钢梁的内侧。

2.根据权利要求1所述的一种大跨度曲面幕墙密柱悬挑结构体系的安装方法，其特征在于，所述安装方法包括以下步骤：

步骤一，定位预埋所述下幕墙柱；

步骤二，安装弧形钢梁，所述弧形钢梁与箱型密柱采用刚性偏心连接：将弧形钢梁均匀分为多段，且每段弧形钢梁均设置连接L型幕墙柱节点，所述L型幕墙柱节点使幕墙荷载偏心作用在所述弧形钢梁的外侧；

步骤三，弧形钢梁的测量与焊接，在步骤二中每段弧形钢梁的左右端口，上、下幕墙柱节点端口均设置测量点，多段弧形钢梁的焊接采用焊接与测量同时进行的矫正焊接工艺；

步骤四，对接口焊接，箱型密柱和弧形钢梁的安装由两端往中间同步逐步进行，且同一段钢梁的两端对接处同时进行焊接作业；

步骤五，各构件合拢，将屋面钢结构、悬挑钢平台与弧形钢梁进行合拢，通过对测得合拢温度下合拢构件的长度布置焊接收缩余量值，接着对合拢构件进行配切端口余量，控制合拢时的坡口间隙和错边量；

步骤六，临时支撑架的卸载。

3.根据权利要求2所述的安装方法，其特征在于，在步骤二中，每段弧形钢梁的连接处还设有临时支撑平台。

4.根据权利要求3所述的安装方法，其特征在于，所述临时支撑平台包括每段弧形钢梁连接处的上下两侧设置的井字支撑架，所述屋盖钢结构也设置有等距分布的井字支撑架。

5.根据权利要求2所述的安装方法，其特征在于，在步骤二中设置的L型幕墙柱节点分别与弧形钢梁、上幕墙柱以及下幕墙柱连接，具体为：L型幕墙柱节点包括上节点和下节点，所述上节点连接上幕墙柱与弧形钢梁，采用偏心扩大头外包梁箱连接节点；所述下节点连接下幕墙柱与弧形钢梁，采用偏心箱式连接节点。

6.根据权利要求5所述的安装方法，其特征在于，所述L型幕墙节点采用对位设置竖向加劲钢板，在所述上节点、下节点连接范围内设置水平加劲板以使箱型密柱对接节点板精准对齐；下幕墙柱的顶端还设置有嵌入段，嵌入段包括四块钢板，下幕墙柱通过所述嵌入段与L型幕墙柱节点连接。

7.根据权利要求2所述的安装方法，其特征在于，在步骤三中，每段弧形钢梁的焊接工艺具体为：从两边向中间焊接，对接口采用左右、上下对称焊接，分段采用跳焊。

8.根据权利要求2所述的安装方法，其特征在于，在步骤四中对接口焊接作业的顺序为：先立焊、再平焊、最后仰焊，且在一个接口四面全部焊接完成后，再进行下一个接口。

9.根据权利要求2所述的安装方法，其特征在于，在步骤五中得出合拢构件长度的具体方法为：对构件合拢部位的端口进行坐标精确测量，通过建立坐标体系对实测点进行坐标采集得出，同时需要控制合拢端口的错边量。

10.根据权利要求2所述的安装方法，其特征在于，在步骤六中卸载临时支架的的具体步骤为：首先拆除屋盖钢结构下部的井字支撑架，接着拆除弧形钢梁下部临时支撑架，最后拆除悬挑钢平台下部临时支撑架。