1 工程概况

　　西咸空港综合保税区事务服务办理中心工程为地下1层、地上7层建筑，采用钢+型钢混凝土+钢筋混凝土+UBB屈曲约束支撑的复杂空间曲面肋梁混合结构，由68条钢结构曲面肋梁和层间型钢混凝土环梁组成。三维模型如图1所示。

　　由于钢结构曲面肋梁加工和安装十分复杂，拟采用BIM建模方式，对其组拼及加工技术、安装位移控制和焊接技术进行研究，同时对肋梁施工中的应力、应变情况进行监测^[1,2]。

　　2 曲面肋梁加工组装

　　图1 项目三维模型  

　　曲面肋梁钢结构加工主要是日字形截面肋梁的加工，主要由2部分加工组合而成:肋梁本体和肋梁节点。日字形截面梁为肋梁主体，包含1道纵向通长加劲板。日字形截面肋梁的组拼和焊接方式如图2所示。

　　由于纵向加劲板位于箱体内部，拼装焊接较困难，为保证焊接质量，组装焊接顺序为:(1)将2块翼缘板与纵向加劲板拼装为H型钢;(2)在节点区域装配横隔板、在非节点区域装配腹板定位卡板;(3)盖上腹板(即盖板)并焊接4条主焊缝。日字形截面肋梁的拼装和焊接流程如图3所示。

　　图2 日字形截面肋梁的组拼焊接  

　　图3 日字形截面肋梁拼装和焊接流程 

　　2.1 钢板弯弧及下料

　　设计要求下料肋梁翼缘板为弧形板、腹板为直条板。曲面肋梁的腹板及纵向加劲板在下料后应按设计要求进行弯弧，弯弧设备应用三辊卷板机和油压机，采取冷弯方式。腹板及加劲板主要通过三辊卷板机调节上辊位置控制钢板矢高，同时调节钢板弧度的大小。由于三辊卷板机的辊轴直径较大，钢板端头无法按设计尺寸卷圆，辅助采用油压机对钢板端头进行压制。钢板下料及弯弧后，采用综合效率较高的样箱检验法对弯弧钢板的精度、工作效率和可操作性进行检验。

　　2.2 翼缘板划线

　　对下料后的翼缘板标记出腹板、纵向加劲板及横隔板的组装定位线，以此为安装基准，翼缘板划线如图4所示。

　　图4 翼缘板划线  

　　2.3 纵向加劲板组装

　　纵向加劲板组装过程中，翼缘板与加劲板的垂直度允许偏差为1mm，采用手工焊方式对翼缘板与加劲板进行定位焊接，焊缝长>40mm，焊缝厚≤8mm，随后对定位焊进行检验，合格后进行手工焊或埋弧焊焊接。

　　2.4 横隔板组装

　　横隔板组装于翼缘板上的节点区域，首先用铣边机对垫板端面进行铣平，随后对横隔板与翼缘板在胎架上进行组装焊接，应保证组装尺寸精确。

　　2.5 定位卡板组装

　　对非节点区域不设置横隔板，装配工艺板，即腹板定位卡板。

　　2.6 腹板组装及焊接

　　上述工序检验合格后，可进行腹板(盖板)装配。首先用液压千斤顶将上、下盖板顶紧，接着用手工焊或埋弧焊的方式对4条主焊缝进行焊接。

　　2.7 肋梁牛腿组装

　　在拉梁和环梁处，设置肋梁牛腿，为使焊接及梁段对接方便，将肋梁主体和节点部分分开装配制作，最后焊接组装为一体。肋梁牛腿组装节点如图5所示。

　　图5 肋梁牛腿节点组装  

　　肋梁上节点主要由H型钢牛腿和节点箱体组成^[3,4]，肋梁牛腿节点组装步骤如下(见图6)。

　　1)在肋梁节点箱体定位处划出定位线。

　　2)通过电弧焊将节点箱体固定到肋梁上，尺寸检查合格后通过CO₂气体保护焊进行焊接。

　　3)在节点箱体H型钢定位处划出定位线。

　　4)将H型钢牛腿组装到节点箱体定位处。

　　2.8 曲面肋梁现场安装

　　各分段肋梁加工完成后，曲面肋梁在施工现场拼装为整体。日字形截面肋梁纵向加劲肋的拼接焊缝在曲肋内部无法焊接，下腹板则需仰焊，十分困难。为解决曲肋的加劲肋及下腹板焊接问题，采取如下方法(见图7)。

　　1)将曲肋的上腹板拼接处1 000mm范围和纵向加劲板拼接处800mm范围分别切割，在曲肋下腹板焊接处加衬板，用全熔透焊的方式拼接下腹板。

　　2)补全纵向加劲板800mm缺口，采用全熔透焊的方式对纵向加劲板缺口拼接处进行焊接，焊接处加衬板。

　　图6 肋梁牛腿节点组装  

　　图7 曲面肋梁焊接  

　　3)补上腹板1 000mm缺口，采用全熔透焊的方式对上腹板缺口拼接处进行焊接，焊接处加衬板。

　　3 现场监测

　　曲面肋梁安装过程中，由于结构的支撑较少，仅由环梁及曲面肋梁的底部支撑承重，为确保施工过程安全，除设计合理的吊装施工工艺，还对施工过程结构的应力、应变进行实时监测，以起到安全预警作用。

　　3.1 测点布置

　　由虚拟仿真的分析结果得到结构风险点，作为钢结构施工的监测点，测点主要集中在曲面刚肋的上端、跨中及下端，环梁的受力集中、风险较大位置以及其他在钢结构吊装及安装过程中受力风险较大的位置，对这些位置进行从起吊到钢结构全部安装完毕的全过程实时监测。

　　3.2 监测设备

　　监测采用振弦式传感器对钢结构的应力、应变进行监测。振弦式传感器稳定性好、结构简单，具有较强的抗干扰能力和监测精度，常用于多种建筑结构的监测^[5,6,7]，依据敏感元件振弦变化，输出其振动频率^[8]。振弦式传感器的固有频率如式(1)所示:

　　式中:f为频率;F为预张力;L为弦长;m为质量。

　　振弦式传感器的振弦预张力可调节，传感器的读数可远程监测。结合工程实际条件，监测数据收集分为2种方式:(1)在安装过程中利用人工数据采集设备采集数据;(2)在卸载过程中利用智能自动数据采集系统进行数据的实时监测与收集。

　　3.3 监测数据分析

　　最高跨曲面肋梁(R1)和最大跨曲面肋梁(R14)的应力监测数据如图8,9所示，由图中数据可知，最高跨曲面肋梁(R1)在安装过程中最大应力出现在高端曲肋南侧，其值为压应力-88.27MPa，最大跨曲面肋梁(R14)在安装过程中最大应力出现在低端曲肋东侧，其值为拉应力27.68MPa，监测结果值在容许范围内，说明结构施工过程安全可靠。

　　图8 最高跨曲面肋梁(R1)应力时程曲线  

　　图9 最大跨曲面肋梁(R14)应力时程曲线 

　　4 结语

　　西咸空港综合保税区事务服务办理中心曲面肋梁钢结构工程中，通过使用BIM技术建立三维模型，可起到缩短工期、确保钢构件质量的效果。通过在曲肋节点区域安装横隔板的方式解决了曲肋节点表面焊缝暴露的问题，优化钢结构外观。通过对钢板接缝处的提前切割再焊接，解决了纵向加劲肋无法焊接、下腹板需仰焊的问题。最后对曲面肋梁钢结构的现场安装施工进行实时监测，保障了施工安全，且施工中钢构件的应力都在容许范围内。