现有的网壳结构节点形式有实心球节点、空心螺栓球节点、焊接空心球节点、圆柱形嵌入式节点、板节点等, 圆柱形板节点是集合圆柱形嵌入式节点和板节点的优势, 节点传力明确、直接, 满足结构受力要求, 并解决了复杂曲面网壳弦杆安装方向问题, 避免由于制作和安装误差导致网壳弦杆与节点无法对接。此节点具有质量小、体积小、安装方便、精度控制高、外形美观等特点。

网壳结构施工时, 常采用吊装法、滑移法或满堂脚手架支撑平台, 但前两者均适用于小跨度, 而后者则又具有工期长和成本高等缺点。本技术以沈阳宝能环球金融中心一阶段项目为例, 介绍单层三向网格圆柱形板节点曲面网壳利用钢桁架平台和万向节点支撑杆的高空散拼施工技术, 适用于大跨度、离地面高度大的网壳结构施工。

沈阳宝能环球金融中心一阶段工程主要由裙楼、商场组成, 其中商场地下5层, 地上6层, 项目占地面积58万m², 建筑总面积109万m², 商场顶层分布有3个天窗屋盖, 如图1所示。

天窗屋盖的结构形式为单层三向网格圆柱形板节点曲面网壳, 网壳跨度30m, 离地面最大高度40m, 最大投影面积402m²。天窗屋盖钢结构包括2道环梁、立柱和网壳, 底环梁和立柱支撑于屋面钢梁伸出的牛腿, 上环梁支撑于立柱, 网壳弦杆起始于上环梁, 上环梁距屋面钢梁高度2.2m, 网壳最大矢高4.5m。底环梁截面为□400×400×10方管, 立柱截面为□400×400×16方管, 上环梁截面为ф300×10圆管, 网壳弦杆截面为□200×100×6方管。如图2所示。

本工程天窗A共有948根弦杆、297个节点。为保证钢结构工期节点如期完成, 项目采用基于钢桁架平台和万向节点支撑杆的单层三向网格圆柱形板节点曲面网壳施工技术。首先设计并搭设型钢桁架平台, 避免大跨度网壳施工搭设满堂脚手架平台消耗大量人工、材料;然后采用万向节点支撑杆, 原位安装网壳的圆柱形板节点;最后原位安装网壳弦杆, 并做支撑加固。所有弦杆采用顺序施工法进行安装和焊接。

由于网壳跨度大、离地面高度大, 设计钢桁架平台作为网壳高空散拼的施工平台。钢桁架平台包括钢桁架、次梁、平台板。钢桁架在钢结构中应用广泛, 常作为主要的承重构件, 与实腹式钢梁相比, 以腹杆代替腹板和以弦杆代替翼缘, 从而使桁架具有较大刚度, 桁架受弯时杆件主要承受轴心力。设计钢桁架作为平台主梁, 沿网壳洞口短跨方向设置, 钢桁架高度1m, 间距6m, 上、下弦杆采用型钢HW200×200×8×12, 直腹杆、斜腹杆采用I10, 节点处通过全熔透焊缝将腹杆和弦杆相互连接;钢桁架之间设置平台次梁, 次梁间距1.5m, 采用I10;平台满铺5mm厚花纹钢板。型钢桁架平台布置如图3所示。

利用有限元软件MIDAS, 建立钢桁架平台模型, 考虑平台自重及施工过程堆载, 计算分析确保钢桁架平台强度及挠度满足施工需求。钢桁架平台模型如图4所示。

节点是网壳结构重要的组成部分, 每个节点交汇的杆件很多且有一定方位, 使节点受力复杂, 因而节点连接设计与施工的好坏是网壳结构的关键。选择什么样形式的节点, 对结构的传力性能、制作安装、工程进度和工程造价具有直接影响。

网壳节点设计往往考虑如下因素。

1) 网壳是曲面结构, 不规则的杆件较多, 节点与杆件连接的方向角度很复杂, 因此, 要求网壳的节点构造能自由改变安装角度, 要求节点尺寸和杆件长度有较高精度。

2) 网壳的网格尺寸一般来说较小, 杆件内力也较小, 使节点用钢量占网壳结构总用钢量的比重较大。

3) 单层网壳结构不能按理想的铰接体系分析计算, 因此对节点构造提出了更高要求。节点处的连接必须具有相当大的刚度以传递轴向力和弯矩, 尽量力求节点构造与计算假定相符。

本项目采用圆柱形板节点是集圆柱形嵌入式节点和板节点的优势, 将节点中心处设计为圆柱体, 传力明确、直接, 并避免由于制作和安装误差导致网壳弦杆与节点无法对接的施工难题, 具有质量小、体积小、安装方便、精度控制高、外形美观等特点。

圆柱形板节点为刚接形式的焊接节点, 由空心圆柱体和节点连接板组成, 设计的空心圆柱体高度比网壳弦杆截面高度上、下各大15mm, 其中心及端部加设圆形加劲板, 节点连接板有6块, 板厚12mm, 垂直焊接在圆柱体表面, 与圆柱体等高, 每个节点有6根网壳弦杆交汇, 弦杆相贯线即为节点连接板中线, 对网壳弦杆切角, 使其与节点连接板及节点中心处圆管贴合, 由于网壳弦杆方向各有不同, 其相贯线距离圆柱体外表面尺寸也各不相同, 此尺寸即为节点连接板宽度。圆柱形板节点及剖面如图5, 6所示。

本工程单层曲面网壳安装采用基于钢桁架平台和万向节点支撑杆的高空散拼施工方法, 利用塔式起重机将构件运送至施工平台上, 人工辅助定位后临时焊接。网壳弦杆截面尺寸为□200×100×6×6方管, 单根最大长度1.2m, 最大质量32.5kg。网壳安装过程为首先搭设钢桁架操作平台, 然后设置万向节点支撑杆安装网壳节点, 最后原位安装节点之间网壳弦杆, 并做临时支撑固定。网壳安装顺序为从一端向另一端延伸, 起始点具体以施工方便为准。如图7所示。

按照网壳施工方案和现场塔式起重机起重性能, 将钢桁架整榀制作, 并根据MIDAS有限元软件计算结果在制作钢桁架时预先起拱。

钢桁架安装前在顶部设置生命桩和生命绳, 使用塔式起重机将整榀型钢桁架安装在网壳底环梁上, 桁架端部与底环梁设置侧向支撑防止桁架倾倒, 钢桁架与底环梁临时固定采用点焊的方式, 钢桁架间距6m, 依次安装完成, 每榀钢桁架校验合格后将桁架、侧向支撑与底环梁焊接固定牢靠。

相邻2榀钢桁架安装焊接完成后安装钢桁架之间的次梁, 也采用焊接的方式固定, 次梁间距1.5m, 可依施工方便进行调整。

最后根据次梁布置切割花纹钢板, 标准为每块1.5m×6m, 方便花纹板铺设, 将花纹钢板与次梁及型钢桁架上弦采用间断焊接方式固定。

钢桁架平台搭设完毕组织验收, 重点检查钢桁架及次梁布置是否与方案一致, 检查底环梁与钢桁架、钢桁架与次梁焊缝节点, 检查花纹板是否全部满铺等, 确保操作平台的安装符合设计要求、牢固可靠。天窗B钢桁架平台搭设如图8所示。

网壳圆柱板形节点距离钢桁架平台高度最大4.5m, 由于节点角度和方向各不相同, 设计万向调节的节点支撑杆, 用于圆柱板形节点的原位安装。支撑杆由支座、撑杆、调节螺杆、托盘组成, 通过调节螺杆和合页可以调整支撑杆的高度及托盘的方向。

根据网壳平面投影图进行节点的放线定位, 将万向节点支撑杆安装在定位点上, 然后将圆柱板形节点安装在支撑杆的托盘上 (见图9) , 网壳安装顺序为从一端向另一端延伸, 具体起始端视现场情况而定。

根据网壳深化图纸, 确定节点空间坐标, 在圆柱形板节点上表面中心粘贴反光片作为测量控制点;先调节丝扣调整节点高度, 然后调节托盘翻板调整节点角度, 在此过程中使用全站仪测量控制点的三维坐标, 通过反复调整丝扣和翻板, 使圆柱形板节点精确定位, 最后将支撑杆固定牢靠。

圆柱形板节点安装测控后, 安装节点之间的网架弦杆, 弦杆与节点点焊固定, 并在弦杆上做加固支撑, 防止网壳安装过程变形。然后拆除节点支撑, 进行下一节点及弦杆安装, 如此循环直至全部节点及弦杆安装完成。如图10所示。

网壳全部安装完成后, 对所有节点进行坐标复测, 复测无误方可进行下一步焊接。焊接顺序与安装顺序相同, 焊接过程要有专人负责质量检查, 待网壳全部焊接完毕并验收合格将弦杆临时支撑拆除。

为确保钢桁架平台安全可靠, 桁架、次梁、花纹板均采用焊接方式, 在网壳安装完毕后进行施工平台的切割拆除。拆除顺序为:拆除花纹板→拆除次梁→拆除桁架。

沈阳宝能环球金融中心一阶段项目屋顶天窗A, B, E安装采用基于钢桁架平台和万向节点支撑杆的单层三向网格圆柱形板节点曲面网壳施工技术, 如期完成施工任务。此施工方法具有灵活性高、可操作性强、工期短、成本低、施工方便和安全可靠等特点, 同时网壳安装质量符合设计和规范要求, 保证了工程质量。