随着国内建筑行业的发展, 钢结构越来越多地应用到建筑结构中。钢结构使建筑从高度、跨度和造型上一步步突破, 建筑师开始在保证建筑结构使用功能的条件下设计一些造型新颖的建筑, 越来越多造型新颖的结构形式出现。建筑形式由直线形逐渐发展为空间单面曲线 (如机场及场馆的屋面) 形式, 空间双曲结构形式在国内案例较少, 但也越来越多出现在现代建筑中。

本文通过对长沙市梅溪湖城市岛螺旋体主结构的特点进行分析, 探讨单板悬挑结构无支撑安装方法, 通过分析施工过程中的特点与难点, 计算确定吊装吊耳设置、悬挑变形量, 并在此基础上确定临时固定措施及悬挑安装流程。

长沙梅溪湖城市岛工程主结构为双螺旋景观平台, 由2条相互环绕螺旋上升的环形通道连接着一列密集的柱廊组成, 平台高约34m, 坡道最大直径约86m (见图1、图2) 。螺旋体斜立柱共32根, 立柱与水平面的夹角为62.02°, 相邻立柱在平面上的投影夹角为11.25°。斜立柱为箱形变截面, 截面宽300mm, 截面高沿结构高度方向渐变, 最重构件达28t;坡道单元为三角形截面空间渐变弯扭结构, 由内部纵横加劲板及外包钢板拼接组成, 坡道质量大。螺旋体钢结构均为异形钢结构, 吊装质量大, 且由于结构限制, 单独设立支撑成本大、不易操作, 施工过程中需要进行无多余支撑高空悬挑安装, 施工难度大。

1) 本工程螺旋体斜钢柱呈向外发散状, 内外侧均悬挑出三角截面大型坡道单元, 坡道正面宽7~8m, 质量大。为了控制斜钢柱的变形及保证安装过程中的整体稳定性, 需采用先内环后外环、依次上升交替安装的顺序。由于场地较小, 拼、吊装布置场地紧凑, 工期紧, 施工难度大。

2) 坡道与柱仅为单板连接, 柱一边与半径垂直方向尺寸为300mm, 在悬挑侧不设置支撑情况下, 安装过程中不仅需要控制柱径向变形而且要注意柱本身扭转。

3) 悬挑单元质量大, 临时固定措施需布置合理, 既能控制好吊装过程中的临时定位精度, 又要合理控制后期的焊接变形。

1) 临时连接措施 坡道节段安装时, 拟在钢柱箱形连接件上、下端及坡道三角支撑板上、下端分别设置连接耳板, 耳板之间拟用M36高强螺栓连接, 通过两者之间的耳板对接, 来固定和定位各坡道节段 (见图3) 。同时相邻坡道间采用马板焊接。

为了保证结构在吊装过程中安全、平稳、便于安装, 坡道吊装过程中采用四点 (分设吊耳 (1) , (2) , (3) , (4) ) 吊装 (见图4) , 且3点可通过倒链调节构件平整度, 同时在坡道端口设置3道支撑角钢, 保证坡道整体性。通过对最重构件吊耳设置的模拟计算, 得到吊装过程, 坡道变形最大处为2.4mm, 最大应力为28.2MPa, 满足规范要求^[1]。

2) 斜钢柱安装过程变形验算 根据总体施工流程, 采用有限元分析软件Midas对各主要施工过程进行分析, 提取各施工阶段的分析结果, 对结构以图解形式详细描述, 主要论证钢柱在安装各阶段的刚度及应力情况, 变形情况如图5所示。

由图5可知, 钢柱的最大侧向变形约为16mm<32 000/500=64mm, 最大应力为68.3MPa, 按照规范规定, 结构的变形满足要求^[1]。

3) 悬挑坡道单元安装变形控制

柱顶部分坡道单元由于质量较大, 无法再按柱间安装, 需要在高空悬挑安装, 悬挑最大长度约4m, 在自重状态下容易产生下挠变形。其中质量最大的吊装单元重约18.3t。选取此吊装单元作为验算对象进行分析。分析结果表明, 坡道悬挑安装满足要求。

安装流程为:首节钢柱安装 (包括柱脚) →第2节钢柱安装→柱间钢棒安装并紧固→第2节钢柱内侧环道节段安装→第2节钢柱外侧环道节段安装→第3节钢柱安装并紧固→柱间钢棒安装→第3节钢柱内侧环道节段安装→第3节钢柱外侧环道节段安装→柱顶环道安装。

螺旋体吊装前提前放样, 根据构件中心设置吊耳, 安装前搭设好操作平台。吊装就位后, 及时将钢柱对接处临时连接板固定, 两端同时拉设缆风绳, 保证钢柱稳定性。钢柱内部加劲通过焊接手孔完成焊接。同时, 为了减少下一道工序 (坡道安装) 对钢柱造成的变形影响, 第1节钢柱按整圈布置H型钢控制悬挑安装及基础浇筑造成的钢柱扭转及变形。钢柱吊装与变形控制措施如图6所示。

坡道单元运输至现场后, 提前在地面进行一次拼装, 形成吊装单元。拼装完成后, 吊装单元4个角部时, 各挂设1组倒链, 在未起吊前调整坡道面的角度, 达到与就位状态坡道面角度相近, 完成第1次粗调。塔式起重机起钩, 将构件吊装至待安装位置处, 通过倒链调校至设计坐标, 固定^[2]。

坡道单元就位调校步骤:坡道吊装采用四点吊装法, 其中 (1) , (4) 号吊耳设置在重心线上, 为主受力吊耳; (2) , (3) 号吊耳与 (1) , (4) 号吊耳垂直设置, 为调节吊耳。坡道吊装至待安装位置处, 调节 (1) 号倒链使待就位坡道单元与已安装坡道单元上表面中心齐平, 调节 (2) , (3) 号倒链使坡道上表面与已安装坡道单元齐平, 同时调节三角悬臂板就位, 定位准确后, 立即使用马板将端部与已安装坡道单元连接, 并将三角悬臂板采用临时措施连接牢固。

坡道与钢柱之间通过60, 90mm悬臂板连接, 根据悬臂板长度约600mm的结构特点, 坡道与钢柱现场对接分段点考虑在悬臂板悬挑出钢柱300mm位置处, 坡道与钢柱悬挑悬臂板高空对接。坡道调校就位后, 使用马板将悬臂板对接位置处临时固定, 同时将待安装坡道与已安装相邻坡道使用马板固定, 保证待安装坡道连接可靠 (见图7) 。

悬臂板对接坡口采取双面K形坡口 (见图8, 图中t≥16mm, b为0~3mm, p为0~3mm) , 坡道临时就位后, 塔式起重机不松钩, 开始进行悬臂板大坡口侧的焊接, 焊缝填充高度达20mm。沿悬臂板通长焊接。完成后即可逐步松钩, 过程中保持监测塔式起重机荷载数据, 待数据显示为0后, 即可完全松钩。

本文根据城市岛项目螺旋体坡道悬挑的结构形式, 从安全、效率、质量出发, 总结探索出一种无支撑悬挑安装技术。通过采取地面拼装、悬挑安装的方式施工, 减少支撑措施的布置, 节约了大量的支撑措施费用。高空就位后采取多点测控、调校, 高效快捷, 能够有效保证安装精度。该技术主要包括悬挑结构吊装吊耳设置、临时固定方法、高空定位方法以及安装流程。

实践表明, 该技术方案操作可行、易用性强, 对于弯扭渐变结构施工精度高, 能显著提高施工质量和施工安全水平, 节约材料、人工成本, 具有良好的经济效益和社会效益。