当前, 大型空间网架结构在国内外得到广泛应用, 其中焊接球节点网架结构因其优越的节点刚度和整体性能, 能满足大面积、大跨度等特殊结构的需求, 应用范围尤为广阔。但该类结构在安装时, 现场拼装及焊接作业量大, 成型精度要求高, 尤其对于大面积、大跨度复杂施工条件下的网架安装, 施工难度大幅提升, 若全部采用常规的高空散装法或组合单元吊装方案, 不但难以保证施工质量、存在安全风险, 而且经济性差, 同时对整个工程的施工工期也会有较大影响。

苏州华冠钢结构厂房位于苏州市, 总建筑面积为72 700m², 由总装车间、涂装车间、成型车间及其他附属设施组成。工程钢结构总量约4 800t, 钢材材质为Q235, 其中总装车间为核心车间, 屋盖结构形式为焊接球节点正放四角锥钢网架, 平面尺寸为234m×112m, 施工面积为26 208m², 网架横向截面呈对称梯形, 最大弦高4.72m, 最小弦高1.80m, 支承形式为下弦支承, 边跨支座采用单面弧形压力支座, 中间支座采用平板压力支座, 支座支承在下部箱形钢柱上, 下部支承结构形式为排架结构, 整个屋面采用有檩体系轻钢屋盖。

大跨空间钢结构比较成熟的施工方法有高空散装法、分条或分块吊装法、整体吊装法、整体提 (顶) 升法、分条或分块滑移法及整体滑移法等^[1]。若全部采用常规的高空散装法或组合单元吊装方案, 需搭设大量临时支撑构件, 不但高空拼装、焊接工作量大, 同时存在较大的质量、安全风险, 施工难度较大, 且对整个工程的施工工期也会有较大影响。参考以往类似工程经验^[2,3,4,5,6], 结合本项目工期紧、施工场地狭小、现场焊接量大等特点, 多方案比选后, 提出了大面积分区混合施工技术。将整个网架结构分为大区进行流水作业, 每个大区又进一步划分为吊装区域和提升区域2部分, 吊装区域采用模块化吊装技术进行作业, 同时对提升区域进行地面拼装及焊接拼装作业, 待吊装区域安装结束后, 采用计算机控制液压同步提升技术进行安装。该方案充分利用单元吊装和液压提升安装方法的特点, 分区同步施工, 可有效利用作业面, 网架在地面胎架上进行拼装, 避免大量高空作业, 可以有效保证焊接质量、加快施工进度, 同时可有效降低临时措施费用、保证施工质量, 减少与土建、设备等交叉作业, 提高施工效率。

根据工程特点, 将网架结构划分为2大区进行流水作业, 如图1所示, 第1大区位于轴与 (1) ~ (18) 轴之间, 平面尺寸为138m×112m, 面积为15 456m², 第2大区位于轴与 (19) ~ (31) 轴之间, 平面尺寸为96m×112m, 面积为10 752m², 施工中先对第1大区进行安装, 然后依照流水作业次序对第2大区进行安装。

总装车间屋盖边缘下部设有部分钢框架结构, 此部分网架不满足原位拼装液压提升的地面拼装条件, 故采用组合单元吊装方法进行安装。根据上述条件, 如图1所示, 第1大区进一步区分为吊装1区 (轴与 (1) ~ (9) 轴之间) 和提升1区 (轴与 (9) ~ (18) 轴之间) , 第2大区进一步区分为吊装2区 (轴与 (19) ~ (31) 轴之间) 和提升2区 (轴与 (19) ~ (31) 轴之间) , 吊装区域和提升区域分别采用模块化吊装和计算机控制液压同步整体提升混合施工技术进行安装。其中, 第1大区共设置15个吊装单元, 第2大区为4个吊装单元。

网架构件在加工厂制作完成后, 散装运送至施工现场, 在现场拼装后安装。整体工艺流程为:工厂构件制作→构件运送至施工现场→吊装1区、提升1区网架拼装及焊接→吊装1区网架单元吊装、安装提升1区提升设备→提升1区网架提升→提升1区网架合龙、吊装2区与提升2区网架拼装及焊接→提升1区网架卸载、吊装2区网架单元吊装、安装提升2区提升设备→提升2区网架提升→提升2区网架合龙→提升2区网架卸载。

根据施工过程的仿真模拟分析结果, 将结构安装变形位移反向叠加于原设计坐标, 并进行二次施工分析、调整及优化, 并与设计单位进行复核校验, 同时充分考虑焊接收缩变形, 预先反向叠加焊接变形, 确定最终杆件空间拼装几何定位。

本项目网架杆件数量巨大, 钢管及焊接球几何尺寸多, 构件空间角度各异, 杆件相贯线及长度控制精度要求很高。通常通过一次性工厂加工直接满足现场拼装精度要求往往难以实现。充分结合本项目结构特点, 提出了在施工现场预加衬垫的方法精确控制杆件精度。为此, 在三维设计软件模型中预先考虑杆件和球节点的施工间隙, 拼装时首先在杆件两端加入焊接衬垫, 然后通过调节杆件两端衬垫外伸长度精确控制杆件的最终总长度, 确认无误后点焊固定衬垫。该方法将杆件控制长度转换为衬垫外伸控制长度, 有效规避加工精度不足等问题, 提高拼装效率, 减少反复定位。

采取先拼装网架下弦杆件, 再拼装腹杆及上弦杆件的施工顺序。下弦杆件及腹杆拼装采用模块化组件拼装, 从中间向四边依次进行, 以减少拼装累计误差。

1) 下弦拼装 通常最简单和基本的方法是单根杆件逐一散拼, 该方法操作简单, 但精度较难控制。作为改进, 可预先将网架下弦拼装为□形小拼单元, 再在整体胎架上拼装, 提高了精度并减少了整体胎架中的散拼时间, 但该方法涉及间隔□形小拼单元间的补空施工, 施工难度有所增加, 同时不能完全避免杆件散拼。

为此提出对下弦杆件采用一形及十形模块化组件的施工方法, 如图2所示。施工中将边跨轴线下弦杆件分解为一形模块化组件, 中间下弦杆件分解为十形模块化组件, 通过2种最基本的开放接口模块化组件分解, 可以完全实现网架下弦的模块化拼装。同时采用专用的拼装胎架, 可以有效提高拼装精度, 大幅加快拼装速度。

2) 腹杆和上弦拼装 网架下弦拼装完成后, 检查下弦的总体尺寸定位, 节点位置准确无误后开始拼装网架腹杆和上弦。在每个正四棱锥网格中, 预先选取对角线上的2根构件及上弦球节点组成人形模块化组件, 先吊放人形模块化组件, 然后安装第3根腹杆形成稳定体系后, 再安装第4根腹杆并点焊连接, 完成1个正四棱锥拼装。按照上述顺序, 从中心向四周逐个单元进行拼装, 直至全部网架拼装完成。

3) 吊装单元网架焊接 网架拼装完成并检查确认无误后, 开始焊接网架。首先由中心向四周推进焊接各吊装单元所有下弦构件, 待充分释放下弦焊接变形后, 由中心向四周推进焊接所有腹杆和上弦杆件, 直至所有杆件焊接完毕。

相对于吊装单元, 提升单元面积大、拼装构件多、工作量大, 拼装及焊接方法的选择直接影响网架成型精度和质量, 是网架施工的关键所在。本工程采取子分区单元独立成型方法, 将提升单元进一步分区为更小的子分区单元, 各子分区单元分别独立拼装及焊接, 子分区单元间采用后补杆件进行连接。以2区单元为例, 拼装过程如图3所示。

上述方法通过将大面积网架进一步分区形成子分区单元, 可以有效减少一次性拼装面积, 同时综合运用网架分区、预留伸缩段、拼装预偏移及合理安排焊接顺序等多项措施, 可有效减小焊接残余应力、降低焊接累计误差、提高网架成型精度。

提升区域共设置38个吊点, 其中提升1区设置18个吊点, 提升2区设置20个吊点, 均设置在原有钢柱上部, 提升吊点布置如图4所示。提升设备采用3台TLD-60型液压泵源系统、38台TLJ-600型液压提升器、1套TLC-1.3型计算机同步控制及传感检测系统。组合单元采用130t和70t履带式起重机进行安装, 2台25t汽车式起重机配合现场运输。

吊装单元安装完毕后, 安装提升设备、临时提升支架、临时牛腿及临时吊点等临时措施。提升1区共设置36个牛腿和18个提升支架, 提升2区共设置40个牛腿和20个提升支架。

设计液压提升吊点时, 应充分利用原有结构, 并尽量不改变原有结构受力体系。结合本工程特点, 上吊点采用箱形桁架结构, 下吊点采用球形节点。

1) 上吊点设计 为利用原有钢柱并避免与柱顶支座在竖直方向重合, 在柱顶侧面设置临时牛腿, 将提升支架安装在临时牛腿上部, 同时为了有效避免后补杆件无法安装, 将提升支架在牛腿上沿纵向偏心安装, 如图5所示。该方案不但可以充分利用原有钢柱, 同时便于后补杆件安装, 支架构造简单, 易于实施。提升结束后拆除临时牛腿和提升支架。牛腿和支架由箱形结构和方管组成。

采用有限元分析软件SAP2000对提升支架进行分析, 其中中间支架最大荷载为365kN, 经分析, 提升工况下, 最大下挠值约1.6mm, 水平位移最大值为1.2mm, 最大应力比为0.658, 满足提升要求。采用有限元分析软件ANSYS对牛腿结构进行模拟分析, 计算结果表明均满足要求。

2) 下吊点设计 网架下部提升边缘处不能形成有效的受力体系, 因此必须加固。为形成有效的传力路径, 根据网架结构形式特点增加临时杆件, 考虑多根杆件汇交, 构造上采用球形节点较为方便, 本工程采用S400×20球形临时节点, 材质为Q345B。在原有网架支撑焊接球附近偏移一定距离设置临时吊点, 吊点通过临时杆件与网架连接, 临时吊点及杆件与原有网架的相对位置如图6a所示, 提升到设计标高后, 柱顶支撑焊接球通过后补杆件与网架连接, 提升后各杆件的相对位置如图6b所示。下吊点具体设计如图7所示。

采用有限元分析软件ANSYS对下吊点球进行提升模拟, 经分析提升过程中下吊点球承受最大荷载为511kN, 最大应力约为210MPa, 最大变形约0.83mm, 满足要求。

网架提升过程中提升的同步性控制至关重要, 是整个提升过程的关键环节。本工程通过采取如下措施保证提升过程的同步性。

1) 分级加载试提升 依据计算机模拟计算提升吊点反力值, 对网架钢结构单元进行分级加载, 逐步缓慢加载至网架脱离胎架。当结构即将离开拼装胎架时, 可能存在各点不同时离地, 此时应降低提升速度, 必要时做单点动提升, 确保网架钢结构离地平稳, 各点同步。

2) 结构悬空检查 结构单元离开拼装胎架约100mm后, 锁定液压提升系统设备, 悬空停留12h以上做全面检查, 正常无误后再正式提升。

3) 空间水平度调整 检测各吊点的离地距离, 计算各吊点相对高差。通过液压提升系统设备调整各吊点高度, 使结构达到水平状态。

4) 整体同步正式提升 以调整后的各吊点高度为新的起始位置, 复位位移传感器。在结构整体提升过程中, 保持该状态至提升到设计标高附近。

网架结构提升至设计位置附近后, 微调各吊点并尽可能使网架各层弦杆精确提升至设计标高, 液压提升系统设备暂停工作, 保持结构单元的空中定位。由于结构体系复杂、施工过程中各种不利环境因素的影响, 很难使每根杆件均精确定位, 对此采用千斤顶或倒链进行微调, 接口必须调整到位。对个别变形较大杆件, 应在施焊时间段内进行现场复测, 依据复测数据现场切割后补合龙段并进行对接。

调整对接口后, 开始对接合龙段。工程所在地最大温差达15℃以上, 应特别注意温差引起构件收缩导致的附加应力, 必须选择合理的对接顺序及施焊时间。施焊顺序依次为网架下弦、网架腹杆、网架上弦, 施焊时间控制在温度相对波动较小的时间段内, 一次焊接成型。应注意不得在网架两端同时施焊, 施焊前应对钢绞线采取有效防护措施。

网架对接完毕形成整体结构后开始卸载, 卸载过程是网架结构体系应力转换并重新分布的过程, 合理的卸载顺序对网架提升安装工艺至关重要, 应针对结构特点及受力分析制定专项卸载方案。本工程整体卸载顺序为:卸载液压提升钢绞线→拆除临时加固辅助构件→拆除提升下吊点。待网架形成整体受力体系后, 采用同步分级方式卸载液压提升设备, 确认无异常情况后, 继续卸载至钢绞线完全松弛。然后由中间向两端依次对称同步拆除临时加固杆件及提升吊点, 拆除过程中应借助倒链等工具缓慢释放内力, 避免产生冲击荷载。过程中密切观测网架变形, 加强监测, 确保安全。

依据结构自身特点, 充分利用原有钢架结构体系, 提出了大面积网架结构的快速混合施工方法。该方法采用组合单元吊装及液压提升技术, 以大区流水展开作业, 可以充分利用现场工作面, 有效缩短施工周期, 加快施工进度, 同时可减少高空焊接作业, 保证施工质量。网架拼装提出了预加衬垫及新型模块化组件的拼装方法, 大幅提升了网架在拼装过程中的精度和效率, 同时通过综合运用几何补偿、网架分区、预留补空段、合理施焊等多项措施, 大幅度提高了大面积网架的焊接成型精度。目前本工程已经成功实施, 现场实测数据表明, 网架安装各项指标均满足规范要求, 充分说明该技术的可行性和合理性。