随着社会经济以及建筑技术的逐步发展, 人们对公共建筑内部空间效果的需求日益增加^[1,2,3,4,5]。该类建筑对结构的悬挑长度以及跨度要求非常严格。为使建筑材料达到轻质高强的特点, 这类建筑物在设计、施工过程中多使用钢筋混凝土结构和钢结构相结合的建筑施工方案^[6,7,8,9]。安哥拉卡宾达大学综合楼坐落于安哥拉飞地卡宾达省, 该建筑上部为2个分离碗形建筑, 高低错落并呈正反相对。其中高碗采用钢网壳结构, 主体高度38.85m, 由14根落地钢管混凝土柱和钢筋混凝土矩形核心筒竖向支撑组成, 最大悬挑长度为23.5m。由于高碗部大跨度悬挑钢结构的造型复杂, 加之项目地处非洲欠发达地区, 施工技术相较于我国严重受限, 致使在施工过程中存在较大的技术和组织难度。针对项目自身特点和外部施工条件, 重点对超大悬挑结构安装方法及精度控制、施工安全措施、卸载控制技术等几个方面进行分析。

该项目占地总面积为10 003.4m², 建筑总面积为41 954m² (见图1) , 建筑主体高度为52.62m, 总建筑层数为14层, 其中地下4层, 地上10层, 结构类型采用框架-核心筒结构。桩基采用人工挖孔灌注桩, 地上采用钢结构。本工程作为安哥拉标志性建筑, 设计采用金属遮阳格栅、绿化庭院屋顶、金属球壳和屋面等结构, 很好地体现了地方人文特征。同时, 通过桥梁连接的2个碗形半球, 代表了一个完整的、现代化的安哥拉, 而底座采用传统的混凝土结构、石材外饰, 凸显干净、整洁和带有对比效果的设计理念。

该项目主体结构采用钢结构-钢筋混凝土剪力墙。基础由296个25m深的人工扩孔灌注桩、上部连接混凝土承台和500mm厚的基础底板形成复合基础;±0.000以下采用现浇钢筋混凝土结构。

高碗部分为14根直径1.2m的落地钢管混凝土柱及9m×9m的钢筋混凝土筒体支撑, 碗壳为双向平行网格壳体;楼层为钢结构梁柱体系;通过楼层钢结构和网壳的共同作用承受结构荷载。高碗主体高度38.85m, 最大悬挑长度为23.5m。其标高在18.500~40.700m, 球体半径35.02m, 平面最大直径64.6m, 碗部总质量高达5 000t, 高碗支撑体系采用1号核心筒、14根钢管混凝土柱 (Z1/Z1a, 1 200×50) 和14根临时支撑柱 (Z2, 600×10) 。其中最大悬挑部位在南侧和西侧, 属于典型的特大悬挑结构, 最大悬挑长度可达18m, 如图2所示。

高碗部采用的钢结构构件主要包括H型钢梁、箱形梁、箱形柱、圆管柱以及压型钢板等;其中最大箱形构件的截面尺寸为1 000mm×1 000mm×60mm×60mm, 单重约为1 770.96kg/m;最大圆管构件截面尺寸为1 200×50, 单重约为1 418kg/m;最大H型构件截面尺寸为H (700~1 500) ×300×24×20, 单重约为369.96kg/m。

高碗部大跨度悬挑钢结构特点及施工难点: (1) 高碗部属于异形结构, 增大了施工过程中控制安装精度的难度; (2) 高碗部属于典型的超大悬挑结构, 安装过程中如何保证施工安全是本工程的难点和重点; (3) 卸载是高碗部结构施工过程中最关键的一步, 卸载的时间、顺序以及方法等问题均需要作出预判及解决措施。

高碗上部结构由主体结构以及临时支撑结构组成;将主体划分为框架和球壳。框架从下往上安装, 球壳从上往下安装。临时支撑与框架同时往上安装。框架主要构件形式为钢柱、桁架、钢梁, 球壳主要构件形式为弧形箱梁, 临时支撑主要构件形式为柱、梁和斜撑。结构总重约3 940t, 其中主体结构总重约3 720t, 临时支撑总重约220t。高碗部结构施工过程主要分为6个阶段: (1) 钢结构安装阶段包括底层柱及临时支撑的安装, 直至安装完毕所有钢结构; (2) 首次卸载阶段在此阶段, 先用4个千斤顶代替临时垫块顶住上部结构, 此后可以通过调节千斤顶对整体结构进行分级卸载, 一直卸载至千斤顶刚好和上部结构分离, 此时千斤顶不承受荷载作用; (3) 浇筑第5, 6层楼板此阶段待首次卸载完毕后进行;浇筑完毕后, 千斤顶将承受这2层楼板荷载; (4) 二次卸载阶段等到第5, 6层楼板的混凝土强度达到设计强度的85%后, 调节千斤顶, 进而对结构执行分级卸载;二次卸载完成后, 千斤顶再次和上部结构刚刚分离, 千斤顶不承受荷载作用; (5) 浇筑剩余楼层楼板待浇筑完毕后千斤顶又将承受二次浇筑的楼板荷载; (6) 完全卸载阶段等到所有楼层的混凝土强度达到设计强度的85%后, 调节千斤顶执行分级卸载, 直到千斤顶与上部结构完全分离为止。

测量精度涉及到结构的安全性以及后续装修等方面的问题。由于高碗部属于球壳异形结构, 使用常规的测量方法已经不能满足球壳构件定位的精度需求, 综合考虑测量精度要求和现场实际情况, 决定使用节点控制法。

1) 建立测量控制网将高位首层平台的测量控制网引测到高位各层, 作为后续施工控制标准。

2) 主要构件控制在安装和焊接过程中必须在纵横2个方向架设2台经纬仪控制柱的垂直度, 重点做好垂直度的三阶段控制:第1阶段为安装阶段;第2阶段为焊接打底, 此阶段需要根据经纬仪的观测指导焊接;第3阶段为焊接阶段, 此时需要安排2名焊工同时对称焊接, 测量人员通过观测柱垂直度指导焊工进行焊接调整。经过垂直度调整三阶段控制, 柱垂直度偏差必须≤L/1 000且≤10mm。

3) 非主要构件此类构件的调整依据《钢结构现场构件处理方法》规定, 主梁需要根据柱的档距进行调整, 次梁根据主梁档距进行调整。

4) 整体监控将高碗部结构在平面上分为几个区域, 借助CAD计算机辅助设计, 得出该区各根构件的相互关系及相对位置, 根据CAD放样结果对构件进行监控。

高碗部为典型的大型、大跨度空间钢结构, 构件在自重作用下产生较大的内力, 钢结构安装顺序以及安装方法不当均会影响构件在重力荷载作用下的内力分布;同时会影响钢结构施工与其他诸如楼面板、球壳铝板幕墙等后续作业。

一般而言, 大跨度悬挑钢结构的安装方法主要有整体提升、滑移、局部整体提升以及分段吊装高空组拼法等。结合当地实际资源配置情况, 最终选用高空散装法。为最大限度发挥1号核心筒、钢管混凝土柱以及临时支撑柱的作用, 有效减小悬挑构件对高碗部整体结构受力产生的影响, 卡宾达大学综合楼在安装高碗部钢结构过程中制定了先内后外的原则。根据这一原则, 明确出先安装由落地钢管混凝土柱包围的钢构件, 再安装由临时支撑柱和落地钢管混凝土柱包围的钢构件, 最后安装支撑以外的其他临时钢构件。

卡宾达大学综合楼高碗部大跨度悬挑钢结构第1阶段为钢管混凝土柱及临时支撑柱的安装, 即从底层柱、临时支撑柱 (临时支撑柱编号及布置见图3) 开始, 一直到所有钢结构安装完毕。为了确保整体结构在安装过程中的安全性, 先验算不同施工阶段工况条件下的永久及临时结构安全性。

根据图2给出的综合楼高碗部结构布置, 分别安装临时支撑和各层梁柱。此阶段不可浇筑混凝土楼板。图4给出了安装到第4层的模型, 分析安装到第4层的工况条件, 采用SAP2000软件建模分析结构各构件的安全性。

考虑结构自重以及底层柱的风荷载作用, 进行强度验算时采用的组合为:1.35×自重;1.2×恒荷载+1.4×风荷载;图5给出了安装到第4层时临时支撑柱轴力和钢结构应力比计算结果, 可以看出, 在安装到第4层时, 临时支撑柱和钢结构部分的最大应力比均为0.134, 故整体结构的最大应力比≤0.95, 结构满足安全要求。

分析钢结构安装完毕时的稳定性, 此阶段考虑自重荷载和风荷载作用, 风荷载分布于底层柱与壳体外层构件, 其荷载组合与安装到第4层的相同。图6给出了钢结构安装完毕时临时支撑柱轴力和钢结构应力比的计算结果, 可知此阶段临时支撑柱的最大应力比为0.594;上层钢结构部分的最大挠度为20.9mm, 最大应力比为0.397。故钢结构和临时支撑的应力比均≤0.95, 编号为6的临时支撑柱的轴力最大, 为2 173.66k N。此阶段结构安装处于安全状态。

钢结构支撑的卸载方法主要分为同步卸载和分级卸载2种。考虑到高碗部悬挑构件相对于支撑体系的不对称布置、悬挑长度、各区域受力不同、操作人员水平不齐等因素的差异, 以及卸载的不可逆转性和对结构的重要性, 最终采用“分阶段分级同步卸载”的方案, 即不要求同时同步卸载所有的临时支撑点, 但是在每一个阶段必须实现同步卸载平面中的2个对称点, 同时实现若干阶段完成全部支撑点的最终卸载。卡宾达大学综合楼高碗部的整个卸载过程划分为3个阶段:第1阶段可划分为6级卸载;第2阶段可划分为3级卸载;第3阶段一次卸载完成。

1) 首次卸载根据整体结构在安装完成后产生的挠度, 确定出首次卸载时各个临时支撑点的竖向位移, 具体数据如表1所示。在每级卸载阶段, 临时支撑先卸载悬挑远端、再卸载悬挑近端, 在距圆心相同位置的点同时对称卸载, 根据临时支撑柱的编号顺序依次卸载。根据上述卸载方法及卸载顺序, 各个临时支撑点的千斤顶在下降一定竖向位移后, 整个球壳达到自身受力平衡状态, 此时临时支撑将不再受到上部钢结构的作用。

2) 第2次卸载经过首次卸载, 各支撑点的力逐渐传到主结构的落地柱上, 减少了临时支撑桁架上的作用力, 此时, 进行第5, 6层楼板浇筑。待第5, 6层楼板浇筑完成, 经过14d以上养护, 且混凝土强度达到85%设计强度以后, 进行第2次卸载。用软件分析得出在第5, 6层楼板自重下无支撑的整体结构各控制点的挠度, 并依据此挠度制定合理的分级卸载步, 进行分级卸载, 此时各个控制点卸载位移如表2所示。

3) 第3次卸载第2次卸载后, 进行剩余楼层楼板的浇筑。剩余楼板浇筑完后, 根据之前得出的剩余楼板自重下的无支撑结构各控制点挠度, 确定第3次卸载竖向位移, 如表3所示。此时, 完成上述3次卸载后, 主体结构与千斤顶完全分离, 从而实现结构的完全卸载。

为了保证卸载过程中的安全性, 必须认真检查卸载前和卸载过程中上部结构的安装情况以及焊接质量, 同时检查临时支撑柱的垂直度、变形情况、标高及安全保障措施等方面。如果发现隐患应该及时组织整改, 并且检查确认整改后的情况正确无误后, 才能进行后续施工。

通过对该大跨悬挑钢结构施工关键技术的研究, 较好地解决了非洲欠发达地区大跨度悬挑钢结构的施工难题, 并取得了较好的效果。