网壳结构是具有薄壳与网架结构特点的一种新型空间结构形式, 特别是单层球面网壳结构, 更具有结构简洁、受力合理、网格划分灵活、造型美观、节点构造简单等优点, 是目前应用最广泛、技术较成熟的结构体系之一。

商丘文化艺术中心球幕影院由内、外单层球形网壳结构组成, 工程的主要特点是采用新型鼓形节点且节点及球壳杆件与整体球心具有向心性, 这是与其他球形网壳最大的不同之处, 如图1所示。

外球是由多种不同型号方管及钢管组成单层网壳结构, 节点为鼓形焊接节点, 外球直径R=57.2m, 支座分别坐落在11.500, 27.500, 35.450m的混凝土构件和钢桁架构件上。内球是与外球结构相同的不同球心单层网壳球, 直径R=44m, 支座分别坐落在6.5～12.6m的环形边梁上及22.400, 34.600m的混凝土构件及钢构件上。内、外球效果如图2所示。

球形网壳的网格由球面上3个方向相交呈60°的大圆组合构成, 在球面的水平投影面上, 将跨度进行n等分, 形成正三角形网格, 投影到球面后, 得到三向格子形球面网壳, 这种网壳在高度上均分;环向划分72小段, 杆件均与球面有相同曲率, 每段角度为5°;每根杆件与球心具有向心性特点, 即杆件弯曲且轴心正对球心方向, 结构线条优美, 且能承受轴向压力与节点弯矩作用力。

根据JGJ7—2010《空间网格结构技术规程》中规定^[3]:单层网壳应采用刚性节点连接。本工程球形网壳的节点主要采用新型鼓形焊接节点, 主要规格为ϕ245×16, 这种节点形式不同于常规采用的焊接空心球、螺栓球及星形节点, 制作简单、施工方便, 并且能大大减少节点的用钢量, 如图3所示。

网壳支座节点大多采用固定抗震鼓形铰支座, 底座与混凝土采用预埋件连接, 部分采用铸钢件支座, 如图4所示。

针对球形网壳特定的结构形式, 对结构最终成型的圆滑度要求高, 因此对拼装精度和质量要求更为严格。由于本工程鼓节点位置焊接的杆件较多, 焊接应力造成的变形影响较大;网壳在地面胎架拼装过程中, 测量控制特别重要, 首先进行杆件长度的尺寸复核, 然后对鼓节点定位, 组装完成后再分片进行径向弦长、弦高及对角线测量控制, 待焊接完成后, 再次测量复核弦长及弦高, 完成整体测量工作。

本工程节点为向心性鼓形节点, 节点中心坐标位于鼓节点内部, 因施工时无法直接测量鼓节点中心位置, 必须通过AutoCAD软件放样, 然后量取鼓中心坐标点至向心鼓封板外面中心距离, 换算出鼓封板外侧中心坐标;鼓节点焊接应力变形收缩影响大, 结合工程实际节点形式, 编制焊接工艺评定并实测不同规格杆件的焊接收缩量, 在杆件加工下料时对焊接收缩量进行补偿。

本工程为向心性鼓形节点, 在地面拼装成若干吊装单元, 然后采用分块吊装的方法施工。结合施工场地条件、分片质量及起吊、落位的受力状态, 将内外网壳吊装单元依次划分。利用AutoCAD辅助自定义UCS进行拼装坐标转换, 组装胎架制作, 根据各球区面的鼓节点坐标点放样出相对于地面的投影, 然后制作相应胎架 (见图5) 。由于弦向杆件长度不同, 每3个相邻标高层设置1组胎架, 每组同种规格胎架制作2个, 共设置8组。

根据《空间网格结构技术规程》中规定:空间网格结构宜在拼装胎架上进行小拼, 保证小拼单元形状和尺寸的准确性。小拼单元的允许偏差应符合表1规定。

1) 外球结构球壳的监测以球心 (-6 500, 0, 29 000) 为基准点。每个节点准确坐标点按照设计院提供的图纸用全站仪进行定位。

2) 构件的定位优先采用全站仪直接架设在控制点上进行三维坐标的测定, 也可由水准仪对标高、全站仪对平面坐标进行共同控制。

3) 球壳对支座的多层支座标高控制在±2mm, 半径偏差均控制在±2mm。重点控制环形构件的半径和节点坐标在允许范围内。

1) 根据GB50017—2017《钢结构设计标准》中规定, 为改善外观和使用条件, 可将横向受力构件预先起拱, 一般为恒荷载标准值加1/2活荷载标准值所产生的挠度值。首先利用SAP2000, MIDAS/Gen进行球体结构模型验算, 计算预起拱值, 然后再进行施工过程模拟验算, 用以控制过程变形及安全, 如图6所示。

2) 本施工方法为逐层环形施工, 控制顶环标高及环形半径, 每施工1个封闭环都要进行测量。

3) 网壳分片组装胎架控制, 控制点为鼓节点, 在拼接及焊接过程中控制单片构件的拼装精度, 焊接完成后, 复测弦长及对角长度, 将误差在拼装单元时消除, 防止累积误差出现。

4) 在分片组装过程中, 分区段控制, 把环形圆以球心为定位水平分为8个等分点, 分别控制八等分线的闭合节点, 区域内的误差在闭合处消除, 防止分片组装时的累积误差出现。

首先根据业主提供的总控制点建立场区平面坐标控制点、标高控制点、网壳球平面控制点, 并做好复测和监测点保护, 如图7所示。

标高11.500～27.500m只有半球, 首先对标高11.500m的31个支座标高进行调整, 支座标高的调整利用精密水准仪进行控制。整体标高控制在 ±2mm。测量控制点定位在支座点圆管的上表面, 保证31个点的高度位置和水平位置符合设计和规范要求, 如图8所示。

网壳在分片安装过程控制中, 主要控制分片网壳的周边4个定位鼓形节点坐标, 如图9所示;由于鼓均有向心性, 所有定位坐标要进行二次转换, 计算出鼓两端封板的中心坐标。

杆件下料相贯线切割采用北京林克曼5轴联动数控切割机, 确定杆件精度。

根据本结构特点制定焊接工艺评定试验, 根据试验和长期工作经验值, 弦杆每段一般放焊接收缩余量3～5mm, 对腹杆等杆件放焊接收缩余量1mm。壁厚<16mm的杆件每个对接口预留1.5mm, >16mm的杆件预留2.5mm的长度补偿。

在组装焊接完成后测量核校分片网壳4个定位鼓的坐标, 每片网壳精度控制在2mm, 消除误差积累。

在垂直方向吊装安装时进行标高控制, 平面封闭环, 等距八等分监控;在安装过程中每片网壳四角定位, 片与片间补充杆件消除误差, 安装至八等分闭合节点处再次定位, 消除误差积累。

本文通过对商丘文化艺术中心具有特殊性的向心性网壳球杆件与鼓形节点现场拼装、安装测量精度控制措施进行总结, 为后续类似工程的施工提供可靠、可借鉴的经验及思路。