连云港工业展览中心钢结构施工技术

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  【摘 要】 连云港工业展览中心分为四个展厅和一个会议中心,基础为钢筋混凝土框架结构,±0.000以上为大跨度平面钢桁架结构,结构跨度大,技术要求高,施工难度非常大。本文重点介绍了大跨度平面钢桁架安装精度控制技术、大吨位超长构件吊装技术、孤岛型结构吊车上楼面施工作业技术的应用等施工工艺。
  【关键词】 大跨度;平面钢桁架;吊装;精度控制;施工设计一体化;临时固定;楼面作业
  前言:
  近年来,国内会展业得到空前的发展,会展类公共建筑绝大多数采用钢结构建造,建筑造型大多追求新颖独特,空间跨度大,技术要求越来越高,施工难度越来越大,再加上建设单位大多希望早日竣工启用,施工工期往往特别短。连云港工业展览中心钢结构工程,就是会展类公共建筑中的典型代表之一。
  1 工程概况
  本工程位于江苏省连云港开发区,花果山大道东侧,盐坨西路南侧。项目用地面积152937平方米,建筑面积约85400平方米,地上面积约80000平方米,地下面积约5400平方米。地下一层,地上两层,局部三层,建筑高度18米;建筑为多层建筑,耐火等级为一级,地下室耐火等级为一级。项目建成后拥有2000个国际性标准展位,主要功能以展览、会议为主,兼顾与展览会议有关的展示、演出、表演等功能及各設备机房等,项目总投资6.5亿元,总用钢量约16000吨(如图1)。
  2 结构概况
  2.1展厅结构概况
  本工程有四座展厅,首层以上均为全钢结构,屋面结构采用大跨度平面H型钢桁架,最大跨度65.8米,结构顶标高16.75米。结构呈规则的矩形状,采用9mX12m的柱网,单侧均采用双柱支托屋面桁架,形成可控而高效的结构体系。屋顶主桁架横向布置,次桁架纵向布置,交错成井字网格状,弦腹杆采用H型截面钢梁组拼,桁架截面高度为3米,弦杆最大截面为H400X550X16X50,材质为Q345B。每个展厅有11榀主桁架,110榀次桁架,单个展厅用钢量约2000吨。
  2.2会议中心结构概况
  会议中心为地下一层,地上两层,局部三层结构,地下室顶板为钢筋混凝土楼板,二层以上均为钢结构楼面,为单层大跨结构,最大桁架跨度约为60m,最大悬挑为8.5m,屋顶采用钢桁架结构体系,除部分桁架的主弦杆采用矩形管外,其它桁架的弦杆和腹杆均采用H型截面。会议中心亦结构呈规则的矩形状,采用9mX12m的柱网,单侧均采用双柱支托屋面桁架,共130根钢柱,一层标高以下均为劲性柱,最大截面尺寸有□1200×800×40×40。屋顶主桁架横向布置,次桁架纵向布置,交错成井字网格状,钢桁架为平面形式,截面高度最大为3.4米,弦杆最大截面为□600×600×40和H500×500×16×25,共有102榀主桁架。主桁架之间采用钢梁和水平支撑连接,钢梁最大跨度15米,最大截面尺寸为H1000×400×25×40,水平支撑为直径50的钢拉杆,会议中心总用钢量约8000吨。
  3 工程特点、难点
  3.1施工作业面广,工程量大,工期紧,施工组织难度大
  本工程施工作业面面广,结构总投影面积有约6万多平方;工程量大,共有约18000吨钢结构;构件数量庞大,每个展厅约2000吨,钢柱79根,约420吨,钢梁及支撑等共约437件,约715吨,钢桁架11榀,长度85米,最大跨度65.8米,约865吨,四个展厅共计约8000吨;会议中心约8000吨,其中钢柱130根,约2171吨,钢梁及支撑等约2502件,约2811吨,钢桁架共96榀,约1931吨其它零星构件约1000吨。本工程施工工期非常紧张,四个展厅的安装工期仅一个月左右,会议中心的安装工期也仅只有2个月时间。“两大一紧”,造成施工组织难度非常大,对施工单位的管理也是个严峻的考验。
  3.2会议中心处于孤岛状态,施工设备受限,施工难度较大
  由于地下室施工时,西面广场和场内道路已经由市政单位施工完成,为了加强对施工成品的保护,西面广场和场内道路禁止开行大型起重设备和堆放施工材料和构件,不能作为施工场地和道路使用;同时,南北两侧的展厅都已经施工完成,无法在跨外进行结构吊装,施工难度非常大。
  3.3大吨位超长构件吊装难度大
  本工程展厅最大跨度65.8米,主桁架分段后重量最重为40吨,长度为46米,在施工过程中如何保证构件的平面内刚性,又能提高吊装效率,是本工程的施工的一大难点。
  4 安装整体思路
  4.1施工条件分析
  钢结构施工时,正值土建出发层以上混凝土柱施工,出发层以下包括地下室部分支模架和模板拆除,大量的脚手管、扣件、模板和木方需要清退、整理,需要大量的场地,与钢结构施工正相矛盾。A2主楼的土建施工与A1副楼、高架桥是同步施工,造成主楼处于孤岛位置,同时土建施工又占用了大量的地面场地,钢结构施工难以开展。
  4.2安装整体思路
  针对考虑本工程的结构状况,结合施工现场的实际情况,以及安全、质量、工期的目标要求,确定展厅主桁架利用大型履带吊车在跨外进行吊装,其余结构利用16吨汽车吊上展厅架空层楼面进行吊装;会议中心钢结构全部采用汽车吊装上地下室顶板进行吊装的方案,具体如下:
  1)展厅屋面桁架以下部分:钢结构箱型框架柱采用50T履带吊进行跨外安装,楼层H型主次钢梁采用25T汽车吊进行跨外安装。
  2)展厅屋面桁架部分:主桁架分两段(长端46米,重40T;短端38米,重33T)进行跨外吊装,采用350T履带吊进行吊装;次桁架和屋面檩条采用16T汽车吊进入±0.000架空层楼面进行吊装。
  3)会议中心屋面桁架部分:结构吊装采用汽车吊上地下室楼面进行跨内吊装的方法。利用25吨汽车吊和50吨汽车吊进行钢柱吊装,并将双柱之间的钢梁安装焊接完,保证钢柱连接成局部稳定结构。吊装方法根据构件重量和长度选择单机吊装或者双机抬吊。桁架连梁、水平支撑和檩条等次构件采用25吨汽车吊开行到楼面上直接进行吊装。   4)会议中心屋面桁架以下部分:采用25吨汽车吊和50吨汽车吊开行到楼面上直接进行钢梁吊装。
  5 关键施工技术
  5.1大跨度平面钢桁架安装精度控制技术
  1)利用施工工序改善结构受力性能的设计施工一体化技术
  本工程桁架采用成品球铰支座固定在下部框架柱顶(如图2),施工时采取对于2和11轴线上部支座待桁架卸载变形后再固定焊接的方案。方案使桁架先简支梁受力再连续梁受力,即在桁架自重受力时,相当于仅3、10轴线支撑的简支梁,而后续檩条、屋面、雪、风等荷载作用时,才是4个轴线柱都支撑的连续梁。
  根据测算,使用本技术后跟原设计相比,2、11轴线受拉钢柱拉力和3、10轴线受压柱压力均减少了约40%。桁架支座位置受力峰值大大减小,结构整体安全性能提高约10%。采用设计施工一体化技术方案后,结构计算最大应力比为0.66(如图3),跟原方案结构应力比0.75相比,整体安全性能提高约10%。
  此种方式利用了简支梁和连续梁各自受力的优点,互补了各自受力弊端,使结构受力重新分配,桁架支座位置和跨中位置受力均衡,提高了结构的承载能力,同时也降低了施工内应力,降低了因变形产生的对结构精度的影响。
  2)结构临时固定加强技术
  钢桁架吊装前钢柱必须吊装焊接完成,钢柱周边的连接钢梁必须吊装焊接完成,整个钢柱已经形成了一个稳定的框架体系。钢桁架吊装后,桁架上用四道直径16的钢丝绳作为缆风绳,通过3吨手动葫芦与地锚连接拉紧,同时将一端搁置在临时支撑架上的桁架上弦杆用两根直径140的钢管作为斜向支撑,支撑在临时支撑架的转换平台上(如图4)。与钢柱连接的另一端同样用两根直径140的钢管作为斜向支撑,支撑在柱顶的连接钢梁上,同时将可以焊接的球型钢支座与柱顶焊接牢固后松钩(如图5)。依照同样的方法安装完成相邻的两榀桁架后,随即将此桁架或者连接钢梁安装完成,已形成稳定的空间小单元,再依照吊装的推进,将稳定的空间小单元不断扩大,增强结构的安全稳定性。
  3)利用全站仪坐标测量定位法,对结构进行定位和监测
  利用全站仪重点控制预埋件、钢柱和钢梁的施工定位精度,上道工序完成后及时复核,对施工误差进行随时进行纠偏。施工卸载过程中,对主体结构进行变形监测,并形成文字记录。
  5.2大吨位超长构件吊装技术
  大吨位超长构件的吊装技术主要是体现在吊装吊具的使用上。在吊具的选择上,采用钢丝绳、定滑轮、手动葫芦组合成四点吊装的吊具体系(图6)。定滑轮的设置位置,在整个吊索高度的1/3处,这样适当增大定滑轮上钢丝绳的与水平面的夹角,降低钢丝绳的水平分力减少内应力的产生。同时,定滑轮可以平衡各点之间的受力,让每条钢丝绳的受力基本相等。
  由于定滑轮是活动的,脱钩后在起钩的过程中钢丝绳会滑动,会造成钢丝绳滑出定滑轮。为了保证吊具安全脱钩,在没有手动葫芦的一侧,摘钩后,将钢丝绳的两个端头串联起来,保证起钩后钢丝绳不能滑出定滑轮;在有手动葫芦的一侧,由于手动葫芦重量重,摘钩后起钩会造成手动葫芦下坠,与钢桁架发生碰撞,造成葫芦损伤,对高空作业人员造成安全隐患。因此,在吊钩上增加一根独立钢丝绳,在脱钩后,将手动葫芦挂在独立钢丝绳上,将手动葫芦吊起,这样就不会产生钢丝绳和葫芦一起滑动的现象。
  由于定滑轮是活动的,脱钩后在起钩的过程中钢丝绳会滑动,会造成钢丝绳滑出定滑轮。为了保证吊具安全脱钩,在没有手动葫芦的一侧,摘钩后,将钢丝绳的两个端头串联起来,保证起钩后钢丝绳不能滑出定滑轮;在有手动葫芦的一侧,由于手动葫芦重量重,摘钩后起钩会造成手动葫芦下坠,与钢桁架发生碰撞,造成葫芦损伤,对高空作业人员造成安全隐患。因此,在吊钩上增加一根独立钢丝绳,在脱钩后,将手动葫芦挂在独立钢丝绳上,将手动葫芦吊起,这样就不会产生钢丝绳和葫芦一起滑动的现象(图7)。
  5.3孤岛型结构吊车上楼面施工作业技术应用
  1)根据拟选用的吊车性能,计算出吊车的轮压等基本参数,按照结构梁、板实际规格,对楼面的承载力采用MidasGen建立混凝土结构整体模型进行荷载效应分析。一般要对吊车在行驶状态下和吊装状态下分别对楼面结构产生的影响进行分析计算。行驶状态下考虑板作为最不利研究对象,分别对楼板的抗弯、抗剪、抗冲切承载能力进行分析验算;吊装状态下考虑最小次梁作为最不利研究对象,对次梁的抗弯、抗剪、抗扭承载能力进行分析验算。
  2)在吊车上楼面施工前后浇带最好施工完成,如果实在不能完成,必须对后浇带进行脚手架加固处理,处理方案必须通过计算,满足要求。
  3)如果楼面在计算后难以满足要求的情况下,也可以采取对下部混凝土梁进行回顶加固的办法,提高它的承载能力,实现受力要求,具体情况要从安全、成本、工期等多方面综合考虑。
  4)会议中心地下室顶板承载能力较大,通过计算机仿真计算分析,不考虑地下室顶板进行回顶加固而直接上吊车作业。但是局部区域仍有部分砼梁不能50吨汽车吊施工的要求,在土建施工过程中对不满足要求的砼梁增加了配筋。
  5)在楼面上按照计算的区域,划定严格的吊车开行路线,并作醒目标记。对吊装停车部位的钢梁进行标定,并用1500X1500大小的路基箱作垫腿,将支腿力传递至砼梁上。
  6 结束语
  连云港工业展览中心工程量大,工期非常紧张,技术要求高,施工场地条件复杂,多专业、多工种之间的施工交叉作业多,施工难度非常大。通过对本工程的顺利实施,积累了非常宝贵的经验,为以后的类似工程的实施打下了基础。
  参考文献:
  [1]北京鋼铁设计研究总院,GB50017-2003钢结构设计规范,北京:中国计划出版社,2003
  [2]中国钢结构协会,建筑钢结构施工手册,北京:中国计划出版社,2002
  [3]中华人民共和国住房和城乡建设部,GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范,中国计划出版社,2002
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