超大平面复杂空间曲面钢网格屋盖施工设计与控制技术研究
0 引言
大跨空间结构具有跨越能力强、结构刚度大等优点, 在公共建筑领域应用广泛
1 大跨空间结构施工卸载合龙技术
大跨空间结构根据结构形式、工程体量、施工条件选择合理的卸载合龙方案。国内外数10个典型大跨空间结构的结构形式与最终选择的卸载合龙方案分析如表1所示。表1中除序号4以外的绝大多数大跨空间结构选择了先整体安装合龙然后整体卸载的方案;序号4“深圳湾体育中心屋盖”选择了安装完成后部分卸载、保留合龙边界支撑, 合龙后再二次卸载的方案。考虑结构形式, 桁架结构一般为分区卸载;网架网壳结构由于整体性更强, 倾向于整体 (分步) 卸载。表1中所有大跨空间结构均选择在完成整体安装或嵌补合龙后再卸载, 以保证合龙时的拼接精度, 但普遍具有卸载面积大、卸载量差异大等特点。
大跨空间结构卸载合龙方案的选择关系到结构施工安全与最终受力状态, 施工卸载合龙方案设计中需考虑的因素可分为:与结构受力相关的因素 (A类) 、与结构施工措施和施工管理相关的因素 (B类) 。卸载合龙方法应保证施工过程中结构受力处于合理范围内、成型结构受力接近于设计状态, 降低作业风险, 取得成本与工期平衡。
本文以北京大兴国际机场航站楼核心区钢结构屋盖施工为工程背景, 进行超大平面复杂空间曲面钢网格结构施工设计与控制技术研究, 提出以施工卸载合龙关键技术为核心的施工设计、控制方法。
2 工程概况
北京大兴国际机场航站楼及综合换乘中心建筑面积80万m2, 是世界规模最大的单体机场航站楼之一。航站楼整体呈放射状“凤凰”造型, 核心区屋盖钢结构造型复杂, 由支撑钢结构 (C型支撑、支撑筒、支撑柱、门头柱和幕墙结构体系) 及上部钢屋盖钢结构2大部分组成。上部钢屋盖钢结构为不规则曲面球节点双向交叉桁架结构。整个核心区屋盖依条形天窗为界共分为7个区 (见图1) 。
与其他机场航站楼钢结构屋盖或公共建筑屋盖相比, 北京大兴国际机场航站楼核心区屋盖在平面2个方向超长、超宽 (钢结构长、宽方向无缝长度分别为568, 455m) , 投影面积达18万m2, 导致工程无法采用单向分段、只能采用双向分区的施工方案, 卸载合龙施工具有如下难点: (1) 屋盖结构覆盖面积大、悬挑大、支撑体系少, 结构柱间距达到180m以上, 传统卸载合龙方案将耗用大量临时支撑, 严重影响工期与造价, 造成资源浪费; (2) 各分区间天窗结构刚度相对较小, 整体卸载时将承受较大内力; (3) 整体施工时日照、焊接等作用产生的温度效应对结构受力影响明显。
表1 典型大跨空间结构施工卸载合龙技术方案
Table 1 Typical long-span spatial structures technical schemes of construction unloading closure
图1 核心区屋盖分区及边缘临时支撑位置
Fig.1 Partition of core-area roof zoning
鉴于上述特点, 需研究优化、高效的卸载合龙方案。
3 卸载合龙方案比选与确定
常用大跨空间结构卸载合龙方案为整体施工、统一卸载。而对双向超长超宽、面积超大的本项目而言, 采用各分区分别安装、分别卸载, 最后再合龙的方案将明显优化临时支撑布置、减少工序依赖、减小温度效应、节约造价并缩短工期。
由前述可知, 已有工程 (表1中序号4) 采用了分区部分卸载、保留合龙带边界支撑, 合龙完成后整体卸载的方案, 其主要目的在于控制合龙时的错边误差与合龙精度。对于北京大兴国际机场航站楼核心区屋盖, 整体结构超长超宽、面积超大, 每个分区的体量也不少。除中央天窗C4分区以外, 其他6个分区的长、宽均>150m。如果在卸载时保留分区边缘的临时支撑, 这些临时支撑需要承受由其他支撑卸载转移的竖向荷载, 给临时支撑的稳定性带来巨大考验;同时, 合龙带结构安装完成、合龙完毕后卸载临时支撑, 将导致相对刚度较弱的合龙带结构承受较大荷载, 整体结构的受力发生突变。上述问题均需通过定量分析予以研究。
3.1 卸载合龙方案对比
1) 方案A除C4分区以外的6个分区分别独立安装、卸载, 卸载时不保留分区边缘临时支撑;卸载后安装各分区间的条形天窗与C4分区中心天窗, 最后卸载中心天窗临时支撑。
2) 方案B除C4分区以外的6个分区分别独立安装、卸载, 卸载时保留分区边缘临时支撑;卸载后安装各分区间的条形天窗与C4分区中心天窗, 最后卸载分区边缘与中心天窗临时支撑。
分区边缘临时支撑位置如图1所示。
3.2 有限元分析参数设置
采用有限元仿真计算进行对比分析。使用Midas Gen分析软件模拟屋盖钢结构施工卸载合龙全过程, 主要参数设置如下。
1) 单元类型网格结构杆件采用杆单元模拟, 球节点自重折入杆单元。
2) 荷载根据实际情况, 仅考虑网架主体结构自重, 不考虑檩条等的荷载;临时支撑卸载与合龙等工况要求在<5级风的情况下作业, 此时屋盖钢结构与结构柱已完成连接, 不考虑风荷载影响。
3) 荷载组合根据GB 50009—2011《建筑结构荷载规范》, 对提升施工中的结构强度和刚度分别采用基本组合 (荷载分项系数取1.35) 和标准组合进行验算。
3.3 有限元分析结果
1) A, B方案对分区卸载受力影响采用2种方案分区卸载后分区结构有限元分析结果如表2所示, 表中x, y坐标轴方向分别为图1中由左至右、由下至上的方向, z向为竖向。6个主要分区两两对称, 取对称的一半结构进行分析。结果表明:采用方案A卸载, 构件中应力比>0.85的杆件数明显少于方案B, 大应力比构件数少、施工过程中杆件发生变形的可能性更小;同时, 由于方案A撤走了包括分区边缘临时支撑在内的所有临时支撑, 分区结构的z (竖) 向挠度相对较大。
表2 2种卸载方案分区结构受力情况
Table 2 Stress condition of partition structure under two unloading schemes
以C1-2分区为例, 2种方案分区卸载后大应力比杆件分布如图2中矩形框所示。方案A中大应力比杆件位于受力较大的C型柱与屋盖连接处, 与结构正常受力阶段传力模式较为符合;方案B中大应力比杆件大量分布于保留的合龙带临时支撑附近, 该位置非结构主要受力部位, 保留的支撑作为支承点对结构体系传力影响较大, 支撑附近杆件形成薄弱部位, 改变了结构原有的传力路径。如采用方案B, 需对薄弱部分结构进行加强。
2) A, B方案临时支撑轴力方案B的临时支撑轴力在分区卸载前后变化极大, 卸载后将承受较大的屋盖荷载, 对支撑刚度与承载力要求高。以C1-2分区为例, 采用方案B, 分区卸载前后临时支撑受力变化如表3所示, 表3中各临时支撑编号如图3所示。临时支撑竖向轴力在卸载后平均增大至1.10倍, 在安装合龙带结构后平均增大至1.18倍, 有3个临时支撑轴力增大超过1.50倍, 最大达1.84倍。支撑轴力增加过大, 施工作业安全风险大大增加。
图2 2种方案分区卸载后C1-2区大应力比杆件分布
Fig.2 Distribution of bars with large stress ratio of two schemes of partition unloading
图3 C1-2分区临时支撑位置与编号
Fig.3 Temporary supports location and numbers of C1-2 zone
3) 条形天窗 (合龙带结构) 安装卸载后的受力
方案A中条形天窗 (合龙带结构) 安装在各分区结构完全卸载后进行, 条形天窗结构未参与卸载过程整体结构受力, 因此安装完成后自身应力水平较低;方案B中条形天窗在分区边缘临时支撑卸载前已安装, 第2次卸载 (分区边缘临时支撑卸载) 中条形天窗与整体结构共同受力, 卸载后天窗结构将承受较大内力。由于屋盖结构支撑体系布置不规则, 方案A与方案B在分区卸载后, C1-1与C1-2区边缘网架均会出现反挠, 增加施工风险。相比而言, 方案B所带来的局部反挠比方案A更加严重, 如图4所示。
图4 2种方案C1-2区卸载后边缘反挠
Fig.4 Edge deflection of two schemes of partition unloading
4) 结构最终受力状态计算结果表明, 2种施工方案最终受力状态接近, 采用方案A的结构受力更均匀、大应力比杆件相对更少 (应力比>0.85的杆件方案A共80个, 方案B共124个) , 但方案A的最大挠度略大于方案B (最大挠度分别为-157, -109mm) 。
3.4 卸载合龙方案确定
将2种卸载合龙施工方案的主要参数进行对比, 结果如表4所示。
表4 2种卸载合龙方案比较
Table 4 Comparison of two unloading closure schemes
综合结构受力、施工措施与施工管理等多个方面, 方案A拥有较大优势, 作为本项目核心区屋盖卸载合龙方案。
表3 方案B C1-2分区卸载前后临时支撑受力变化
Table 3 Force variation of temporary supports before and after unloading
由于方案A在分区卸载后合龙带两侧网格结构没有临时支撑, 施工过程应对合龙带两边球节点的错边误差等风险点进行重点控制。因此, 提出基于变形协调的超大平面复杂空间曲面钢网格结构的施工设计与施工控制方法, 实现对施工卸载合龙等关键步骤的可靠实施。
4 施工设计方法
施工设计围绕卸载合龙方案展开, 主要参数为空间网格结构各节点变形预调值。大兴国际机场航站楼核心区屋盖重要施工步骤包括:分块安装、分区合龙、分区卸载、合龙带安装、合龙完毕, 通过基于Midas Gen的施工过程有限元分析, 遵守变形协调基本原则, 正向计算得到主体结构施工卸载完成后变形值, 据此设定预起拱值, 倒装迭代调整预起拱并得到重要施工阶段结构位形。结构深化设计、杆件下料与加工等完全按照起拱模型进行。针对条形天窗结构, 由于卸载合龙采用了方案A“分区全部卸载后安装合龙”的施工方法, 分区卸载后合龙带挠度较大, 因此, 根据模拟计算的分区卸载后分区边缘变形情况, 对合龙带杆件进行长度修正后再加工制作。
5 施工控制方法
施工控制的核心是步步精确控制结构安装精度与变形, 各重要施工步骤的控制目标是由施工设计得到重要结构位形, 包括分块安装提升位形、分区合龙提升位形、分区卸载结束位形、合龙位形等。在地面分块拼装阶段, 根据起拱后图纸确定每个下弦球心三维坐标、根据下弦杆的管径划地样线用以辅助定位, 根据预起拱要求精确安装小合龙单元, 嵌补后完成分块拼装。每个施工分块拼装步骤为:网架拼装分块下弦球球心测量放样→划地样线→设置拼装胎架→小合龙单元上胎架→嵌补杆安装, 重复前述步骤直至拼装完成。在累积提升合龙阶段, 通过高精度测量与精细提升控制实现精确控制。测量手段结合传统测量技术与新型测量技术, 传统精细测量技术包括基于全站仪节点位移监测技术、基于振弦传感器关键构件应力应变监测技术, 新型测量技术包括三维激光扫描测量技术、无人机施工监控技术。
施工控制与施工设计的关系如图5所示。在确定卸载合龙方案、重要施工步骤后, 施工设计倒装分析得到各阶段结构位形;施工过程中, 对结构各重要施工步后的结构位形进行严格控制, 步步调整实现最终位形控制。施工设计与施工控制方法的基本原则均为变形协调。
图5 施工设计与施工控制
Fig.5 Construction design and construction control
6 施工效果分析
6.1 应力应变监测
以C2-1分区整体卸载监测为例。卸载过程中某根位于吊点下的杆件F的应力曲线如图6所示, 杆件中点于4分点位置安装4个振弦式应变传感器, 监测周期从2017年6月22日起至2017年6月29日结束。该测杆为吊点位置正下方竖杆, 卸载前一直受悬吊, 有较大拉应力 (拉正压负) , 6月28日上午卸载过程中原拉力消除, 应力变化明显。C2-1分区1号分块的6根关键杆件在6月28日卸载过程实测与有限元计算应力变化如表5所示。监测值取4个传感器测量平均值、有限元计算值取杆件表面4分点应力平均值。实测杆件应力增量与有限元计算应力增量相比, 大应力杆件相对误差较小 (F杆相对误差为5%) 、小应力杆件存在一定相对误差, 但绝对误差不大。总而言之, 应力应变监测对施工过程大应力比杆件的监测较为可靠, 验证了有限元施工过程模拟与施工控制方法的有效性。
表5 C2-1分区1号分块关键杆件实测应力增量与有限元计算应力增量对比
Table 5 Increment comparison of measured stress with calculated stress by finite element method
图6 杆件F应力监测
Fig.6 Stress monitoring of bar F
6.2 合龙精度测量
合龙带总长度达2 570m, 合龙对接口数量1 836个。通过严格进行位形控制, 实现变形协调, 落实既定“分区安装, 分区卸载, 变形协调, 总体合龙”的卸载合龙方案, 最终测量结果表明:合龙的焊接间隙在10mm内, 错边在2mm内。在分区卸载全部拆除合龙带临时支撑的情况下, 通过采取可靠的施工控制措施, 成功实现合龙误差有效控制。
7 结语
北京大兴国际机场航站楼核心区屋盖在大跨空间钢结构施工领域首次采用了“分区安装, 分区卸载, 变形协调, 总体合龙”的卸载合龙方案。与整体安装、合龙、卸载的方案相比, 新方案具有提升临时支撑周转效率、合龙结构受力小、温度效应小等优势;同时, 由于分块卸载过程不保留合龙带临时支撑, 新方案具有施工过程结构受力更均匀、避免合龙带临时支撑轴力增量过大、卸载后分区边缘的反挠小、结构最终受力均匀等优势。采用可靠的施工设计与施工控制方法, 实现了高精度的结构安装。施工监测结果表明, 应力应变监测对施工过程大应力比杆件的监测较为可靠, 验证了有限元施工过程模拟与施工控制方法的有效性;合龙焊接间隙在10mm内, 错边在2mm内, 合龙精度测量结果进一步验证了施工设计与施工控制方法的有效性。
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