近年来网壳结构发展迅猛, 尤其是在大跨度体育、文化、展览以及现代城市综合体建筑中得到广泛应用。这种结构多呈现曲面美感, 适应各种不规则平面形状, 且空间三向受力, 受力合理, 结构整体刚度大、稳定性好、安全性高, 适合大跨度结构, 而且节约钢材, 饱受设计青睐。另外, 网壳结构构件一般在工厂加工, 工业化程度高, 现场组拼施工周期短, 综合经济效益较好。但在现场安装过程中, 对施工技术要求较高, 虽有传统的高空拼接、整体吊装等基本施工方法提供参考, 其实际工况仍需考虑较多因素, 进行施工模拟、精确计算, 以确保施工方案的安全、可靠、高效、适用。本文结合徐州苏宁广场项目中庭天井大跨度椭圆抛物面单层网壳结构施工, 进行系统梳理, 期望为网壳结构计算机数值模拟辅助施工提供借鉴。

徐州苏宁广场裙楼采光天井工程 (见图1) , 结构为单层矩形管网壳形式。网壳投影平面为椭圆形状, 长轴56.321m, 短轴37.388m, 矢高9.386m。网壳总重约99t, 周边支承于椭圆形的混凝土环梁上。网壳采用Q235B材质的矩形管相贯节点, 结构形式采用三角锥结构, 结构预埋件的上表面标高为22.100m。网壳结构最低点中心结构标高为22.675m, 最高点中心标高为32.061m。

此结构为椭圆抛物面空间异形单层网壳结构, 利用矩形管相贯线节点形成的空间三角锥结构, 空间曲面结构节点位置各不相同, 构件定位、组拼、焊接等实施均比较困难。传统的节点形式有焊接球节点、铸钢节点、焊接板式节点、毂节点等, 此类节点加工制作、施工相对困难, 且对整体建筑效果有一定影响。相贯节点能够很好地满足建筑设计造型, 且施工相对简化, 但构件加工深化较复杂、技术要求较高, 结构的刚度、整体稳定性相对弱势。综合上述各方面考虑, 利用Tekla进行网壳结构深化建模, 形成六向铰接焊接节点 (见图2) , 在工厂通过数控机床实现各不同节点相贯线的加工、编号, 运至现场进行组拼焊接作业, 确保网架结构节点可靠、稳定、美观大方、施工便捷。

网壳结构在施工过程中未形成整体的系统前, 其刚度和稳定性较差, 施工中需重点关注, 通常采取临时加固或支撑辅助施工, 以免产生过大变形、失稳破坏等。但往往大跨度、高空作业又限制了临时加固或支撑等条件, 所以满堂架支撑的高空散拼、整体地面拼装后吊装是主要施工方法。本例中, 中庭天井位置布置有悬挑扶梯以及观光电梯, 施工过程中受扶梯及观光电梯影响, 网壳相对应区域需进行后施工处理, 即在原结构上需临时开设多个不规则洞口, 将原有结构体系破坏, 使网壳结构原有的整体稳定性、刚度受较大影响, 施工中采取钢丝绳临时连接加固措施予以克服。

中庭天井网壳位于建筑中心位置, 周围为大面积标高不一的裙房结构, 且网壳投影区域首层处还存在楼板不规则开洞, 通过楼梯连接B1层下沉广场至首层, 可用场地环境较复杂且狭窄, 对常规的网壳施工方法提出了挑战, 也是多数网壳结构施工存在的通病, 必须根据现场实际, 有针对性地部署施工方案, 以克服现场诸多不利条件。

本工程网壳结构布置于中庭天井, 处于南北消防通道上空, 地面可用空间狭小, 结构异形且存在不规则开洞, 周圈为大面积4~6层裙房结构, 距结构外边缘最短直线距离为40m, 相邻屋面上分布大量小型号变标高天井以及出屋面电梯机房、风井等构筑物, 限制了整体吊装法和滑移法。另外, 此结构为矩形管六向相贯节点, 若采用分条或分块安装, 仍存在大量空中焊接作业且施工难度较大, 如不搭设操作架体同样不便施工;而且结构板承载力也限制了汽车式起重机选型, 错层结构也影响汽车式起重机站位, 故考虑满堂架散拼施工方案备选。在整体顶升与提升比选方面, 考虑地面结构的错层且高度较高, 选择整体提升方案作为备选。为此, 初步拟定高空散拼和整体提升2种备选方案。2种方案的对比分析如表1所示。

按照上述施工部署进行成本测算, 整体提升施工方法相较于高空散拼法节约成本10万余元, 缩短工期17d, 综合考虑选用整体提升法施工。

吊点布置的优劣直接关系结构提升过程的安全可靠、整体稳定及经济合理。具体的布置原则如下: (1) 吊点个数依据结构自重、提升设备的规格功率, 并结合吊平台设置方便与否尽量少布置, 以控制成本投入; (2) 吊点应尽量对称布置、受力合理, 选在受力最有利的部位, 接近结构的重心或对称中心, 避免提升过程受力状态与结构设计受力相差较大, 出现整体稳定性破坏。

本工程为对称结构, 对称布置吊点受力更加合理。初步考虑对称布置4吊点、6吊点、8吊点进行验算分析, 但受现场已有结构的影响, 在不完整的结构边缘仍需留置部分构件后施工, 使原本薄弱的大开洞网壳结构的整体稳定性、刚度进一步降低, 且网壳开洞也对吊点布置产生较大影响。通过建立有限元模型对3种吊点方案进行计算分析, 均处于不收敛状态, 判定为现有结构破坏了原设计结构的整体性, 提升时在提升点处杆件的内力变化很大, 出现了超应力现象, 同时也容易造成二次损害, 所以在提升点处增设钢丝绳水平拉撑, 来维系整个结构的稳定性。经再次验算, 4吊点和6吊点位移变形过大, 超出标准限制, 结果均不可信, 最终选定8吊点提升, 具体布置如图3所示。

1) 提升工况提升过程主要考虑结构自重及1.2倍的动力系数和1.25倍的不均匀提升系数, 结构计算模型如图4a所示, 构件内力及位移计算结果如图5所示。

2) 构件提升至预定位置 (高出设计标高50mm) , 安装后装杆件, 全部完成后计算完整结构受力状况 (仅考虑自重) , 结构计算模型如图4b所示, 构件内力及位移计算结果如图6所示。

从图5, 6所示轴力及位移云图, 以及表2、表3所示强度及整体稳定应力比可以看出, 轴力及位移均符合规范与设计要求, 对比提升过程和安装完成2种工况, 轴力变化较小, 位移变化明显下降, 验证了安装完成后的结构刚度、稳定性受开洞后施工杆件连接的影响, 强度与整体稳定应力比值均<1, 且应力比大多处于较小区域, 结构安全稳定可靠, 验证了方案的可行性, 满足施工需求。

1) 第1步在地面将网壳除后补结构外拼装为整体。利用支承网壳的环梁结构和裙房框架柱或梁设置提升平台, 安装液压同步提升系统以及临时措施, 如图7a所示。

2) 第2步调试液压同步提升系统, 液压提升系统采取分级加载的方法进行预加载, 即以设计提升力的20%, 40%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 100%的顺序依次加载, 直至网壳脱离地面并提升一定高度 (150mm) , 停止提升, 单点调整各提升吊点的标高, 使得钢网壳处于水平状态, 静载12h, 如图7b所示。

3) 第3步在确保同步提升系统设备、临时措施 (提升平台、下吊点、加固杆件等) 及永久结构安全的情况下, 继续同步提升。提升至距设计标高约200mm, 暂停提升, 测量网壳各对接口处的预装结构与网壳边缘的相对尺寸关系, 如不满足要求, 进行相应调整;降低液压提升速度, 使网壳更缓慢地逐步提升至设计标高, 并进行除吊点以外的后补杆件安装, 如图7c所示。

4) 第4步进行吊点位置的网壳对口焊接、后装杆件的安装, 网壳结构全部安装完毕, 重要部位探伤合格后, 再拆除临时措施及提升设备。具体拆除时, 必须在支座全部就位后对称拆除提升设备, 如图7d所示。

注意事项主要集中在网壳单元计算分析及拼装、基础及提升平台准备、试吊及网壳提升、后焊接及支座固定4个部分。网壳单元计算分析及拼装涉及结构深化设计、计算分析、吊点确定、钢丝绳验算、胎架设计及网壳拼装焊接;基础及提升平台准备主要包括预埋件施工、提升平台验算安装、基础复验等;试吊及网壳提升主要包括分级加载试吊、网壳提升至设计标高安装操作;后焊接及支座固定将网壳拼接完整并固定在支座上, 注意液压系统各吊点逐个卸荷。

本文结合徐州苏宁广场裙楼采光天井工程, 对常规的网壳安装方法进行归纳总结, 确定适用于本工程网壳结构的整体提升施工方法, 并通过数值模拟计算分析, 将方案进行可行性分析, 在吊点选择、应力应变分析、结构整体稳定性等方面均进行了验证, 均满足规范及设计要求。成功克服该工程椭圆抛物面异形网壳结构安装定位困难、空间受限影响网壳结构整体性以及狭小场地限制的诸多困难, 顺利实现该异形网壳结构的整体提升安装, 为类似工程提供参考。