某厂房位于我国西北某地, 建筑面积约3.2万m², 厂房大门高85m, 宽105m。厂房结构如图1所示, 网壳结构, 外围为彩钢板。钢结构网壳长280m, 宽150m, 高120m。标高28.000m以下部分为圆管桁架结构, 采用插入式柱脚;标高28.000m以上, 75.000m以下为平板网架结构, 平板网架倾角为7°;标高64.237m以上为弧形网壳, 正放四角锥焊接球形节点, 网格基本尺寸为6m×6m。大门结构如图2所示, 门框结构顶标高120.000m, 85.000m标高以下为双层网架;85.000m标高处设置门顶桁架梁, 外挑20.2m;门顶桁架梁至拱顶区域为门头网架, 主要钢材材质均为Q345C。

1) 网壳结构长280m, 为全焊接连接钢结构, 在安装过程中由于焊接、温度等因素产生结构附加应力会造成安装精度的偏差。

2) 屋盖拱形结构安装标高120m, 平面投影尺寸约280m×150m。在此高度安装钢结构与屋面板, 其施工安全、施工进度和施工质量较难保证。

3) 结构屋顶为弧形造型, 立面结构倾斜7°, 结构施工分区影响大;结构矢高大, 水平变形大, 在施工过程如何控制网壳的水平变形是整个施工过程顺利实施的关键。

4) 钢结构网壳安装过程中, 受风荷载作用影响大, 合理的支撑系统设计与施工方案选择至关重要。

为了提高施工安全, 降低施工临时措施费, 最终确定了网壳结构外扩累积提升的总体施工思路。厂房结构整体轴线尺寸, 考虑到长度较长, 外扩提升施工时在平面上将其分成2个分区先后进行施工。施工一区范围为, 区域平面轴线尺寸138.5m×150m;施工二区范围为, 区域平面轴线尺寸138.5m×150m。2个分区中间3m距离为钢结构后补杆件, 作为施工合龙缝 (见图3) 。

在平面分区基础上, 2个平面分区在外扩提升施工过程中, 钢结构立面根据高度不同均分成6个提升单元和1个吊装单元 (见图4) 。提升1单元在拼装平台上拼装完成, 然后利用液压千斤顶提升一定高度, 进行提升2单元的拼装, 提升2单元拼装完成后, 网壳整体落位在马凳上, 马凳布置如图5所示, 然后把提升支架拆除, 安装至提升2单元提升吊点处, 将提升单元1, 2整体提升一定高度, 然后进行提升3单元的施工。按照以上施工方法, 依次完成提升1~6单元的提升, 吊装单元最后采用分块吊装的方法直接安装到位, 在提升过程中对于提升单元1, 2和3的屋面进行提升。为了控制每次单元提升时结构水平变形, 利用水平张拉系统调整网壳水平位移以满足设计的要求。

每个分块单元地面拼装后进行吊装对接。综合考虑被提升结构的受力及变形, 提升过程中的稳定性及液压提升同步控制、提升就位后的对接, 杆件的后装, 经济效益等方面的因素, 设计了2排格构式提升支撑架, 每个提升支撑架两侧设置2个提升点。每隔一个轴线设置2个提升点, 提升点设在上弦节点处, 施工一区第1次提升吊点如图6所示, 一区提升参数如表1所示。

由于外扩累积提升每次提升质量增大, 大门处与山墙附近提升点提升质量比其他提升点大, 因此设计了3种上提升吊点与3种下提升吊点, 图7为下提升吊点连接2个立面的示意。

对最大提升反力处的上、下提升点结构进行校核, 提升点取所有提升反力最大值2 840k N。上吊点最大等效应力为170MPa;下吊点最大等效应力为218MPa, 均满足要求。

提升过程中, 被提升网壳结构的重心高于提升支架的顶标高, 随着外扩单元的增加, 被提升结构的重心随之提高, 且提升单元1, 2和3的屋面板需提前安装, 与钢结构一并提升, 为防止提升过程中突然的大风造成结构晃动甚至产生偏移, 采取柔性与刚性的限位措施, 构造如图8所示。

1) 提升过程中, 在跨度方向每个提升支撑架两主肢的侧面设置通长槽钢, 形成滑道。槽钢通过2块10mm厚钢板与钢柱焊接。设计2根351×20的钢管, 一端与结构焊接球焊接, 一端位于槽钢内, 该钢管端头设置四氟板便于滑动。

2) 提升到位后, 在分块网壳补装前, 采用马板将限位杆与提升支架焊接连接, 连成一个整体, 保证网架结构的稳定性。为防止纵向风荷载引起结构晃动或偏移, 采用2根钢管将提升球和提升架焊接连接。同时为防止风吸力造成结构和提升架产生较大变形, 上下方向也设置了限位措施:前2个单元提升到位后, 立即补装下一单元, 在最下面球节点上设置缆风绳, 与基础埋件连接并拉紧。后4个单元施工时, 每个单元提升到位后, 即补装下一单元网壳, 在最下面球节点上焊接钢管, 另一端与钢平台焊接。

除依靠网壳提升支架抵抗施工过程中的风荷载外, 在网架外围设置辅助抗风措施, 增加施工过程的安全性, 在结构的四面各设置2道缆风措施, 共计8道, 初始张拉力为50k N。

本工程厂房采用分区外扩累积提升施工过程中, 结构在自重作用下会产生向外的水平推力, 结构整体出现下挠。在提升单元提升时分别拉设拉索, 每个提升单元提升时均拉设8根拉索 (见图9) , 以抵消网壳提升时产生水平力与水平变形。

水平拉索采用提升器进行张拉与卸载, 整个过程最大索力1 530k N, 最小索力400k N;拉索采用多股钢绞线, 最小安全系数为3.0。拉索张拉前需要将与提升架相连的水平杆件拆除。拉索张拉分2个阶段, 提升前张拉到位, 网壳试提时再根据实测位移进行补张拉。完成下层索的张拉后, 再拆除上层索。安装到后期单元时, 由于拉索水平张拉力较大, 拉索受自重影响下挠较小, 故中间无需设置临时吊点。

根据提升施工过程中提升吊点的反力大小及提升高度的不同, 采用3种类型的提升支架 (见图10) 。考虑提升支撑作为多次提升支架, 类型一作为第1, 2次提升支架;类型二和类型三作为第3~6次提升支架, 其形状为梯形。因网壳提升到第3单元后, 整个结构的重心标高不断提高, 网壳结构的矢跨比不断增大, 并且本工程第1~3单元是带着金属屋面一起提升, 风压高度系数不断增大, 水平风荷载随之增大, 导致对支撑架 (抗侧力构件) 产生朝网壳外侧的水平推力增大, 故设计梯形支撑架增大底部的抗侧刚度, 保证结构整体稳定性。

为确保工程安全, 运用有限元软件ANSYS对提升支撑架的应力和变形情况进行了验算校核。提升支撑架在计算时选用beam188单元, 在千斤顶的支撑钢梁中心开孔处施加一垂直向下的集中力, 集中力大小为该提升点处最大支撑反力的大小, 在支撑架4个柱腿施加铰接约束。计算结果可知, 提升支撑架的最大等效应力为158MPa, 应力比为0.8, 均满足规范要求。

为了提高提升器与提升支架的周转效率, 厂房分2个施工区单独卸载, 施工一区提升到位后完成与插入式柱脚钢管的对接, 即可对施工一区进行单独卸载。卸载时, 先进行提升架同步卸载, 然后水平临时拉索拆除。施工二区与施工一区同样步骤进行。

为了降低温度荷载对结构的不利影响, 同时减少施工误差, 施工一区与施工二区分别安装到位后, 结构在瑐瑤~瑐瑥轴间进行合龙, 合龙温度 (20±3) ℃。合龙轴线上杆件数量较多, 通过温度对施工过程影响的仿真分析, 为了减小温度变化的影响, 分成3个阶段从上向下依次合龙 (见图11) 。

针对巨型厂房网壳结构的施工重难点, 采用外扩累积提升施工技术、合理地布置提升吊点, 实现了提升过程结构受力合理以及施工过程安全稳定;通过对被提升网壳结构设置水平拉索有效降低了提升时产生的水平力并对水平变形进行了有效控制, 通过合理地布置提升过程中柔性和刚性的抗风稳定措施大大减小了施工过程中网架的偏移, 提高了结构安全稳定性。