大跨度空间钢结构综合安装技术要点.pdf
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1、1 大跨度空间钢结构综合安装技术 魏成权 广东省工业设备安装公司广州 510080 摘要:从上世纪末以来, 随着我国经济建设的蓬勃发展,建筑设计和施工技 术的进步,钢材冶炼技术的大幅度提高, 大跨度空间钢结构因其具有其它结构无 可比拟的优越性,在大型体育场馆、会展中心、候机厅、会堂、剧院、机库等大 型公共建筑及不同类型的工业建筑获得了广泛应用。本文介绍了大跨度空间钢结 构的常用几种安装方法。 1、大跨空间钢结构简介 1.1 大跨空间钢结构的分类 通常将空间结构按形式分为五大类, 即薄壳结构 ( 包括折板结构 ) 、 网架结构、 网壳结构、悬索结构和膜结构,称为五大空间结构。其中,膜结构可分为充
2、气膜 结构和支承膜结构, 前者又可分为气囊式膜结构(囊中气压为 37 个大气压,称 高压体系 )和气承式膜结构 ( 膜内气压 1003 个大气压左右, 称低压体系 ) ,后者 又可分为刚性支承膜结构(支承在刚度较大的如拱、梁、桁架、网架等支承结构 上,又称骨架式膜结构 ) 和柔性支撑膜结构 ( 支承在脊索、谷索、边索、桅杆等柔 度较大的支承结构上,又称张拉式膜结构) 。在五大空间结构的基础上,平板型 的网架结构和曲面型的网壳结构可合并总称为网格结构( 新的土木工程名词 已经正式推荐采用“空间构架”这一名词,相当于英文的Space Frame ,这里仍 根据习惯称为网格结构 ) ;而悬索结构与膜
3、结构也可合并总称为张拉结构。 1.2 大跨空间钢结构的优点 (1)钢材塑性韧性好。结构塑性好,使钢结构一般不会因为偶然超载或局 部超载而突然断裂破坏。 韧性好,则使钢结构对动力荷载的适应性较强,抗震性 能好。 (2)钢结构的重量轻。钢结构的容重虽然较大,单与其它建筑材料相比, 它的强度却高很多,因而当承受的荷载和条件相同时,钢结构要比其它结构轻, 便于运输和安装,并可跨越更大的跨度。重量轻,可减轻基础的负荷,降低地基 基础部分的造价,加快基础施工进度。重量轻,同时方便运输和吊装。 2 (3)钢材更接近于匀质和各向同性体。钢材的内部组织比较均匀,非常接 近匀质和各向同性体, 在一定的应力幅度内几
4、乎是完全弹性的。这些性能和力学 计算中的假定比较符合,所以钢结构的计算结果较符合实际的受力情况。 (4)钢结构制造简便,易于采用工业化生产,施工安装周期短。大量的钢 结构都在专业化的金属结构制造厂中制造;精确度高。制成的构件运到现场拼装, 采用螺栓连接,且结构轻,故施工方便,施工周期短。此外,已建成的钢结构也 易于拆卸、加固或改造。 (5)健康环保。干作业施工,减少废弃物对环境造成的污染,房屋钢结构 材料可 100% 回收,其他配套材料也可大部分回收,符合当前环保意识。所有材 料为绿色建材,满足生态环境要求,有利于健康,实现建筑绿色无污染。 2、大跨度钢结构主要施工技术 现代大跨度空间结构,体
5、系越来越新颖,型式越来越复杂、规模越来越大, 对施工技术也提出了越来越高的要求。对一个空间钢结构而言, 往往有多种可供 选择的施工方法,每一种施工方法都有其自身的特点和不同的适用范围。 2.1 高空散装法 在钢结构安装位置搭设临时支撑架, 将结构的全部杆件和节点 (或小拼单元) 直接在高空设计位置总拼成整体, 然后拆除临时支撑架的安装方法称为高空散装 法。高空散装法分为全支架法(即满堂脚手架)和悬挑法两种。全支架法多用于 散件拼装,而悬挑法则多用于小拼单元在高空总拼。该施工方法高空作业量大, 需要大量的支架材料和设备。 2.2 分条(分块)安装法 分条(分块)安装法又称小片安装法, 是指根据结
6、构形式从平面分割成若干 条状或块状单元, 安装时先在临时支撑点位置安装支撑架,同时在地面进行条状 或块状单元的组装, 然后分别用起重机械吊装至高空设计位置,再连成接各单元 块之间杆件直至拼装成整体,最后拆除时时支撑架。该方法由于条(块)状单元 大部分在地面焊接、拼装,高空作业少,有利于控制质量,并可省去大量的拼装 支架。其次,由于单元块的重量与现场现有的起重设备相适应,可利用现有的起 重设备吊装网架,有利于节约成本。 2.3 高空滑移法 3 将结构按条状单元分割, 然后把这些条状单元在建筑物预先铺设的滑移轨道 上由一端滑移到另一端, 就位后总拼成整体的方法称为高空滑移法。滑移轨道可 以是直线的
7、,也可以为弧线的。高空滑移法按其滑移形式可分下列两种方法: (1) 单条滑移法将条状单元一条一条地分别从一端滑移到另一端就位安装, 各条单元之间分别在高空再连接。即逐条滑移,逐条连成整体。 (2)逐条累计滑移法先将条状单元滑移一段距离后(能连接上第二条单元 的宽度即可), 连接上第二条单元后, 两条单元一起再滑移一段距离 (宽度同上), 再接第三条,三条又一起滑移一段距离如此循环操作直至接上最后一条单元 为止。 高空滑移法的主要优点是: 钢结构的滑移可与其他土建工程平行作业,而 使总工期缩短。 端部拼装支架可以利用已建的建筑物,以便空出更多的空间给 其他工程平行作业, 如果没有现成的支架, 可
8、以在一端设置宽度约大于两个节间 的拼装平台,条状单元在地面拼装后用起重机吊装到拼装平台,然后进行滑移。 设备简单、 成本低,不需大型起重设备, 特别在场地狭小或跨越其他结构而使 起重机等无法进入的情况下更为合适。 2.4 整体吊装法 整体吊装法是指将结构在地面总拼成整体,用起重设备将其吊装至设计标高 并固定的方法。 用整体吊装法安装空间钢结构时,可以就地与柱错位总拼或在场外总拼,此 法一般适用于焊接连接网架, 因此地面总拼易于保证焊接质量和几何尺寸的准确 性。其缺点是需要大型的起重设备,且对停机点的地耐力要求较高,同时会影响 土建的施工作业。 2.5 整体提升法 整体提升法是将结构在地面整体拼
9、装后,起重设备设于结构上方, 通过吊杆 将结构提升至设计位置的施工方法。 这种施工方法利用小机 (如升板机、液压滑模千斤顶等) 群安装大型钢结构, 使吊装成本降低。其次是提升设备能力较大,提升时可将屋面板、防水层、采暖 通风及电气设备等全部在地面施工后,然后再提升到设计标高, 从而大大节省施 工费用。 4 2.6 整体顶升法 整体顶升法是利用柱作为滑道, 将千斤顶安装在结构各支点的下面,逐步地 把结构顶升到设计位置的施工方法。整体顶升法与整体提升法类似, 区别在于提 升设备的位置不同, 前者位于结构支点的下面, 后者则位于上面, 两者的作用原 理相反。 2.7 折叠展开安装法 该方法把一个穹顶
10、看作由径向的拱绕竖向中轴旋转一周而成。因此穹顶的立 体空间作用可以分解为径向拱的作用与环向箍作用的叠加。对于杆件组成的网格 状网壳来说, 去掉部分的环向作用就是去掉一部分环向杆。这样穹顶结构就可以 产生 1 个竖向的、 且唯一的自由度。 利用穹顶临时具有的自由度,就可以把穹顶 折叠起来,在接近地面的高度进行安装。 然后利用液压顶升和气压等方式把折叠 的穹顶沿其仅有的一维自由度方向顶升到设计高度,完成穹顶的施工过程。 也可 以采用液压提升的方式提升到设计高度,完成安装。 3、典型施工实例 3.1 高空散装法深圳大运中心主体育场钢屋盖安装 深圳世界大学生运动会主体育场位于深圳市龙岗区体育新城,总建
11、筑面积约 13 万平方米,拥有 6 万个观众坐席。主体育场采用了内设张拉膜的钢屋盖体系, 钢结构形式为单层折面空间网格结构,平面形状为285m 270m椭圆形,最高点 的高度为 44.1m,在不同的区域悬挑长度分别为51.9m到 68.4m。 钢屋盖分为立面、马鞍形外圈、内圈三个部分,由20 个形状相近的结构单 内 圈 外 圈 立 面 图 1 深圳大运中心主体育场钢结构钢结构简图 5 元呈双轴对称分布构成。 外圈的高差为 12m , 内圈的高差为 8.6m。 在结构的支座、 背峰、背谷、肩峰、肩谷、冠谷位置采用了铸钢节点,共120 个,铸钢节点单件 最重约 90t , 总重 4000t。 结构
12、的主杆件直径为 700mm 1400mm , 壁厚为 12mm 140mm ;次杆件为焊接箱形截面杆件。钢屋盖铸钢件采用GS-20Mn5 ;焊接管采用 Q390B 、Q390GJ-C ;次杆件采用 Q345B 。 单层折面空间网格结构具有支撑少、 单位面积用钢量少, 但超静定次数低、 传力路径复杂、 环向效应对径向及整体结构稳定性影响较大等特点。深圳大运 中心主体育场悬挑长度大、 结构呈椭圆形长轴短轴处标高不等、单个结构构件 重量巨大,针对以上问题本工程采用 “胎架支撑高空原位拼装工艺” 进行安装。 3.2 分条(分块)安装法深圳湾体育中心钢屋盖安装 深圳湾体育中心位于南山后海中心区东北角、深
13、圳湾15 公里滨海休闲带中 段,毗邻香港,是2011 年第 26 届世界大学生夏季运动会的主要分会场, 也是深 圳未来的重点城市景观和公共活动空间。整个项目占地约 30.74 公顷,总建筑面 积达 25.6 万平方米,建成后将成为深圳市的又一座标志性建筑。 深圳湾体育中心在设计上也是体育建筑的一大创新,名为“春茧”的独特设 图 2 深圳大运中心主体育场钢结构安装过程 a.A1/B1 单元内环同时开始安装 c. 安装 A7/B7 立面结构 b. 安装 A1/B1 单元立面结构 d. 钢结构安装完成 6 计通过用白色巨型网架结构做成的大屋面将“一场两馆”和商业设施进行建筑 空间一体化的整合。深圳湾
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