鋼結構技術(shù)論文
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
摘 要：鳳凰國際傳媒中心工程，是全新概念的媒體體驗艙，它超越了以往媒體與觀(guān)眾隔著(zhù)屏幕交流的關(guān)系，將觀(guān)眾引入開(kāi)放的莫比烏斯環(huán)空間中，感受鳳凰傳媒的魅力。辦公樓及演播樓外圍包裹鋼結構外殼，采用莫比烏斯環(huán)造型，獨特新穎，分內外兩層，各自采用大小不等的梯形截面的彎扭箱型構件，相互交叉編織而成。鋼結構外殼包括鋼結構罩棚、內部旋轉坡道、通天樓梯、拱橋、鋼平臺、馬道及幕墻次結構七大部分，是繼奧運工程之后鋼結構設計與施工的又一力作。
相對于鋼筋混凝土結構，鋼結構具有自重輕強度高、延展性好、施工周期短、抗震性能好、可工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足各種復雜建筑造型的要求。隨著(zhù)建筑業(yè)的快速發(fā)展，鋼結構在建筑市場(chǎng)占有的比例越來(lái)越大，建筑造型越來(lái)越新穎，結構隨之越來(lái)越復雜，特別是大跨度空間彎扭結構，傳統的鋼筋混凝土結構是無(wú)法滿(mǎn)足結構受力以及建筑造型的要求。
圖1 鋼結構輪廓圖(鳳凰國際傳媒中心工程)
1. 工程概況
鳳凰國際傳媒中心建筑面積64973m2地上建筑面積29973m2地下建筑面積35000m2由辦公樓和演播樓以及鋼結構外殼三部分組成。辦公樓10層，演播樓4～6層，地下3層為車(chē)庫和機房層。結構類(lèi)型為方鋼管混凝土框架-型鋼混凝土核心筒結構。鋼結構外殼包括鋼結構罩棚、內部旋轉坡道、通天樓梯、拱橋、鋼平臺、馬道及幕墻次結構七大部分。鋼結構罩棚表面積約為27500 m2，重量達5200t左右，設計采用莫比烏斯環(huán)造型，獨特新穎，分內外兩層，各自采用大小不等的梯形截面的彎扭箱型構件，相互交叉編織而成，其頂部通過(guò)V型支撐與裙樓和主樓的屋頂混凝土結構相連，建筑造型十分復雜。
2. 工程施工難點(diǎn)
本工程鋼結構屋架屬超大跨度鋼結構，由雙向交叉雙全梁結構及豎向支撐系統組成，長(cháng)約130m ，寬約124m，由箱形截面構件（輪廓尺寸為700mm×500mm）形成的梯形網(wǎng)格構成，且構件具有不同程度的空間扭曲特征。鋼結構外表面為自由曲面，采用整體鋼結構將辦公樓和演播樓整體覆蓋起來(lái)，整體鋼結構為雙向交叉雙全梁結構體系，外層（上層）鋼梁為梯形箱梁截面，內層（下層）鋼梁為圓鋼管截面。主肋共618段，次肋共1509段，沒(méi)有任何兩根構件形狀相同。
鋼構件安裝測量難度大。主肋分段安裝、拱橋分段安裝、旋轉坡道、馬道及通天樓梯等每一步的安裝、結構體系的卸載以及卸載穩定后的定期變形觀(guān)測，必須由測量人員進(jìn)行跟蹤控制。同時(shí)絕大多數的構件的定位控制均需在高空進(jìn)行，不但需要建立平面控制網(wǎng)，還須建立空間三維控制網(wǎng)，以便于構件的空間定位，保證測量精度。并且構件截面按相關(guān)規定采用了非平口的形式，給測量控制工作帶來(lái)相當大的難度。
安裝工序復雜。包括鉸支座安裝、七米平臺安裝、外殼鋼結構安裝、鋼拱橋安裝、旋轉坡道安裝、通天樓梯及馬道安裝、東西兩側連接段安裝、合龍連接段的安裝。
支持體系要求高。在鋼結構的安裝過(guò)程中，一般的腳手架支持無(wú)法確保吊裝定位的安全、穩定、精確定位，通過(guò)采用穩定有效的格構柱支撐體系實(shí)現精密的測量定位控制、焊接質(zhì)量控制和高質(zhì)量標準。
鋼結構合龍控制。為保證結構使用過(guò)程中的安全，必須選擇合適的合龍溫度，以減小結構使用過(guò)程中的溫度變形和溫度應力。由于本工程大跨度鋼結構的平面尺度很大，溫度變化將在結構中引起很大的內力和變形，對結構的安全性將產(chǎn)生顯著(zhù)的影響，必須對鋼結構合龍采取一系列的控制。
卸載是本工程的重中之重。本工程一共布置了399個(gè)卸載支撐，卸載點(diǎn)分布范圍較大，對于此類(lèi)大跨空間結構，最優(yōu)的卸載方式是399個(gè)支撐同步卸載，但難度巨大，確定采用“分區分步”的方式卸載。
3. 鋼結構施工工藝
工藝流程：施工準備→支撐體系安裝→構件吊裝就位→測量定位→構件焊接→合龍→卸載
3.1施工準備
3.1.1 巨型埋件施工
外殼鋼結構主次肋落腳點(diǎn)位于-0.2m標高位置的樓板或梁上，主次肋與混凝土結構連接點(diǎn)采用預埋件進(jìn)行過(guò)渡。最大預埋件為7m*2m，約8.6t，實(shí)現142個(gè)巨型埋件安裝準確定位，為實(shí)現外殼鋼結構安裝奠定堅實(shí)基礎。
3.1.2 彎扭構件加工
扭曲箱形四塊壁板均為空間彎扭形狀，且彎扭曲率比較大，為控制放樣下料精度，壁板展開(kāi)采用計算機精確放樣，根據展開(kāi)的線(xiàn)型數據，輸入數控切割機進(jìn)行壁板的下料切割。
箱體彎扭壁板加工成型時(shí)，制作1：1 的加工樣箱，將每塊加工成型后的彎扭壁板用樣箱進(jìn)行檢測，超差處再進(jìn)行加工矯正，保證每塊壁板的加工成型滿(mǎn)足組裝要求。重要構件進(jìn)行預拼裝后出廠(chǎng)。
3.1.3 鉸支座制作安裝
鉸支座為鋼結構罩棚與埋件的連接件，為鑄鋼件，含有萬(wàn)向軸承，能消除卸載、溫度變化等因素產(chǎn)生的應力及變形。鉸支座的準確定位及焊接質(zhì)量，是整個(gè)鋼結構的基礎。
3.2 支撐體系安裝
在設計中除了按照鋼結構設計規范計算臨時(shí)支撐剛度、強度、穩定性外，還必須采取必要的措施確保支撐體系的可靠性。并且在臨時(shí)支撐的底部應當有合理的構造措施使得下部的荷載有效地傳遞。在滿(mǎn)足前面幾條原則并具有足夠的富余度的基礎上，還需要考慮到支撐設置的經(jīng)濟性。
3.2.1 臨時(shí)支撐形式
根據工況計算用于本工程的臨時(shí)主要有獨立的格構式支撐，旋轉坡道處的格構柱組合的門(mén)架式支撐及主樓南北兩側的三腳架式支撐。
格構式支撐標準段設計截面尺寸為1.2m×1.5m，弦桿（立桿）采用Φ159*6鋼管，腹桿采用L75×6角鋼。水平腹桿的豎向間距取2.0m。頂端根據所支撐的結構作相應的構造設計。
3.2.2 安裝用臨時(shí)支撐布置圖
圖2 主肋安裝臨時(shí)支撐平面布置圖(莫比烏斯環(huán)鋼結構)
圖3旋轉坡道及通天梯臨時(shí)支撐布置軸測圖(鳳凰國際傳媒中心工程)
3.3、構件吊裝就位
吊裝主要工藝流程：
現場(chǎng)吊裝施工主要工藝流程為：先進(jìn)行鋼外殼支座節點(diǎn)的安裝，然后進(jìn)行裙樓和主樓外殼鋼結構的安裝（裙樓安裝時(shí)穿插7m平臺鋼梁的安裝），而后進(jìn)行內部鋼拱橋、旋轉坡道、通天樓梯的安裝及馬道結構的初步安裝，再進(jìn)行主、裙樓中間連接部位外殼體的安裝，最后進(jìn)行馬道的安裝定位。
3.4 測量定位
3.4.1測量重點(diǎn)
施測前工應對軸線(xiàn)控制點(diǎn)和水準點(diǎn)認真校核，對圖紙進(jìn)行認真審核。由測量人員對構件及定位位置的控制點(diǎn)進(jìn)行檢查和必要的復核。
本工程測量定位重點(diǎn)是鉸支座安裝、主肋分段安裝、拱橋分段安裝及旋轉坡道分段的安裝。
3.4.2安裝測量步驟
a平面控制網(wǎng)建立
圖4 測量控制點(diǎn)平面布置圖(鳳凰國際傳媒中心工程)
b高程控制網(wǎng)測設
c要求在工廠(chǎng)加工制作時(shí)用洋沖對測量定位點(diǎn)做好標記。
d 臨時(shí)支撐點(diǎn)高程的復測及控制
e 埋件的復測及主次肋支座分段的測量控制
3.4.3構件安裝測量定位措施
根據測量控制點(diǎn)及工程的平面尺寸，進(jìn)行預埋件的復測及支座定位軸線(xiàn)的放線(xiàn)。構件的測量定位以鋼結構施工圖中的定位數據為依據；主肋結構的測量定位保證措施如下：
主肋在吊裝就位進(jìn)行固定前應根據施工圖對其控制點(diǎn)進(jìn)行測量定位調整至控制點(diǎn)坐標在規范規定的允許范圍內方可進(jìn)行定位固定；主肋的測量控制點(diǎn)選擇在分段上端口外邊線(xiàn)的中點(diǎn)（當有卸載監測要求的部位，對相應的主肋測量控制點(diǎn)進(jìn)行另行標記）。當進(jìn)行至主肋中間分段安裝前需要對其兩端連接的分段進(jìn)行測量，以確認其偏差在允許范圍內而后再進(jìn)行安裝；如果其兩端偏差過(guò)大，先找出偏差原因，并采取有效措施調整至正確位置后再進(jìn)行中間分段的安裝。
利用全站儀對吊裝構件的測量定位具體操作如下：
在內業(yè)利用三維模型獲得定位控制點(diǎn)的三維坐標，或直接采用施工圖紙中的點(diǎn)位坐標；
在適當的位置設置全站儀，并精確調平；
單棱鏡的司尺人員在測量控制網(wǎng)中的一個(gè)已知控制點(diǎn)上架設單棱鏡（后視）；
測站（操作全站儀的地點(diǎn)）的人員將各項相關(guān)參數設置到符合測量的狀態(tài)：如棱鏡常數的設置等；
照準單棱鏡進(jìn)行測量，得到后視點(diǎn)的坐標數據；
小棱鏡的司尺人員在臨時(shí)支撐或構件分段的測量控制點(diǎn)按要求放置小棱鏡；
照準小棱鏡得到測控點(diǎn)的三維坐標與內業(yè)中的已知控制點(diǎn)的坐標進(jìn)行比較若偏差符合定位要求即定位；否則調整、復測至符合要求再進(jìn)行定位。
圖5主肋分段測量控制點(diǎn)
圖6典型主肋的安裝順序
3.5 構件焊接
本工程鋼結構鋼材主要為Q345、Q390、Q420、Q460，鑄鋼節點(diǎn)材質(zhì)為GS-20Mn5V鋼板、節點(diǎn)強度要求高，節點(diǎn)和構件壁較厚，焊縫要求高。
結構最大高度達54m，高空作業(yè)量大；高空環(huán)境條件下對焊工操作影響很大，高空風(fēng)速較大，并且貫穿于現場(chǎng)焊接全過(guò)程，尤其是對氣體保護焊的影響較大。
絕大多數結構構件都為傾斜彎扭構件，焊接接頭基本呈前位置狀態(tài)，對焊工操作水平要求高。
焊接工作量大，現場(chǎng)焊接材料消耗將達1000t，按6個(gè)月安裝工期計，月平均耗用焊材達到167t左右，焊接工作量相當大.
焊接等級高，焊材施工焊縫其總長(cháng)度的60%均為一級全熔透對接縫，100%UT檢查，要求十分高
3.6 合龍
鋼結構安裝過(guò)程中，采用南北分開(kāi)安裝法，即先將結構在高空先拼裝成二個(gè)各自獨立板塊，為保證結構使用過(guò)程中的安全，必須選擇合適的合龍溫度，溫度變化將在結構中引起很大的內力和變形，對結構的安全性將產(chǎn)生顯著(zhù)的影響，必須對鋼結構合龍采取一系列的控制。
3.6.1 合龍溫度的確定
本工程設計要求合龍溫度為15℃~20℃。
3.6.2 合龍溫度的測量
合龍時(shí)鋼結構本體溫度是結構的整體溫度，為確切掌握整個(gè)屋蓋鋼結構的溫度分布情況，以及不同部位鋼結構實(shí)際溫度同氣溫的對應關(guān)系，確定最佳的合龍時(shí)機，該系統測溫范圍為-5℃～+120℃，測試精度為±1℃，溫度測試共布置9個(gè)點(diǎn)，結構外側對稱(chēng)布置8個(gè)點(diǎn)，中心廣場(chǎng)處布置1個(gè)點(diǎn)。
圖7 測溫點(diǎn)布置(莫比烏斯環(huán)鋼結構)
特建立以熱電偶作為測溫元件的自動(dòng)測溫系統。溫度測試在合龍前5天開(kāi)始進(jìn)行全天24h跟蹤監測，并覆蓋合龍過(guò)程的所有工作，為形成連續的測量資料，每間隔0.5～1h讀取各測量點(diǎn)的溫度信息，并形成數據文件，重點(diǎn)對各測量點(diǎn)的夜間溫度進(jìn)行整理分析，以獲取夜間鋼結構整體溫度的具體數值和分布情況。
3.6.3 合龍安裝要點(diǎn)控制
1)盡量選擇在與合龍溫度相近的溫度條件下或低于該溫度的條件下進(jìn)行安裝，以方便構件的進(jìn)擋，控制合龍時(shí)的坡口間隙，該間隙大小要考慮溫度變形計算結果和焊接收縮變形，以減少合龍口的焊接量和焊接殘余應力，確保焊接口的焊接質(zhì)量，如達不到預定的焊接要求，可調整合龍段先焊一端的坡口間隙，同時(shí)，對合龍口的錯邊量也要加以控制，保證合龍的順利進(jìn)行。
2)盡量采用小間隙安裝法，避免合龍時(shí)合龍口間隙過(guò)大。
3)為確保合龍段施工過(guò)程中的安全，合龍段安裝就位后，除設計要求的合龍口不進(jìn)行焊接連接外，其余接口均須及時(shí)焊接完畢，以增強結構的整體穩定性。
4)為確保合龍口在施工過(guò)程中因溫度變化而自由收縮，合龍口采用卡馬搭接連接，卡馬的大小和數量需根據該接口部位的受力計算確定，此受力計算不僅要考慮合龍段安裝過(guò)程中的搭接受力要求，而且要考慮合龍過(guò)程中合龍口的受力要求，包括構件本身的受力。
5）合龍順序控制
因合龍口數量眾多，如一次合龍，則需投入大量的人力和物力，且施工組織管理也相當困難，根據現場(chǎng)實(shí)際情況，結構設計提出的先行合龍構件需納入后續合龍段合龍溫度要求范圍這一基本原則，本工程的合龍從合龍口中部向兩側對稱(chēng)進(jìn)行安裝和焊接。
3.7 卸載
考慮到如此復雜的空間鋼結構，支撐反力和各個(gè)支撐點(diǎn)的卸載變形量均有較大差異，要實(shí)現399個(gè)支撐的整體同步卸載，不僅從卸載的硬件條件、卸載的整體控制管理，以及同步的精度等方面實(shí)施難度巨大。根據工程的實(shí)際情況以及整體鋼結構的受力和變形特點(diǎn)，確定采用“分區分步”的卸載總原則，卸載過(guò)程中遵循“合理、有序、平穩、緩慢、均勻、可操作”的原則。
根據卸載原則結合本工程實(shí)際，根據屋蓋主次肋等其它結構安裝后支撐反力情況，遵循頂層樓板支撐先卸載，反力較大的支撐先卸載，結構豎向變形較大處先卸載的原則，共分析了9個(gè)典型工況，分別得出各卸載工況下的整體變形、支撐變形、應力及支撐反力情況。
根據施工卸載分析所分的9個(gè)工況，卸載時(shí)按9個(gè)批次采取分區逐次分步卸載的辦法。
支撐拆除時(shí)采取對支持頂部的鋼板分條割除的辦法進(jìn)行，根據支撐位置的卸載位移量控制每次割除的高度△H（每次割除量控制在5～10mm）直至完成某一步的割除后桁架不再產(chǎn)生向下的位移后拆除支撐；在支撐卸載過(guò)程中注意監測變形控制點(diǎn)的位移量，如出現較大偏差時(shí)應立即停止，會(huì )同各相關(guān)單位查出原因并排除后繼續進(jìn)行。
圖8 支撐頂部鋼板割除卸載
4 結 語(yǔ)
鳳凰國際傳媒中心工程設計采用的莫比烏斯環(huán)形狀理念是前所未有的，我單位通過(guò)嚴密的策劃和實(shí)施，解決了梯形截面的彎扭箱型構件及拱橋、環(huán)形坡道等特殊構件的加工制作，加工完成的構件在工廠(chǎng)進(jìn)行檢測以及預拼裝，保證了現場(chǎng)順利安裝。通過(guò)有效協(xié)調科學(xué)安排鋼結構罩棚、內部旋轉坡道、通天樓梯、拱橋、鋼平臺、馬道六大部分異形構件的穿插施工，確保施工立體交叉作業(yè)，工作順暢。通過(guò)精良的測量人員及設備建立平面控制網(wǎng)，建立空間三維控制網(wǎng)，解決了鋼結構軸網(wǎng)系統為環(huán)形、放射、正交軸網(wǎng)相結合的軸網(wǎng)系統施工難題，完成所有構件的空間定位，保證測量精度。采用格構式支撐，鋼結構設計規范計算臨時(shí)支撐剛度、強度、穩定性外，還必須采取攬風(fēng)繩以及相鄰支撐間的剛性連接確保支撐體系的可靠性。支撐底部承臺的可靠性：解決了回填土地基問(wèn)題，使得下部的荷載有效地傳遞，在保證安全的前提下，還盡量降低構造措施的用鋼量，實(shí)現了支撐設置的經(jīng)濟性。焊接工作量大，絕大多數結構構件都為傾斜彎扭構件，焊接接頭基本呈前位置狀態(tài)，對焊工操作水平要求高?，F場(chǎng)焊接材料消耗將達1000t，焊接等級高，焊材施工焊縫其總長(cháng)度的60%均為一級全熔透對接縫，100%UT檢查合格，并且焊縫觀(guān)感美觀(guān)。
目前工程已成功完成合龍及最終卸載，鋼結構罩棚卸載最大沉降為36mm，各項數據指標均滿(mǎn)足規范及設計要求，實(shí)現了大跨度莫比烏斯環(huán)鋼結構施工的順利突破，為我單位積累了寶貴的施工經(jīng)驗。
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（北京天潤建設有限公司，北京 100062）
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