中国航海博物馆帆体钢结构吊装技术

2011-09-21   中国·YongHu.cn   来源:    作者:

宋海丰  余纯  谷凯
(上海市机械施工有限公司,上海  200072)

 
[摘要]帆体钢结构为异型双层网壳,长70m、高58m,双帆相对呈合抱状。针对该钢网壳结构高耸直立的特点,且建造于已施工完毕的12m标高砼平台上等复杂施工环境,布置了临时钢构架结合柔性拉索,以提供钢结构的侧向稳定,并采用工厂下料切割、现场整体拼装、构件分段短驳、起重机(结合液压提升)吊装就位、支承系统分步卸载拆除的施工技术路线,取得了良好效果,对今后类似的工程施工具有借鉴作用。
[关键词]帆体钢结构;临时支撑系统;C节点;悬挑部分;三铰桁架拱;边缘箱梁;关节轴承
 
1工程概况
    中国航海博物馆中央帆体钢结构座落在12.00m标高的砼结构上,顶点标高为+70.00m,两个三角形风帆的底部两支座间相距70m,两帆相交处离地高度约58m,帆体为钢网格壳体结构与钢索张拉结构。帆体的基本体系由帆体屋面、单层索网玻璃幕墙及边侧玻璃幕墙等3部分构成,钢结构分为主、从结构体系。主结构体系包括边缘箱梁和三铰桁架拱、屋面双向正交月牙形平面桁架和铸钢关节轴承支座等;从结构体系包括侧幕墙立柱、单层索网体系(由专业施工单位施工)等,钢结构总量约2300余t。
2工程特点、难点
    1)本工程建筑外形犹如两片张开的风帆,建筑造型独特。
    2)钢结构在底部A、B支座,帆体相交处C节点处均采用大型关节轴承,以满足在温度、风和地震荷载作用下产生的转动,该轴承的设计、加工和安装无先例可循。
    3)双曲面的帆体钢结构分段节点多,空间管桁架构件定位和变形控制困难。
    4)高空焊接工作量大且焊接要求高,多为全位置一级焊缝,施工难度高,焊接变形控制难。
    5)整个帆体结构在安装阶段必须设置可靠的施工支撑体系,才能确保其结构的稳定。
    6)在帆体钢结构安装前土建结构施工已全部结束,对施工总平面布置、拼装场地的选择、构件和机械进退场造成很大的制约。
3主要吊装技术路线
    考虑到帆体钢结构现场安装时砼框架结构已经形成,且在招标文件中对安装主机TC7052塔机的平面位置作了规定,其起重性能有限(至砼结构外半径为50m处起重量只有6.9t),如何在现有的机械配置下将构件、特别是重达数十吨的铸钢关节轴承运输、安装至设计位置,如何确保帆体钢结构在安装阶段的结构稳定是吊装技术路线确定的关键。
    在多方案比较的基础上,提出工厂下料切割、现场整体拼装、构件分段短驳、临时钢构架(柔性拉索)侧向支承、起重机(结合液压提升)吊装就位、支承系统分步卸载拆除的技术路线,即在工厂完成钢管的弯制、下料、相贯切割等工序,散件运输至现场后利用东侧场地进行构件的整体拼装,由运输车辆将分段构件通过底层砼楼面运输至永久结构洞口,再由TC7052塔机将分段构件垂直运输并完成构件的安装。部分询问边缘箱梁由160t汽车吊吊装到位,4个支座处铸钢件由300t汽车吊吊装到位。两帆体钢结构相交的C节点部件则利用液压千斤顶提升到位;结构安装过程中在两帆体钢结构之间设置多跨连续的临时构架支撑,作为C节点以下钢结构安装施工的水平向支承,采用柔性钢索结合格构式独立支撑满足悬挑部分壳体安装的定位和稳定;帆体钢结构吊装完成后进行分部及分步卸载。
4具体吊装工艺
4.1铸钢关节轴承

    铸钢关节轴承由铸钢件和关节轴承配套组成。铸钢件共有6件,其中4件位于底部4个角部节点,两件位于帆体相交的C节点处;关节轴承共5件,其中4件位于底部四个角部节点,一件位于帆体高空相交处,关节轴承最大转动角度±6°。铸钢件A、B、C重量分别为23.2t、16.3t和18.6t,关节轴承(A/B)重9.9t,关节轴承(C)重2.6t。
    铸钢件与关节轴承组装成整体吊装,B节点(26.3t)由300t汽车吊进入中空场地内吊装,A节点(33.2t)由160t汽车吊和TC7052塔机双机抬吊。
    铸钢件C、关节轴承与部分三铰桁架拱、边缘箱梁组成一个整体进行液压提升吊装。预先将该部分构件在结构底层中部中空位置拼装,总重约45t,提升采用1台200t千斤顶,提升架设置在临时钢构架支撑的格构柱柱顶。
4.2三铰桁架拱
    三铰桁架拱为截面三角形的管桁架,与边缘箱梁组成钢结构主受力体系。三根主弦杆规格为Φ530×22,局部加强区域为Φ630×30(支座处),分段均在5.3m左右,分段重量从7.2t~9.6t不等。三铰桁架拱采用TC7052塔机吊装。
4.3边缘箱梁
    边缘箱梁由截面形状为三角形的管桁架和侧面的加劲钢板组成,管桁架三根主弦杆为两种规格:Φ400×20、Φ203×16.25mm厚的加劲钢板设在桁架侧面沿钢管中心线处,既能保证结构自身的强度和刚度,同时又为索网的悬挂提供支承条件。边缘箱梁分段为6.4m~20m,分段重量为8.1t~25.5t。
    底部边缘箱梁分为4段,分别由160t汽车吊和TC7052塔机安装就位。上部边缘箱梁通过-1m楼层运输至TC7052塔机旁的结构永久洞口,由塔机安装就位。
4.4屋面双向正交月牙形平面桁架体系
    壳体屋面为双层格网式结构,分为互为垂直相交的主月牙形桁架和次月牙形桁架。主月牙形桁架为平面管桁架,主弦杆规格为Φ273×16,长度从2.5m~50m,最重单片桁架17t,长度超过40m即分段吊装;次月牙形桁架亦为平面管桁架,主弦杆规格为Φ245×12。次月牙形桁架被主月牙形桁架断成单根钢管,所以均散件安装,单根钢管重量约0.14t。主月牙形桁架通过计算采用4点吊装,结合神仙葫芦等工具调整构件就位形态由TC7052塔机安装就位。
5临时钢构架及柔性钢索支承系统
    本工程结构复杂,帆体钢结构在没有形成整体前系不稳定体系,考虑到整个结构在吊装过程中的主要矛盾是解决侧向稳定,所以在砼结构中空位置设多跨连续的临时钢构架由格构钢立柱、型钢横梁及预应力钢索组成。吊装过程中将C节点以下壳体的三铰桁架拱和边缘箱梁根据分段位置通过水平连接杆与临时钢结构排架系统相连,钢结构支撑系统只承担由帆体钢结构自重和风荷载产生的水平力,竖向荷载由钢结构自身承担。在C节点以上的悬挑部分钢结构通过设置柔性钢索和格构柱保证其施工阶段的稳定,其中钢索承担水平荷载,格构柱承担竖向荷载。
    由于建筑物靠近海边,风荷载对帆体钢结构安装过程中的稳定有着很大的影响。帆体钢结构的不规则性也决定了支撑构架布置的不规则,随着钢结构安装的进行,主体结构和临时结构两者的共同作用较为复杂。利用有限元Midas/Civil软件充分考虑了风荷载、施工荷载以及温度影响,模拟了施工过程用以指导现场施工。
6吊装流程
    以两台TC7052塔机分为两条作业线各自以单片帆体为主同步吊装。在底部边缘箱梁安装完成后先吊装三铰桁架拱一侧,并同步吊装月牙形桁架,尽快形成结构的面内刚度,然后吊装另一侧的边缘箱梁。待C节点以下部分钢结构安装完成后再吊装悬挑部分的钢结构。
7结构体系的转换
    安装阶段帆体钢结构和临时支撑系统共同工作,帆体钢结构安装完成后须将支撑系统卸载,转化为由帆体钢结构单独受力的状态,结构体系发生转换。临时支承结构卸载分为两步,先是在C节点以下钢结构完成后进行二次卸载,安装悬挑部分钢结构后再进行第二次卸载。
    1)结构体系转换的原则  以结构计算分析为依据、以结构安全为目标、以变形协调为关键、以实时监控为手段。
    2)卸载工艺  ①C节点以下钢结构:由B支座向A支座由下至上逐步割除连接杆完成卸载;②悬挑部分钢结构:通过设置在支撑顶部的可调节支承装置,按多次循环、微量下降的原则来实现荷载平稳转化。
8实施效果
    中国航海博物馆帆体钢结构部分目前已按要求完成了钢结构的安装工作,并顺利完成了结构体系的转换,结构变形数据均在控制范围内,A、B、C节点处关节轴承的转角均在0.5°左右(施工阶段转角要求控制在±2°内)。由于采用了具有针对性的施工技术路线,在工程实施过程中进展顺利,在安全、质量等方面均取得了良好的效果,并得到业主、设计和监理等各方好评。

【本文章已有次访问!】
相关文章