空间异形双曲大管径钢管结构吊装技术

2022-01-24王小辉范登超斯志军

施工技术(中英文) 2021年20期

王小辉，范登超，斯志军

(中冶(上海)钢结构科技有限公司，上海 200941)

0 引言

随着建筑市场的快速发展和人们审美观点的转变，现代城市涌现出大量千姿百态的装饰性造型建筑。此类建筑往往采用大跨度、高净空、受力体系稳定的钢结构设计形式，为减少高空作业风险因素和吊装次数，大多采用地面拼装成单元模块、整体吊装的施工思路[1]。对于空间异形结构，由于其复杂多变的结构形式，拼装的单元模块形状尺寸往往不规则，吊装难度也越来越大。

1 工程概况

开封恒大童世界国际会议中心整体规划取“北斗七星”之意，形似斗勺，采用“一主多辅”半包围式布局模式。主体结构体系采用框架结构，外形为球形，外围由装饰性钢结构花瓣包围。花瓣为空间异形双曲圆管结构，由内瓣、中瓣、外瓣构成。最大单体花瓣最高点标高为43.000m，管径为1.4m，单片花瓣最大跨度约为58m。国际会议中心整体效果如图1所示。

图1 国际会议中心效果

2 工程特点及难点分析

1)花瓣主边框和密肋为空间异形双曲弯扭圆管构件，形状为不规则的样条曲线，且最大管径为1.4m，吊装难度大。

2)本工程为装饰性钢结构花瓣，结构外观质量要求较高，构件管口对接精度要求精确，吊装时高空测量定位和校正难度大。

3)单片花瓣主边框最大跨度约为58m，最高点标高约为43.000m，需合理划分吊装单元分段、确定吊装顺序，设置合理的构件吊点位置，严格控制构件吊装过程中的变形。

3 吊装技术

3.1 吊装方案

根据花瓣结构形式和现场施工条件，主边框在地面拼装成分段单元模块，采用三点吊装；密肋为细长竖向构件，呈C形或S形曲线，在地面拼装成整根构件，采用单点吊装。

3.2 吊点设置

构件吊装时，其重心位置关系到吊点设置。空间异形结构重心一般不在结构内部，利用传统经验很难确定重心位置。借助CAD绘图软件，建立吊装单元模块的三维实体模型，通过工具查询质量特性命令，查出单元模块质心坐标点，在所建立的三维实体模型中输入质心坐标，找到构件重心位置[2]，如图2所示。确定吊装单元模块重心后，在其安装姿态俯视图状态下，沿重心点垂直于杆件做剖切面，将该圆管剖切截面最高点设置为吊点，以构件重心为圆心画圆，沿该圆与钢管中心线2个交点的切线分别做钢管剖切面，同样将剖切面最高点设置为吊点，确保3个吊点分布在重心两侧，吊装时有利于单元模块平衡[3]。

图2 单元模块重心、吊点示意

密肋构件同样通过先建立CAD三维实体模型，通过查询质心方式找出构件重心，在吊装姿态下，沿重心做垂线，与密肋上口位置交点即为杆件吊点位置，如图3所示。

图3 密肋吊点示意

3.3 吊索具选择

选择吊索具的难点和重点为确定吊装钢丝绳长度，保证构件起吊后的姿态即为安装姿态，且起重机钩头和构件重心在1条垂线上。在CAD三维模型中，吊装单元模块在吊装姿态下，通过重心点画1条垂直线，在此垂直线上设置1个满足起吊高度的起重机钩头位置，以钩头位置为起点，分别与吊点连接画直线段，同时要保证直线段与水平面夹角满足吊装要求，测量得出每条直线段长度，再减去所用卸扣尺寸即为钢丝绳长度[4]，如图4所示。根据吊装单元模块质量及吊装钢丝绳夹角可计算得到每个吊耳和钢丝绳分担的力。依据GB 50017—2017《钢结构设计标准》，根据该吊点受力选择合适的吊耳尺寸，此外，需对吊耳抗拉、抗剪强度进行验算。钢丝绳和卸扣规格型号可根据其受力并查询国家标准GB 8918—2006《重要用途钢丝绳》、GB/T 25854—2010《一般起重用D形和弓形锻造卸扣》来确定。

图4 吊装钢丝绳长度示意

3.4 吊装定位

花瓣主边框吊装单元模块高空安装时设置临时支撑胎架，胎架支撑点与吊装单元模块重心尽量在1条直线上或在重心两侧，有利于构件整体稳定[5]，如图5所示。主边框高空定位主要是控制构件管口中心点和胎架顶部支撑点坐标，来保证构件对接口精度和主边框线形，胎架顶部需提前做好构件就位标高控制点[6]。花瓣主边框吊装单元模块采用三点吊装，将其中2个吊点的钢丝绳设置成倒链可调节形式，吊装单元脱离地面拼装胎架后，复核其尺寸，无误后通过倒链调整其在吊装姿态下两端管口下口点的高低差，以确保在地面基本将吊装单元调整到安装姿态[7]，如图6所示。构件高空就位后，采用全站仪测量管口中心点坐标，用于校正调整，如存在位置偏差，通过倒链进行细微调整，调整完成后，及时复测管口定位坐标，以确保后续安装构件对接精度。

图5 主边框临时支撑胎架示意

图6 主边框管口高低差示意

花瓣密肋为竖向安装构件，上部与主边框相贯连接，下部与预埋在混凝土中的平板埋件连接。密肋与主边框相贯的定位点在主边框加工制作时提前做出定位标识，如图7所示。主边框在地面拼装时，再次复核密肋点定位标识，如有误差，及时调整。密肋与平板埋件连接的定位点在其安装前测出钢管定位外形轮廓线，此时，密肋通过上、下2个定位点可进行初步吊装就位。此外，在构件统一安装标高处(如15m处)外侧管壁做1个定位标识点，用来调整构件在空中的安装姿态[8]，用全站仪测量该点坐标，通过拉设缆风绳调整，对密肋构件进行精确定位。

图7 密肋安装控制点示意

3.5 偏差分析

花瓣主边框单元模块高空定位和线形主要采用管口中心坐标点和临时支撑胎架进行控制。构件高空定位完成后，采用全站仪测量管口外径任意3个点位坐标和主边框上预设密肋定位点坐标，用于主边框对接管口和线形的偏差分析[9]，如图8所示。将现场实测的坐标输入至CAD三维模型中，即可分析得出构件安装偏差，可进一步精确校正，同时也为密肋构件的安装定位提供依据。密肋构件形状为C形或 S形曲线，吊装定位难度大。密肋构件在地面拼装完成后，在杆件上选择1个固定标高位置，画出横断面线形，如图9所示。密肋安装定位完成后，采用全站仪测量杆件横断面线形上的任意3点坐标，将实测坐标输入到CAD三维模型中，通过3点画圆，将生成的圆与杆件原有的横断面线形对比，即可分析得出密肋构件定位偏差[10]。