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杭州奥体中心综合训练馆钢结构施工关键技术

杭州奥体中心综合训练馆钢结构施工关键技术

打印 0条评论来源:钢结构(id:steel_construction)

编者按


目前大跨空间结构已成为建筑工程中结构体系最复杂、造型最优美、发展最活跃的结构类型之一,这对大跨空间结构的施工技术提出了很高的要求。大型空间结构施工方法的多样化和复杂化造成了施工阶段结构内力分布的复杂性和最终成型结构受力的可变性。为确保工程建设安全、经济、顺利地进行,在建造过程中按照客观实际条件选择合理的施工技术,确定合理的施工顺序尤为重要。本期以第19届杭州亚运会场馆——杭州奥体中心亚运三馆为例,详细阐述了其在深化设计、加工制作、现场安装及数字化信息管理等各阶段的关键施工技术及方法,以期为类似大跨空间结构提供参考和借鉴。


专栏主编


周观根

教授级高工

浙江东南网架股份有限公司 常务副总、总工程师

中国钢结构协会专家委员会 副主任

中国建筑金属结构协会铝结构分会 副会长

《钢结构(中英文)》编委会 委员

中国钢结构协会专家委员会副主任;中国建筑金属结构协会铝结构分会副会长。长期致力于钢结构、铝结构新技术新工艺的研发与推广应用。


主持或参与省部级以上课题30余项,发表学术论文150余篇,获授权发明专利58项,主、参编著作10本。获詹天佑奖、鲁班奖20余项,国家及省级工法30余项。获省部级科技奖项30余项。2013年获国务院政府特殊津贴,2011年获浙江省有突出贡献中青年专家,2014年入选浙江省“151人才工程”重点资助培养人,2014年获中国钢结构三十年杰出贡献人物等荣誉。


1 工程概况


杭州奥体中心综合训练馆(简称“综合训练馆”)位于杭州市萧山区杭州奥体博览城东南角,与规划中的奥体博览城双塔相邻,占地面积58864 平方米,总建筑面积184533 平方米,是2022年第19届杭州亚运会场馆之一,内有体育训练、医疗、科研和配套的后勤服务与新闻会议中心,如图1所示。


图1 杭州奥体中心综合训练馆效果


综合训练馆地上共8层,1~7层层高均为12.60 m,第8层层高为10.50 m,各楼层间均设有局部夹层,结构屋顶标高为98.900 m,地上总建筑面积为106493 平方米。地下共2层,地下2层结构标高为-12.800 m,地下1层结构标高为-7.650 m,地下总建筑面积为78040 平方米。


综合训练馆标准层平面尺寸84 m×84 m,主楼采用斜交钢管网格柱外筒+内钢框架+钢筋混凝土剪力墙的结构形式。钢结构主要包括双肢巨型椭圆劲性柱(地下)、斜交钢管网格柱外筒、内钢框架、楼层桁架及楼层坡道(图2)。双肢巨型椭圆劲性柱分边柱和角柱两种形式,柱脚标高为-7.550 m;斜交钢管网格柱外筒由与地面呈56.3°角交叉编织的钢管斜柱、斜交网格节点、水平环梁组成;内钢框架主要由圆管钢柱、劲性H型钢柱和钢框架梁组成;楼层桁架共35榀,主要分布于各楼层悬挑构件之间;楼层坡道沿主体结构螺旋上升布置,坡道分上下两层,下层坡道两端与楼层钢梁连接,中部设有支撑柱;上层坡道吊挂于楼层梁下方。


图2 杭州奥体中心综合训练馆钢结构示意


2 施工重、难点和关键技术措施


2.1 地下钢结构与土建结构交叉施工

地下钢结构大部分为劲性结构,在钢结构吊装过程中,需穿插进行土建钢筋施工、模板施工、混凝土浇筑施工等工序。是否科学、合理地组织安排多专业交叉施工,将直接影响到施工进度甚至施工质量。


故施工前必须根据不同施工阶段合理安排各专业的施工顺序,并仔细分析研究施工图,优化设计方案,细化工种工序,尽可能减少专业间的干涉与交叉。


本工程先进行核心筒钢结构施工,再进行核心筒外部钢结构施工。土建在绑扎地下2层结构钢筋时,对双肢巨型椭圆柱、内钢框架圆管柱及核心筒H型劲性钢柱的预埋件进行预埋;待地下2层混凝土结构施工完成且混凝土强度达到75%后,采用汽车吊在结构底板就近对H型劲性钢柱、内钢框架圆管钢柱和双肢巨型椭圆劲性柱等进行吊装。


在钢结构深化设计阶段与土建单位、设计单位密切沟通配合,分析钢筋与钢骨梁柱的干涉情况,优化土建钢筋排布,以“能绕则绕,能锚则锚”为原则,尽量减少土建与钢结构的干涉。本工程核心筒内H型劲性柱和圆管柱,由于柱截面较小,钢筋遇到钢骨时采用钢筋绕开和钢筋弯锚两种方式处理(图3),减少了交叉作业。


图3 钢筋排布优化示意


2.2 地下钢结构施工阶段交通组织

地下钢结构构件重量重,尺寸大,现场施工环境复杂,布置合理的施工通道非常关键。在钢结构施工前,现场仅在南侧有一条栈桥坡道通到主楼地下室底板,无运输车辆与吊车行走道路。为便于施工顺利进行,根据现场塔吊布置情况结合现场施工需要,在主楼外围地下室底板上预留了一圈环形施工通道,通道宽为8 m,转弯半径不小于15 m,作为钢结构的主要施工道路。并通过对地下室底板承载力进行验算,使其满足施工吊装要求。


环形施工通道范围内有16根混凝土柱,为了不影响交通,此16根混凝土柱在地下钢结构施工期间暂不施工,且柱预留突出底板面钢筋长度不超过30 cm并向柱内弯折,保证车辆可正常通行。完成地下钢结构安装后方可进行该部分混凝土柱的施工(图4)。


图4 综合训练馆地下施工通道示意


2.3 双肢巨型椭圆劲性柱施工

双肢巨型椭圆劲性柱分边柱和角柱两种形式,边柱12根,角柱4根,柱脚标高均为-7.550 m,柱长度为8.723 m,单根角柱吊装质量为52.6 t,边柱为52.5 t。钢柱支撑整个钢外筒,为结构的重要受力构件,柱顶与主楼外筒斜交网格斜柱对接相连,故安装精度至关重要,且钢柱不宜分段,构件重,施工难度较大。


为保证安装精度,施工前必须对原始控制线复核后再放线。为减少预埋锚栓在钢筋绑扎及混凝土浇筑过程中的偏移,用钢板和角钢等材料制作刚性定位支架,支架下部与地下室底板的钢筋固定,形成一个稳定且满足施工阶段刚度要求的体系。


钢柱吊装前,在牛腿节点处粘贴了全站仪专用的反光标靶,采用300 t汽车吊将整根钢柱一次吊装至+0.840 m标高处,与预埋锚栓和支架固定,利用柱底板下部调节螺母对钢柱标高和垂直度进行调节。同时在地面控制点处安置数台0.5 s、1.0 s级全站仪,同步观测标靶的三维坐标,实时测量空中吊装过程中的坐标。待两根相邻钢柱吊装完成并定位合格后,吊装钢柱之间的劲性钢梁并将其栓焊连接,及时形成稳定体系。


由于钢柱截面大,柱底板尺寸受到限制,柱脚锚栓不能按常规方式在柱身外部设置。为了解决这个问题,在深化设计时考虑将柱脚锚栓设置在柱身内部,同时在锚栓对应位置的柱壁上开设宽150 mm、高200 mm的操作手孔用来安装垫板与锚栓螺母。由于该钢柱为劲性钢管柱,且内灌混凝土,故安装完成后该操作手孔无需封补(图5)。


图5 双肢巨型椭圆劲性柱示意


2.4 斜交钢管网格柱外筒钢结构施工关键技术

综合训练馆单体钢结构质量达26000多t,地上钢结构主要划分为斜交钢管网格柱外筒、内钢框架、楼层坡道及楼层桁架四部分,现场主要采用3台ZSC1000塔吊进行吊装,超过塔吊起重性能的,采用1台160 t汽车吊配合吊装。以下主要介绍斜交钢管网格柱和斜交网格节点的施工关键技术。


2.4.1 斜交钢管网格斜柱

综合训练馆外围采用斜交钢管网格柱结构,上下两层钢管斜柱之间由斜交网格节点连接,钢管斜柱随楼层增高壁厚和管径逐渐减小。施工时,钢管斜柱按一层一段采用ZSC1000塔吊进行吊装,最大吊装重量189 kN。


斜柱采用两点吊装,运用自行研发的“计算机辅助全站仪” 的数字化测量技术控制安装过程的定位。吊装前,事先在管口处粘贴反光标靶,吊装过程中,将多台0.5 s、1.0 s级全站仪安置在地面控制点处,同步观测标靶的三维坐标。将测量坐标值输入计算机,与设计坐标值自动进行比对并生成差值,实时指挥施工人员调整斜柱位置。斜柱轴线投影应与下部各层斜柱轴线投影重合。


为便于调节斜柱吊装时的角度,在钢丝绳上配备了15 t的手拉葫芦辅助吊装。吊装就位并精确校正后,及时拉设缆风绳并在斜柱中部位置用φ180×10的圆钢管临时支撑固定,同时将临时连接耳板紧固并施焊(图6)。


注:L为斜柱的分段总长度。

图6 斜柱临时支撑示意


2.4.2 斜交网格节点

外筒上下层钢管斜柱采用斜交网格节点连接,节点主要由四个斜钢管牛腿和两个H型钢牛腿组成。中部节点共100个,角部节点共12个,最大节点单质量为21.5 t,随楼层增高节点牛腿壁厚和管径逐渐减小。


斜交网格节点是外筒结构的关键节点,其构造特殊,存在较多的隐蔽焊缝和小夹角相贯焊缝。设计单位对该节点的连接焊缝非常重视,所有焊缝均希望做到一级全熔透焊缝。而斜钢管牛腿外壁与节点钢板间的两面角仅33.7°,钢管牛腿的壁厚最大为50 mm,坡口后,相贯焊缝根部的最大深度达到90 mm,焊缝根部不满足焊接工艺要求。再则,由于相贯焊缝在焊接时难以安放衬垫,故焊缝根部难以达到质量等级为一级的要求。


故在深化设计时,将此类节点作为重点分析研究对象,结合以往类似工程的实践经验,对小夹角相贯焊缝问题与设计单位多次探讨,做了大量的分析计算工作并通过工厂反复焊接试验与评定,提出了保证节点焊缝可靠性的实施方案(图7)。对于焊接空间允许的区域采用工人进入节点内部焊接的方式施焊。


a—网格节点立面示意;b—部分熔透区域(与竖向肋)组合焊缝大样;c—斜钢管牛腿相贯组合焊缝示意;d—部分熔透区域(与水平肋)组合焊缝大样;e—斜钢管牛腿与水平肋相贯组合焊缝示意;f—斜钢管牛腿与竖向肋相贯组合焊缝示意。

注:图7b中D、E值为标记象限点对应数据,D=t/2,E>t,各值按相贯线渐变,部分熔透组合焊缝平滑过渡至全熔透区域,p为允许焊缝不熔透的最大值;图7d中A、B、C值为标记象限点对应数据,A=5t1/6-p,B=t1/6,C=t/2,各值按相贯线渐变部分熔透组合焊缝平滑过渡至全熔透区域。

图7 网格节点相贯焊缝焊接要求方案


网格节点的加工采用“化整为零、分部加工、整体组装”的制作工艺,即先把4只斜牛腿和节点箱体分别组拼好,然后将组拼好的5个单体进行整体组装,按要求焊接完成并检验合格后出厂。


钢柱最大斜交节点单质量21.5 t,随楼层增高节点牛腿壁厚和管径逐渐减小,质量减轻,二层和三层节点较重,超出了塔吊起重能力,采用160 t 汽车吊吊装。


2.5 施工过程仿真分析

由于结构在施工阶段还未形成稳定的受力体系,其受力形式与设计阶段有很大的差别,需通过施工过程仿真分析确定钢结构施工过程中的重点区域或部位,控制构件的应力与位移,确定合理的施工方法,保证施工安全。


2.5.1 斜交网格节点有限元分析

通过对网格节点的有限元分析表明,设防烈度地震下节点构件的平均应力均小于钢材的设计强度,处于弹性工作状态(图8)。


a—中部斜交网格节点;b—顶部斜交网格节点;c—角部斜交网格节点。

图8 网格节点应力云图 MPa


2.5.2 地下室顶板混凝土梁验算

钢结构施工时,汽车吊需上地下室顶板进行作业。故需先弹出汽车吊占位区域所有梁中心线,确保汽车吊支腿支承于主梁上,梁与支腿间铺设路基钢板。


根据施工图中梁截面信息计算,主梁可承受最大弯矩为1395 kN·m,可承受最大剪力为1269 kN。在施工阶段荷载组合作用下,承受吊车吊装最大荷载的主梁的最大弯矩值为448.8 kN·m(图9),最大剪力值为829.9 kN(图10),满足汽车吊上楼面吊装要求。


图10 主梁最大剪力值 kN


2.5.3 悬挑结构临时支撑拆卸分析

将临时支撑假定为结构的弹性约束,拆卸临时支撑的过程,结构体系内力发生重分布,弹性约束的程度也不断变化。临时支撑与主体结构的连接关系,会随着拆卸由约束状态逐渐变为脱离状态。主体结构的受力情况也由施工状态逐步向设计状态转变。


本工程各楼层外围均为悬挑结构,临时支撑点数量多、分布广,单点支撑力大。根据模拟计算分析,各层悬挑部位组合楼板施工后,悬挑结构刚度增大,此时拆卸临时支撑,悬挑结构变形最小。根据计算模拟分析结果,以优先拆卸最不利支撑的原则逐点分级拆卸支撑。计算结果表明,各层四个角部悬挑部位的临时支撑应力最大,应先行拆卸,拆卸后再重新计算确认新的最不利支撑,以此方法逐点拆卸直至全部拆卸完毕。


2.5.4 小 结

在施工过程中,利用结构计算分析软件对钢结构施工过程进行了有限元仿真分析,对斜交网格节点的小角度相贯焊缝施焊困难提出解决方法并通过有限元分析验证了节点的安全性;采用汽车吊上地下室顶板吊装作业的施工方法,验算了地下室顶板混凝土主梁的承载能力,满足施工吊装要求;通过计算分析悬挑结构临时支撑的应力,确定了以优先拆卸最不利支撑的原则逐点分级拆卸支撑的方法。仿真分析计算结果表明,施工过程中各阶段结构处于安全状态,施工方法经济合理。


3 结束语


在复杂的施工环境中,通过优化设计方案,细化工种工序,制定合理的施工方案,合理安排各专业的施工顺序等措施,减少了多专业交叉施工的不利影响。开辟满足施工要求的施工道路,为钢结构吊装创造必要条件。运用自行研发的“计算机辅助全站仪”的数字化测量技术控制劲性柱、斜柱、斜交节点等安装过程中的定位,保证了构件安装精度,焊后X、Y向坐标偏差控制在±5 mm之内,标高控制在±3 mm之内。通过反复分析、试验,对斜交网格节点焊接方案进行优化并经过有限元分析的验证,创新性地解决了节点的加工难题。对地下室顶板验算,满足汽车吊上楼面吊装作业要求,并通过计算模拟分析,确定了以优先拆卸最不利支撑的原则逐点分级拆卸支撑的方法。


在杭州奥体综合训练馆钢结构的施工过程中,解决了多项技术难题,施工效果良好,为类似钢结构工程提供了一定的参考和借鉴。


(责任编辑:奚雅青)


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