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[分享]钢结构技术：给建筑安上“翅膀”！
目前，在国家大力推行装配式建筑和钢结构的背景下，钢结构在建筑领域发展十分迅速。特别是在大跨度结构和造型独特的建筑中，钢结构得到了广泛的应用。本文主要以长沙黄花综合保税区北卡口工程为实例，来阐述一种双曲拱形相贯节点单层钢管网壳结构施工技术。本文着重介绍北卡口网壳的分块情况、支撑胎架布置情况、地面拼装和高空定位的精度控制方法、支撑胎架的卸载方法及卸后结构变形情况。北卡口网壳按照此施工技术顺利完成，质量和工期均满足要求，卸载后变形情况和理论相吻合。这为双曲拱形相贯节点单层钢管网壳结构的类似工程施工提供一定的经验和实践依据。
工程背景
长沙黄花综合保税区位于湖南省长沙市黄花机场附近。北卡口为其“门户”工程，造型似“飞机”。上部主要采用单层网壳结构形式，网壳形状为双曲拱形，连接节点为相贯焊接节点。上部网壳“两翼”搭设在下部两侧箱型墩柱上，截面形式为400*16，网壳“中部”设置为观光钢平台，观光钢平台下部设置旋转钢楼梯。北卡口高度约14m，钢网壳主要截面形式为Φ400*20、Φ273*16、Φ159*10、Φ102*7；材质均为Q345B。
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效果图 |
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结构三维图 |
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现场总成图 |
北卡口造型复杂并要求一个月内完成主体结构施工，工期压力大；结构形式为双曲拱形网壳结构，国内罕见，部分杆件须双向弯曲，加工难度大；网壳采用相贯线焊接节点，对施工要求精度高，现场安装难度大。
网壳结构一般采用高空散装法、分条或分块安装法、滑移法、整体吊装法、整体提升法、整体顶升法、折叠展开式整体提升法。考虑到现场实际情况，北卡口网壳只能采用高空散装法或者分块吊装法。
高空散装法：能够提供较广的作业面、单根杆件精度调节方便、起重设备选用型号较小；但是需要搭设满堂支撑架、高空对接焊多、焊接变形难控制、且工期难以保障。
综合考虑到工期、成本及精度控制等因素，采用分块吊装法进行北卡口施工最为合适。整体施工思路为先吊装两侧箱型墩柱，然后分块吊装上部网壳结构，之后吊装中部“观光平台”。
网壳分块及支撑胎架布置
· 网壳分块
根据北卡口的独特形式，现将其上部网壳分为七块进行吊装。块与块之间吊装完成后立即进行之间的补缺杆件吊装。
· 支撑胎架布置
根据现场实际情况，在各块交接处布置如下图所示的8个支撑胎架与两侧箱型墩柱组成施工支撑体系。经计算，支撑胎架四周立杆为Ф102*8的无缝钢管，立杆间联系杆件为Ф80*6的无缝钢管，上部采用18号工字钢制作支撑平台。支撑平台段也作为支撑胎架标高调节段。
支撑胎架平面布置
现场施工技术
· 材料进场
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构件进场验收 |
北卡口结构形式独特，为双曲拱形钢网壳结构，节点形式为相贯节点。工厂构件加工采用冷弯弧技术和相贯线切割技术，构件的加工精度直接影响了现场的安装质量。故北卡口构件工厂加工阶段，项目部安排专人进行驻厂，所有构件出厂时均经检验合格。进场时现场按照一定比例进行进场验收。构件进场验收时重点关注构件的尺寸大小、漆膜厚度、相贯线切割精度、弯曲精度（矢高）。构件进场后，按编号进行分类码放，并注意成品保护。
· 地面拼装
地面拼装是整个网壳结构施工过程中，质量控制最方便的一道关键性工序。本工程采用原位拼装方法，地面拼装流程简述如下：
（1）测量放线
根据图纸进行坐标换算得出每个分块网壳的水平投影坐标，之后利用全站仪放出各个节点的具体位置，要求偏差不小于1mm，并在地面上做好十字形标记，最外侧可稍微外放预留焊接收缩余量。此外，为了避免仪器系统误差，要求每次放线时室外气候和温度基本相同，且每个分块网壳放线作业必须一次成型，不允许在转换不同测站后重新放线。
（2）拼装胎架搭设
根据全站仪放出的各个分块网壳的水平投影位置，在其上部搭设各个分块网壳的拼装胎架，拼装胎架采用20a工字钢制作成倒T型拼装胎架。然后根据坐标换算后的各个节点的标高，在拼装胎架上部焊接支撑牛腿，并采用L50*5的角钢进行拼装胎架加固，防止拼装胎架倾覆。拼装胎架支撑牛腿标高的控制是决定分块网壳各杆件相对位置的关键性因素，在拼装胎架全部搭设完成必须进行整体复核验收。
根据深化图纸和拼装胎架搭设的位置，配合线锤进行杆件的拼装，先拼装主杆件、后拼装次杆件，节点的中心偏差不大于2mm。待主杆件拼装定位完成后，立即用马板将杆件和拼装胎架进行固定，确保紧固后方可进行下一根主杆件拼装。然后，采用钢卷尺在主杆件上标记出次杆件安装位置，并配合线锤、水准仪进行平面位置和标高调整；调整完成之后将次杆件与主杆件进行点焊固定。（3）杆件拼装
（4）相贯线焊接
待每个分块网壳拼装完成后，并经复查尺寸、坡口等情况合格后，即可进行相贯线焊接工序。焊接顺序为先焊接变形较大的杆件、后焊接变形较小的杆件，先焊中间再焊两边，先焊焊缝小的部位再焊焊缝多的部位，先焊受力大的杆件再焊受力小的杆件，先焊受拉杆件再焊受压杆件，先焊大管径杆件再焊小管径杆件。对于主杆件对接焊，采用双人对称焊接。
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杆件拼装 | 相贯线焊接 |
（5）焊缝检测
焊接完成24小时后，进行焊缝超声波探伤，检测焊缝内部质量。并采用焊缝量规检测相贯线焊缝趾部、根部的焊脚尺寸。正式吊装前，各个分块网壳的焊缝质量均检验合格。
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焊缝检测 | 构件吊装 |
· 构件吊装
首先，将北卡口两侧墩柱及之间平台钢梁安装完成。之后，采用全站仪放出支撑胎架搭设位置并安放支撑胎架。支撑胎架采用缆风绳进行固定，标高同分块网壳支撑节点位置圆管最低点标高。
采用220t汽车吊进行各分块网壳吊装。正式就位后，采用全站仪进行观测，采用千斤顶进行坐标细微调整，先平面位置后标高。平面位置调整后，立即在两侧焊接马板固定；标高调整后，在下部加设调节铁块。各分块网壳吊装顺序为：第1、2块→第3块→第4、5块→第6、7块，每个分块网壳吊装完成后立即采用25t汽车吊进行分块网壳之间杆件的补缺吊装。各分块网壳之间定位完成之后，必须待主杆件焊接完成，次杆件打底焊接完成后方可松构。
· 支撑架卸载
正式卸载前，进行网壳卸载前标高实测。
支撑胎架卸载采用分级同步卸载，采用割刀切割分块网壳下部调节铁块，一次性切割量为1-2cm。每个支撑胎架上调节铁块切削完成后方可进行下一次切削。现场过程中出现任何异常情况，必须立即停止卸载，待查明情况后再进行卸载。
卸载完成后，立即进行网壳成型标高复测。确定最终下挠程度。
仿真模拟
· 支撑胎架仿真分析
支撑胎架按集中荷载200KN进行考虑，模拟后，由应力云图得到支撑胎架加载后最大应力为70.85MPa，小于Q235B钢材屈服强度；最大应力比为0.3；最大位移量3.65mm。满足规范和设计要求。
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加载示意 | 应力云图 | 位移云图 |
· 网壳卸载仿真分析
网壳正式卸载前采用有限元进行仿真分析，模拟支撑胎架卸载工况，计算出理论下挠值。由应力云图可得知，卸载后最大应力为108.78MPa，小于Q345B钢材屈服强度，最大应力比为0.32，满足要求。最大下挠位置位于“飞机两翼”中部，大小为25mm。
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应力云图 |
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位移云图 |
网壳分块及支撑胎架布置
北卡口工程经过科学严谨的组织施工，最终25天内完成了主体结构施工作业，提前了5天完成了业主的要求；焊缝质量控制得当，一次性合格率达到了98%以上；卸载后两翼中部下挠最大值为23mm，与计算值25mm基本相同，也满足规范和设计要求；且整个施工过程中未发生任何安全事故。
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