空間曲面異型鋼與型鋼混凝土組合結構關鍵施工技術

1、 空間曲面異型-鋼與型鋼混凝土組合結構施工關鍵技術何琳中鐵二十局集團第六工程有限公司 陜西西安710032西咸空港綜合保稅區(qū)事務服務辦理中心工程位于陜西省咸陽市渭城區(qū)北杜鎮(zhèn)鄧村村北，西部緊鄰208省道?？偨ㄖ娣e70203，總建筑高度29m。地下一層，地上七層，地下一層為車庫、員工餐廳和設備用房，地上七層均為辦公用房。地下一層建筑面積為21235，地上建筑面積為48968。工程總造價5億元。整個工程鋼結構用鋼量9500噸，鋼筋用量7500噸，鋼材總量1.7萬噸，混凝土總量52000m³。本工程于2012年12月開工，主體結構計劃于2014年5月1日完工，裝飾裝修及機電安裝計劃于201

2、4年11月30日完工。1 結構概況本工程為鋼+型鋼混凝土+鋼筋混凝土混合框架結構，由68條鋼結構球面曲肋和七道型鋼混凝土環(huán)梁組成，整個建筑形體類似于“飛碟”，外圍輪廓是球面圓形，造型獨特，結構新穎。該建筑將是西咸空港新城的地標，被業(yè)界專家譽為西北的“鳥巢”，也是國內采用空間鋼結構+型鋼混凝土組合結構的罕有建筑。2 巧妙的“三切一頂”設計構思本工程體形定位構思精巧，極富想象力和創(chuàng)造性。具體定位步驟如下：2.1用平面與球體相切，形成球冠部分。2.2球冠部分與圓柱相切，保留圓柱內相切后形成部分，并將圓柱面和球面組成部分倒角。2.3 該部分形體與圓環(huán)相切，刪除圓環(huán)間的體量，該形體被分為兩部分。2.4

3、內圓環(huán)球面與圓錐相頂，錐面與球面相接部位倒角，掏去圓錐面部分，即為最終形體。3 工程施工技術重難點3.1 異型鋼結構制作與安裝復雜本工程鋼結構主構件為十字型勁性柱、箱型勁性柱和H型勁性鋼梁以及日字型球面曲肋，結構與傳力形式復雜。采用8.4×8.4m矩形軸網布置，地下室155×141m，上部結構造型的特殊性與矩形軸網布置的結合，使得上部結構需要在地下室頂板進行傳力轉換。球面曲肋有以下3種組成形式。地下一層共有259根型鋼混凝土柱，型鋼截面類型共計42種，分為十字形、箱型兩大類，十字形型鋼截面為500×500×300×25mm，箱形型鋼最小截面為5

4、00×500×25mm，最大截面為1600×1200×25mm。箱型型鋼截面有“日”字形、矩形兩大類，“日”字形截面柱在節(jié)點區(qū)域局部變截面為“田”字形。所有伸出±0.000m的型鋼柱截面均轉換為十字柱，且向上延伸。球面曲肋曲率各不相同，制作精度控制難度大；跨度大，傾斜角度大，安裝精度控制難度大；焊接作業(yè)量大，焊接要求高，高空焊接施工難度大；型鋼柱、梁與鋼筋砼施工交叉作業(yè)，施工組織難度大；大量的起重機械交叉作業(yè)，施工安全風險高；整體結構面積大，層數(shù)少，大型起重設備需在地下室頂板上進行吊裝作業(yè)，頂板支頂措施復雜；構件傾斜角度大，且為曲面，定位測量控

5、制難度大；構件種類多，唯一性高。3.2型鋼混凝土梁柱節(jié)點施工復雜本工程為鋼與型鋼混凝土組合結構形式，有大量的型鋼混凝土柱、梁構件，鋼筋與型鋼的縱橫交錯使得梁柱節(jié)點施工變得異常復雜，梁上、下部縱向鋼筋伸至十字柱、箱型柱翼緣及腹板處，連接形式各不相同，縱橫梁鋼筋交錯，鋼筋與型鋼連接精確定位難。3.3無后澆帶超長混凝土結構裂縫控制施工難度大地下室南北長155m，東西長141m。鋼筋混凝土框架結構的伸縮縫最大間距為55m，地下室長寬兩個方向均超過了規(guī)范中設置永久性縫的規(guī)定，屬超長結構。地下室頂板存在兩道環(huán)形型鋼梁與異型交叉型鋼梁，縱橫交錯，不便留置后澆帶，且后續(xù)地上部分鋼結構吊裝時，大型起重設備需在地

6、下室頂板上進行吊裝作業(yè)，若通過后澆帶將對結構安全性造成極大隱患。因此，如何有效控制無后澆帶超長混凝土結構裂縫是本工程的難點。3.4結構應力應變監(jiān)測工況復雜 本工程結構形式復雜，傳力路徑多變，豎向支撐體系采用型鋼混凝土柱，球面曲肋通過型鋼拉梁與型鋼混凝土柱剛接。而鋼結構施工過程中，豎向支撐體系及水平約束構件并未成型，型鋼混凝土柱、梁只有內部的型鋼參與受力。球面曲肋直接通過型鋼柱、梁將所受內力傳遞至地下室頂板，結構存在不穩(wěn)定性。因此，在鋼結構施工過程中，需要在特定的階段（吊裝、合攏及逐步加載）和特殊氣候條件（高溫和低溫）下，對結構進行應力應變監(jiān)測，全面掌握施工過程中的實際受力狀態(tài)，與設計受力狀態(tài)進

7、行實時比較，確保施工過程中的結構安全。4 解決方法本工程運用BIM技術根據設計圖紙對鋼結構部分進行三維建模，在可視化的三維模型中，將所有鋼構件進行拆解、分段，并逐一編號，經反復校核后，下料加工。安裝時，先安裝地下室型鋼柱構件，待校核無誤后，安裝地下室頂板型鋼梁，型鋼梁、柱采用栓焊連接方式。安裝完成后，施工地下室柱、梁板鋼筋混凝土。地下室頂板混凝土強度達到設計強度后，開始安裝地上鋼結構構件，先安裝地上型鋼柱，再安裝柱間型鋼梁，完成后，安裝球面曲肋豎直段部分，最后安裝球面曲肋，每榀球面曲肋安裝采用兩臺吊車抬吊方式進行。采用BIM技術對鋼筋與型鋼構件的碰撞點進行檢查，在可視化三維模型中，對每個碰撞點

8、均進行模擬，分析每個碰撞點的情況，調整鋼筋與連接板的位置及型鋼柱腹板穿孔位置，精確定位后，在加工廠進行連接板與構件的定位焊接及腹板打孔。確保了鋼筋與型鋼的準確連接，有效解決了鋼筋與型鋼交叉碰撞，連接困難等問題。超長無縫混凝土施工技術是以補償收縮混凝土為結構材料, 以加強帶取代后澆帶進行連續(xù)澆筑的施工方法。利用補償收縮混凝土在硬化過程中產生的膨脹作用和鋼筋的鄰位約束, 在結構中建立少量預壓應力, 通過調整混凝土中膨脹劑摻量使不同區(qū)段獲得不同的預壓應力, 以此來補償混凝土在硬化過程中因溫差和干縮產生的拉應力, 從而防止裂縫出現(xiàn), 起到抗?jié)B、防水的作用。使用這種方法可連續(xù)澆筑100200 m超長混凝土結構。在球面曲肋吊裝過程中，選取曲肋低端部分南北兩個側面、高端部分兩個側面、曲肋跨中上表面為監(jiān)測點，布置6個應力應變傳感器。應力應變監(jiān)測采用振弦式傳感器，如圖3.1所示。 從整個應力監(jiān)測結果得出，球面曲肋吊裝完成后，北側肋梁低端往北傾斜，南側高端往南傾斜。該監(jiān)測結果與有限元分析相吻合。目前，在集團公司的大力支持下，經過有關各方的通力協(xié)作和專家指導幫助，項目已經順利