单层网壳结构高空累积滑移施工技术

摘 要：北京华能大厦形成了单层网壳结构高空斜轨累积滑移成套施工技术，本施工系列技术中的多项科技成果在国内尚属先进技术，其中的几项成果在国内还无类似施工经验，根据类似工程的实际情况，并结合相应的标准、规范，进行全面集成，对施工采用的新技术进行系统总结，形成一套较为完整的大跨度网壳钢结构建设成套技术，实用性和指导性强。

关键词：钢结构；累积滑移；单层网壳；胎架；支座

1.工程概况

华能大厦工程位于北京市西城区复兴门内危改区8-2#地块，南起东铁匠胡同，北至复兴门内大街，东起教育西街，西至草坪东路。工程占地面积17644m2，总建筑面积128580m2，建筑高度55m，地上11层，地下3层（局部5层），主体结构体系为框架―剪力墙结构。

1.1单层网壳工程概况

华能大厦中庭屋盖采用三向网格单层圆柱面网壳结构（图1.1-1），网壳两端支座位于F11高度处（结构标高为46.4m），支座采用抗震单向可动球形钢支座。屋盖顶面为采光玻璃屋面。网壳结构跨度33.6m，长度92.4m，网壳结构矢高为4.32m，但是由下部混凝土结构中心线至屋盖结构中心线距离为5.25m，由周边主体混凝土结构如柱、梁和墙等共同支撑。网壳结构重400多吨，跨度33.6m，长度92.4m，网壳结构矢高为4.32m，由周边主体混凝土结构支撑。受力杆件采用不等厚焊接方管；网壳节点为刚接节，共分为A、B、C、D、E、F、G等7类，其中A类节点620个，B类节点14个，C类节点16个，D类节点4个，E类节点40个，F类节点40个，G类节点2个。

网壳结构平面布置图，如图1.1-2所示：

网壳结构立面图，如图1.1-3所示：

网壳结构剖面图，如图1.1-4所示：

网壳结构三维示意图，如图1.1-5所示

网壳结构与主体结构的连接形式，如图1.1-6所示

典型杆件截面，如图1.1-7所示：

内部纵向构件：300X100X8X8

边缘纵向构件：300X100X12X24

斜向构件：300X100X8X24

铸钢件：300X100X30X30

典型节点形式，如图1.1-8所示：

2.技术特点与难点

（1)钢构件加工质量的控制

现场钢结构的安装进度及安装质量受加工厂的加工质量影响大，钢结构的施工质量必须从钢结构所用的原材料进厂到构件成品出厂全过程进行严格把关控制。焊接箱形杆件的四条含缝均为融透焊缝，焊接质量要求较高。杆件不等壁厚，尤其是大部分杆件均采用8mm厚的钢板。杆件整体截面小且壁薄对焊接加工及校正的要求非常高。

（2）结构的测量、放线和校正

为实现中庭屋盖整体曲面效果，各构件的安装定位、标高测量控制及安装校正是现场安装能满足设计要求的前提，拼装、安装测量定位是本工程的重点，要高度重视，精心施测，测量工作要贯穿于施工过程始终。

（3）现场场地布置

本工程拼装单元个体大，拼装场地需求量多，而现场场地有限，构件的拼装、存放量受到限制，构件进场计划要周全。

（4）网壳结构现场拼装

本工程构件比较复杂，尤其是网壳钢构件的现场拼装。结合本工程的实际情况以及现场塔吊的起重能力，我们将在加工厂内完成部分杆件与铸钢节点的拼装（主要是纵向杆件与铸钢节点的拼装），然后再在施工现场进行二次拼装。由于网壳长度长，需要将主体结构东侧的十层顶板作为拼装场地，搭设拼装胎架，分段进行拼装。拼装胎架的搭设对保证拼装质量是起着决定性作用的，如何采用合理的拼装胎架是本工程施工的又一重点。

（5）高空焊接对安装质量的影响

由于现场安装时散件较多，现场高空焊接接口数量较多，因此焊接变形与安装误差对结构内力影响较大，如何避免构件焊接收缩时产生的空间三维变形以尽量减少变形对结构内力的影响是安装的一个重点。因此为尽量避免由焊接变形与安装误差引起的结构内力变化，网壳主钢构件与网壳主钢构件对接焊时采用安装耳板做临时固定，以减少安装误差；网壳纵向钢构件与斜向杆件焊接时应先点焊固定，严禁上下对接接错焊接；在杆件拼装过程中，考虑一定的焊接收缩余量；为控制焊接变形，焊接过程采用同步对称焊接施工工艺。

（6）滑移施工

本工程的安装方案是采用累积滑移的施工技术，滑移施工是本工程安装过程中的重中之重。采用合理的滑移设备及合理的施工工艺是对整个安装过程起决定性作用的。

（7）安全施工

高空施工时的电焊火花必须进行有效防护，除了高空有防火措施外，地面上应设专人看火防火；在高空作业时需拉置安全绳，保护操作人员的安全。

3.关键技术

华能大厦中庭屋盖结构形式新颖，结构受力复杂，工期紧张，质量要求高。为保质保量完成网壳结构施工，我单位成立科技攻关小组，进行了积极探索，不断实践，创新总结了连接节点的优化、滑移单元的设计、拼装胎架的设计和施工、斜轨滑移系统设计与施工、滑移单元拼装施工、累积滑移同步控制等六项关键技术。

3.1连接节点的优化

华能大厦中庭屋盖采用三向网格单层柱面网壳结构，受力杆件采用不等厚焊接方管，连接节点没有采用通用的焊接球、螺栓球节点，创新性地采用了铸钢节点。以跨中节点为例，跨中节点最初为板焊接节点，经过科技攻关小组研究及咨询相关专家意见，考虑便于拼装及控制焊接变形，由板焊接节点优化为具有六个对接口的铸钢节点，并最终优化为具有两个对接口加两块耳板的形式。跨中节点的优化过程见图3.1。

3.2滑移单元的设计

滑移单元根据工程设计的结构特点和结构滑移方式合理划分滑移单元，滑移单元的合理划分对滑移时结构的稳定性、累积滑移能否顺利施工起着至关重要的作用。华能大厦中庭屋盖网壳钢结构位于⑸～⒃/D~H区域，共11跨，长92.4m，具体滑移单元如图3.2所示。

3.3拼装胎架的设计和施工

由于拼装胎架贯穿钢结构施工安装全过程，这期间胎架与结构是作为一个整体共同作用，故需要有较高的刚度、承载力和稳定性。主要施工技术如下：

（1）定位放线

按照控制轴线将纵向杆件中心线放到楼板上，来确定胎架立柱的位置，以保证滑移单元的顺利滑移及安装。

（2）胎架支墩的安装

根据定位放线结果，在要搭设胎架的作业面上以十字线标注出胎架立柱的位置，并根据立柱的位置安装立柱支墩。为了增强立柱的稳定性，在每个胎架立柱的底部设置了支墩以增大受力面积，为保证支墩位置的固定，设置的支墩均采用角钢相互连接。支墩如图3.3-1所示。

（3）胎架立柱的安装

在固定好的支墩表面上划出滑移单元拼装时方管的中心线，然后将胎架的立柱固定在支墩的十字交叉部位。通过整体分析验算可知，在施工阶段网壳的最大变形约为12mm。因此在施工过程中网壳按下图最大预起拱15mm。预起拱示意图如图3.3-2所示。

（4）胎架立板、刀板的安装

为使滑移单元拼装完成后顺利卸载、脱胎，须在立柱上端安装可以调控的支撑。即在立柱封头板上立一块立板，再在立板上连接一块开有长圆孔的刀板，长圆孔里穿两条螺栓。见图3.3-3、3.3-4。

胎架的设置位置根据杆件的分段位置确定，保证每段杆件有三个支撑点，共设置六道胎架，102个支撑点。见图3.3-5。

根据不同的位置在纵向杆件调整基本到位后，将刀板与立板的连接螺栓连上，准确调整纵向杆件的角度和高度后把螺栓拔紧，并在刀板的下部点上一个挡块。

(5）刀板的卸除

滑移单元拼装完成后，卸除刀板，使滑移单元脱离胎架，并与上一滑移单元进行对接。

卸载时将下部挡板打掉，松掉螺栓，刀板即可与网壳脱离。见图3.3-6。

(6)刀板的重新校正、安装

滑移单元成功滑移后，在下一滑移单元的安装前，进行刀板的重新安装、标高校正。

(7)拼装胎架的拆除

大跨度圆柱面单层网壳钢结构顺利滑移完成后，即可开始拼装胎架的拆除。

3.4斜轨滑移系统的设计与施工

华能大厦中庭屋盖网壳结构滑移轨道采用斜向轨道设计，累积滑移时不需要导向轮，较好地抵消了圆柱面单层网壳结构的拱脚推力，控制了滑移单元的结构稳定性。主要施工技术如下：

(1)斜向滑移轨道的安装

斜向轨道设置如图3.4-1所示。

按照轨道断开的位置，用塔吊将轨道安装到位，安装时施工人员站在操作平台上对滑移梁定位焊接。安装轨道前首先复测轨道方管的直线度，轨道在安装前打磨平整，以减小滑移过程的摩擦力。

安装斜向滑移轨道过程中，用线绳来控制好轨道的直线度，用水准仪来控制轨道水平度，且每安装一段复查一次。如图3.4-2所示。

在两个埋件中间的2100mm空挡，用100*8角钢将轨道的腾空位置与埋件连接，作为轨道的支撑，防止构件滑移到此轨道的变形。如图3.4-3所示。

(2)滑移牵引装置的安装

经过设计验算，累积滑移的牵引用2台200吨液压千斤顶，在两侧的滑轨上分别设置一台，预先要在轨道所在轴线的延长线上，在D轴线、H轴线与3轴线交叉，分别设置两个固定千斤顶的埋件。采用穿心千斤顶的埋件形式如图3.4-4所示。

(3)牵引钢绞线的选用

滑移轨道长120米（两根），右端一直延伸到东侧10层顶拼装场地的右边缘。经计算液压牵引单侧采用8根直径为Φ15.2mm，强度等级为1860MPa的低松弛钢绞线。见图3.4-5。

3.5滑移单元拼装施工

1.杆件拼装

1）现场整体拼装的顺序是，先吊装网壳主方管用定位块定位，保证中心线、角度、以及端面垂直度，然后安装斜腹杆方管。纵向杆件拼装见图3.5-1所示；

2）先装滑移单元中间处斜腹杆杆件，然后向两边扩展，安装时应注意对称，斜腹杆的安装见图3.5-2所示。

3）组装中所有杆件按照施工图控制尺寸，各杆件的力线应汇交于节点中心。网壳每榀滑移单元的纵向杆件单根支撑点不应少于2个；

4）组装纵向构件控制好基准线、中心线，并与拼装胎架的基准线相一致；

5）在胎架上组装全过程中，一般不得对构件进行修正，切割或捶击等；

6）分段开口处应设置临时支撑封闭，防止变形，见图3.5-3所示。

2.现场焊接

主方管与铸钢节点的对接焊接在工厂内完成，现场拼装主要有如下两种情况：主方管(Q235B)与主方管(Q235B)之间的对接，接头的具体形状尺寸如图3.5-4所示。

铸钢节点与腹杆之间的连接角焊缝。如图3.5-5所示。

1）焊前将坡口污渍清除干净。

2）装焊垫板，其表面清洁程度要求与坡口表面相同，垫板与母材应贴紧，

3）焊接：第一层的焊道应封住坡口内母材与垫板之连接处，然后逐道逐层累焊至填满坡口，每道焊缝焊完后，都必须清除焊渣及飞溅物，出现焊接缺陷应及时磨去并修补。

3、卸载、脱胎

滑移单元体采用分步对称卸载的技术进行每榀滑移单元体的卸载，即先从拼装胎架的最高点开始卸除刀板，观察单元体的变形情况，然后对称向低点卸载，最后完成每榀单元体的完全卸载。见图3.5-6。

4.对接、合拢

根据工程特点，每两榀滑移单元之间有两条合拢线，共15个合拢口。

1）在进行滑移单元的安装时，要尽量控制合拢口的间隙大小。

2）滑移单元安装就位后，除合拢口不进行焊接连接外，其它接口部位均需及时焊接完毕。

3）为确保合拢口在施工过程中因温度变化而自由伸缩，合拢口采用卡马搭接连接，卡马的大小和数量需根据该接口部位的受力计算确定。

5.滑移

滑移设备应优选带计算机控制的液压同步系统，系统同时控制两台液压千斤顶的油路和行程，可在操作界面上显示滑移时不同步的差值。

开始滑移时，牵引装置应缓慢加载，依次为所需牵引力的40％、60％、90％，在一切正常情况下，可继续加载到100％。网壳滑移过程中，两端的不同步值不应大于50mm，滑移速度控制为6-10m/h。

每次滑移的距离恰好为一个拼装单元，以便于下一个拼装单元的施工。滑移的距离应保证既不影响下一拼装单元的施工，又不至于形成过大的合拢缝隙。滑移步骤见图3.5-7。

6.支座转换

滑移采用直接就位，轨道通长布置，在滑移到位后停止滑移，将正式支座处轨道割除，安装好正式支座，网壳直接在正式支座上固定。为保证网壳安装精度以及检验达到规程要求的精度要求，所以必须进行细致的拼装测量。拼装时网壳结构节点空间坐标的测量见图3.5-8。

3.6累积滑移同步控制

本工程滑移轨道斜向设置，兼之网壳结构跨度较大33.6m，矢高高（4.32m），滑移单元重（最后一次滑移，结构重达400多吨）的特点，为有效控制结构自重产生的拱角推力，避免滑移时的不同步现象，选择了以下几种累积滑移同步控制的方法:。

（1)标尺、对讲机辅助控制。

在滑轨的两侧标出尺寸(图3.6-1)，且保证两侧的钢卷尺零读数一致。滑移过程中两侧操作人员用对讲机随时报告滑移距离的准确数值进行同步控制。

（2)计算机智能同步控制。

为了实现整体滑移系统的自适应控制和运行自动化，采用计算机控制液压同步提升系统，可以在操作界面上很方便地观测出累积滑移时不同步的差值。见图3.6-2。

（3）临时拉结措施

拉结装置可采用钢丝绳、钢绞线或型钢，拉结装置可提前施加预应力。拉索在滑移单元每滑出拼装平台一个滑移单元宽度后安装支座间的临时拉索，安装后给每根拉索施加初始张拉力，见图3.6-3。

滑移单元拼装对接完成后，经过系统的、全面的检查无误后，进行正式进行高空累积滑移作业。

4.结语

本技术于2009年1月19日通过中建总公司组织的技术鉴定，技术水平达到"国内领先"水平。

华能大厦中庭屋盖网壳结构比计划工期提前25天完工，节约成本82万元，节约脚手架体系约80%，成形后质量合格，观感效果好，一次性通过四方验收，获得业主、设计、监理的一致好评，收到很好的经济效益和明显的社会效益。

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