技术论文
上海光源“鹦鹉螺”形钢屋盖安装工程中的几个关键技术
2016-09-12

上海光源“鹦鹉螺”形钢屋盖安装工程中的几个关键技术

夏凉风

(上海市机械施工有限公司  上海  200072)

       【摘  要】上海光源工程(SSRF)是国家重大科学装置,可以应用同步辐射光进行基础学科和应用学科的研究,建成后将成为我国高新科技的主要研究中心之一。该工程钢结构主要包括主体建筑钢屋盖(含劲性柱)、环形钢吊车梁、天桥、连廊等;尤其是钢屋盖,造型新颖,宛如“鹦鹉螺”状。多变的造型不仅给结构设计带来难题,也给钢屋盖的安装带来不少挑战。本文主要介绍了上海光源钢屋盖的现场安装中的几个关键技术。

       【关键词】上海光源工程 单层网壳 套筒节点 温度变形

       1 工程及结构概况

       上海光源工程(SSRF)位于上海浦东新区张江高科技园区内(见图1)。该工程的建设目标是建造一台高性能价格比的中能第三代同步辐射光源,运行能量为3.5GeV,环周长432m,具备同时提供六十多条光束线的能力,可以同时为近百个实验站供光。上海光源工程是我国有史以来最大的科学装置,建成后将成为我国多学科前沿研究中心和高新技术的开发应用研究基地;也是上海实施科教兴市战略,建设创新型城市的一项重大工程。同时也将成为世博会期间充分展示上海乃至中国科技实力的亮点之一。

图1  上海光源鸟瞰效果图                               图2  异形钢屋盖结构体系

       上海光源工程主体建筑屋盖采用钢结构,由8片异形双向弯曲的“花瓣”旋转而成,造型别致,整体结构宛如“鹦鹉螺”状。钢屋盖投影平面呈圆环形,环内直径117m,环外直径211m。屋盖结构由40榀箱形主梁与3道钢环梁(次梁)组成主要承重体系,主次梁形成的划格采用单层网壳填充(见图2)。主梁内端固定铰支于17m高的混凝土内柱柱顶;外端落地,与基础之间采用径向可动的单向滑动铰连接;跨中通过劲性钢柱与混凝土框架结构固接,形成两跨连续梁结构;为实现室内外基本一致的建筑效果,主次梁线形多变(图3)。主梁采用1500×750×24×24的箱形截面(图4);外环梁采用ø550×16的直缝钢管;中、内环梁采用700×400×15×15的箱型截面。而单层网壳更是曲面多变,国内罕见;单层网壳由环向梁(ø351×16及ø273×16无缝钢管)与径向梁(ø245×12无缝钢管)组成。主体建筑内部根据工艺需要,设有两台环形行走的吊车,其吊车梁采用比较少见的环形连续梁体系。本工程钢结构总重约5000t。

图3  一个节间的钢屋盖结构                             图4  箱形截面主梁

       2 钢屋盖安装工程的特点及难点

       2.1 根据对本钢屋盖结构的深入理解,我们认为该结构虽然造型新颖,但从基本结构体系来说,类似于传统的单层厂房结构。因此,钢屋盖的总体吊装技术路线的确定可借鉴常规的排架结构施工技术,取钟南捷径,化繁为简。

       2.2钢箱主梁呈多曲率折线形造型,重量不轻,且上下采用球铰钢支座(下支座尚带滑动功能);吊装阶段的构件稳定是需要重视的。

       2.3 单层网壳曲率多变,为无数理方程可描述的空间异型双曲面,投影面积大,与主梁、环向梁连接节点多。高空定位、变形控制有不小难度。受工期及土建等专业交叉施工制约,网壳吊装方案的选择需要综合考虑,取其最优。

       2.4 为确保工程总工期,钢屋盖安装与土建、预应力、屋面等需要交叉施工;由此带来的不仅是施工顺序的组织要求高,钢结构安装精度及初始内力受预应力的张拉影响大,需要着手研究对策。

       3钢屋盖安装的几个关键技术

       针对以上的特点及难点,我们有针对性的进行了技术研究,形成了以下几个关键技术:

       3.1钢屋盖总体吊装技术路线的确定

       为确保建安工程的如期竣工,钢结构要求必须与土建交叉施工。根据工程总进度安排,土建环建筑分块施工,分批交付钢结构吊装;因此,钢结构吊装与土建同步分区,分成8个区块(图5)。

图5  钢屋盖施工分区                           图6  一条作业线现场实景

       钢屋盖总体安装技术路线是:构件分段分块;两条作业线、跨内外节间综合吊装。对于每条作业线,经过从技术、经济、市场租赁行情等多角度比选,采取跨外1台250t履带吊和跨内1台150t履带吊的机械组合。两机协作边吊边退,直至到东区最后开间合龙,整个钢结构屋盖成型(图6)。

       为保证施工阶段的结构稳定,除设置临时支撑、缆风绳外,在单个节间的构件吊装顺序上遵循两榀外段主梁中环梁两榀内段主梁内环梁分块网壳的原则,以便及时形成稳定的空间体系。图7为一个区块的钢结构施工流程。

图7  一个区块的钢结构施工流程

       3.2 多曲率钢箱主梁安装

       主梁工厂小分段加工完后运输至现场,进行吊装单元的扩大拼装。单榀主梁总长超过60m,重量超过60t,无法单机起吊。因此,主梁分成两段。分段主梁线形曲率多变,投影线又是折线,重心位置寻找困难。因此,事前通过对主梁三维模型的计算机分析,找出各种线形的主梁重心,有的放矢地设计吊点索具,确保起吊时构件的姿态准确,方便构件就位(图8)。

       主梁两端采用了铰支座,尤其是落地支座还有滑动功能。在钢屋盖安装阶段,必须采取临时限位措施(见图9),以防发生转动和滑动位移,影响构件的安装精度。限位措施在分块钢屋盖全部安装完后,卸载前予以撤消。

                              图8  主梁吊装实况                   图9  支座临时限位措施

       3.3 不规则曲面单层网壳分块安装及套筒节点的采用

       单层网壳的吊装是本工程的难题之一。由于造型特殊,似“鹦鹉螺”却非标准螺线,无法进行数理方程拟合,不规则曲面单层网壳的各节点坐标没有任何规律可循。如果采用高空散装方案,一方面,所有节点需要依赖全站仪坐标法定位,测量定位工作量极其庞大;另一方面,散装钢管杆件为“双向弯曲‘的构件,其高空定位也是个复杂的问题,安装效率低。况且高空散装需要的大面积支撑系统将占据绝大部分的施工面,制约其他专业的施工;由于这种制约时间长,与前道工序是流水作业,在总工期计划上是走不通的。

       基于以上的考虑,最终确定网壳地面拼装、分块吊装的思路。这种方案无需临时支撑,拼装可与其他工种搭接进行,对总工期的贡献比较大。一个节间的网壳基本依据渐开线分成4~6块,一个分区的网壳共分成25块,每块的形状均不同,最大块展开面积达250m2。因此根据进度要求,每个吊装分区设置25个拼装胎架,并采用全站仪坐标法定位。为降低胎架高度,节约胎架成本,提高拼装操作的安全性,对高差比较大的分块网壳,通过旋转放平的非正造法拼装,节点坐标通过计算机换算得出。
分块吊装存在两个需要解决的问题。一是需要有效控制分块网壳的吊装变形。单层网壳平面外刚度比较差,为确保吊装过程中的变形不致超限,我们事先通过有限元分析,对分块网壳进行吊装分析,通过调整吊点位置、数量,巧妙地利用“吊装预起拱”效应,使吊装变形与自重变形这两种反向变形相互叠加后基本抵消,经实测,安装完后的自重变形全部控制在限值内。

       二是需要解决分块网壳的多点高空对位问题。单层网壳的多点高空对位是整个吊装过程中最繁琐的工序,一块网壳与周边结构最多有十几个对接接头,同时对准的难度很大,效率很低,质量也不高。为此,我们借鉴国家大剧院钢壳体中的节点形式,提出了在网壳钢管与主梁之间采用套筒节点的建议,并得到设计师的采纳;该节点构造为:网壳钢管通过一外套筒与主梁连接,外套筒与主梁腹板通过全熔透焊缝连接,网壳钢管插入外套筒,并通过4条相距1/4圆弧且平行网壳管的槽焊及外套筒端部的圈周角焊连接,为保证力的传递及箱梁腹板的稳定,在两腹板之间加设内加劲管。

图10  套筒节点试验

       为确保套筒节点的刚接性能,我们委托同济大学对套筒节点进行试验及理论分析(图10)。破坏性试验结果表明在平面内、外弯矩的作用下,该节点区域屈服的顺序均为:与套筒连接处的网壳钢管管壁→外套筒根部管壁→主梁腹板;试验首次记录到的网壳钢管的屈服弯矩为设计弯矩的3倍以上,套筒屈服弯矩为设计弯矩的5倍以上,试验最大弯矩达到设计弯矩的9倍以上,极限弯矩相对于节点域首次屈服弯矩来说具有较大的强度储备,表明该节点设计抗弯承载力足够,即平面内外均可作为刚性连接;并且满足“强节点、弱构件”的抗震设计要求。同时进行的弹塑性实体有限元分析结果与试验结构吻合较好,为试验结果提供了可靠的校验。

       单层网壳结构外露,为保证产品外观,采用吊带作为吊装索具;套筒节点的采用极大的简化了高空安装,效率大幅提高,安装质量也有很好的保证(图11)。

                       图11  单层网壳分块吊装                         图12  套筒节点变形缝的设置

       3.4 钢结构施工变形缝的设置

       由于进度紧张,土建在每个区块完成第二道混凝土环梁后即交付钢结构施工。一个区块的钢结构安装完毕后再移交土建继续施工第三道混凝土环梁,以此搭接,节约工期。这种相互交叉施工带来的最大问题是配置后张预应力的第三道环梁在张拉时对已经成型的钢屋盖的内力产生影响,增加钢屋盖的初始应力,相应地减少结构的应力储备,降低结构安全度;而同时,成型钢屋盖强大的约束作用将导致预应力的损失达50%之多。为解决这一突出矛盾,经过计算研究,我们充分利用套筒节点的优势,设置钢屋盖施工变形缝。即每榀主梁左侧的所有套筒节点永久焊接固定,右侧仅施焊套筒与主梁的连接焊缝,而套筒与网壳杆件之间的焊缝预留,以保证套筒与网壳管之间可伸缩(见图12)。对于中环梁,同样地左端焊接,右端通过设置装配板临时固定,装配板开腰圆螺孔。一个区块的预应力张拉完毕后封闭钢屋盖的变形缝。

       对于环形封闭的结构,施工期受温度影响比较敏感。在消除这种由温差引起的不利影响上,上述变形缝的设置起到了一举两得的功效。实际上,由于钢结构是半成品安装,施工进度很快;而土建受混凝土龄期等影响,相对进度较慢。钢结构全部吊装完毕时(比计划进度提前15天),土建、预应力远远跟不上;因此,钢屋盖基本没有一条变形缝可以封闭,无形中大大消除了从二月份开吊至四月份底的大温差影响。

       4 结语

       上海光源钢屋盖工程从2006年2月5日正式开始吊装,于2006年4月底顺利合龙,比合同工期提前15天完成任务,工程质量完全达标,也验证了本施工方案的合理性。应该说顺利地完成此项工程,前期大半年的技术协调、技术准备工作功不可没。作为上海光源钢结构工程的主承包商,我们在工程前期进行了无数次的技术协调工作。本着科学合理的出发点,在扩初设计阶段,我们即与设计单位就钢材选型、截面选择、节点设计等方面进行沟通,从结构施工角度提出合理的建议。前期阶段解决了绝大部分的施工技术问题,为后续吊装从技术上铺平了道路,正所谓“磨刀不误砍柴工”。