唐山勒泰中心大跨度屋面单层网壳施工方案优选

 高明德

 （中铁城建集团北京工程有限公司，北京  100024）

[摘要]对大跨度屋面单层网壳提出了整体提升和分块提升两种网壳安装方案，利用MIDAS/CEN有限元软件建立网壳屋面施工全过程仿真模型，得到不同方案下结构的力学响应，从质量控制、施工过程中结构受力等方面对比得到两种安装方案优缺点及适用性，最终确定整体提升方案为该工程采用，圆满地解决了工程难题，保证了工程进度及质量。

[关键词]钢结构；单层网壳；MIDAS/GEN；施工全过程；仿真

[中图分类号] TU758. 11 [文章编号]1002-8498(2016)10-0026-04

 施工是结构逐步成型、荷载逐步施加的连续过程。对于复杂结构，其受力和变形更是与施工过程密切相关，应综合考虑多种施工方案，通过对施工安装全过程进行仿真分析，确定施工过程中及成型后各关键构件内力变化特点及规律，综合考虑施工过程中各方面影响因素，获得最佳施工方案。

 单层网壳是典型的缺陷敏感结构，对施工过程中的变形控制和安装精度要求十分严格。单层网壳在施工中几种常见施工方法分别为高空散装法、整体提升法、分条分块安装法。

 工程中通常由于建筑空间要求，网壳下部空间直通地面，若采用高空散装法，则需在网壳下布置满堂架，脚手架用量大、经费高、工期长，同时安装精度及作业安全性无法得到保证，针对该类工程条件对比分析整体提升及分块提升两种方法，为后续工程提供参考。

1  施工方案简介

1.1  工程概况

 唐山勒泰中心项目A区商业综合体屋盖为钢结构穹顶造型（见图1），净跨39m，高度27.5~34m。单层网壳外接环桁架，环桁架与下部混凝土结构通过6根钢树权柱连接，共同组成穹顶。

1.2  整体提升方案简介 

整体提升法是柔性提升拉索承重、计算机控制、液压装置同步出力提升的原理，将网壳整体提升到预定位置，补装后续杆件，然后与外围结构焊接，形成网壳整体。本工程中提升网壳质量约34 241. 1kg，为保证提升系统稳定出力，网壳提升中受力均匀，外围环桁架受力合理，采用16个吊点的提升方案，如图2所示。

1.3分块提升方案简介

 分块提升法是将结构划分为若干条状或块状单元，单元在地面拼装后吊装到设计位置，连接形成结构整体，再补装部分后装杆件，完成施工。本工程中单元划分如图3所示，分为2种吊装单元及网壳中间部分后补装杆件。吊装单元1质量约5 423. 6kg，单元2质量约2 916. 7kg，网壳中心后补装杆件质量约879. 9kg。

2施工仿真分析

2.1模型建立

 施工全过程仿真分析采用有限元软件MIDAS/GEN进行。有限元仿真模型中网壳杆件及钢柱采用梁单元，提升拉索采用桁架单元。

 施工过程中考虑的荷载主要是网壳自重，包括杆件及节点；施工完成后考虑屋面吊装荷载。由于有限元模型中没有考虑焊接球节点质量，分析过程中通过在模型节点上施加均布荷载等效。

2.2施工阶段

 1)阶段1（提升前准备）  在网壳提升前，设置施工步模拟网壳外围结构及临时支撑成型，同时根据提升要求设计提升系统等临时结构，为网壳提升、合拢提供精准的边界条件。

 2)阶段2（提升过程）  网壳（吊装单元）在提升过程中由于提升速度缓慢且过程平稳，可将该提升过程网壳（吊装单元）受力看成受静力过程。

 3)阶段3（补装、合拢）  网壳（吊装单元）提升就位后，补装剩余杆件，与外围结构连接成一体。

 4)阶段4（分级拆撑）  网壳在安装完成后分级拆撑，荷载、变形逐步释放。

2.3计算结果

2.3.1整体提升法结果

 网壳采用16个提升点同步提升，提升过程中网壳不考虑动力效应，杆件应力如图4a所示，最大拉应力约为19.82MPa，最大压应力约为28.13MPa。

 网壳与外围环桁架对接完成后，施加屋面恒荷载，再逐步卸载临时支撑，待施工完成后杆件应力如图4b所示，最大拉应力约54.80MPa，最大压应力59.66MPa。

 提取网壳中关键杆件（杆件a，b，位置见图4b）在各关键施工阶段的受力状态，如图5所示。阶段1是网壳提升到位后与环桁架完成对接后的受力阶段；阶段2是在网壳上施加屋面恒荷载后的受力阶段；阶段3是所有临时支撑逐步卸载完成后，网壳正常工作阶段。网壳在提升过程中外围环桁架会受到提升架反作用力，提取该过程中环桁架应力结果，如图6所示，环桁架中杆件最大拉应力值约为43.33MPa，最大压应力值约为46.49MPa。

2.3.2分块提升法结果

 在分块提升方案中，网壳被分成8个吊装单元分块提升，先实施吊装单元1的提升安装，再实施吊装单元2提升安装。单元在提升过程中杆件应力如图7所示，吊装单元1在吊装中杆件最大拉应力约49. 07MPa，最大压应力约63. 78MPa，而吊装单元2吊装到位后，两种单元中杆件的最大拉应力约49. 39MPa，最大压应力约63. 39MPa。

 同理，采用分块提升法施工，网壳最终成型后杆件应力状态如图8所示，杆件最大拉应力约55. 09MPa，最大压应力约为69. 21MPa。

 提取网壳中关键杆件（杆件a，b，位置见图8）在各施工关键阶段的受力如图9所示。3阶段与整体提升方法对应3阶段定义相同。同样提取提升过程中外围环桁架杆件应力结果，如图10所示，杆件最大拉应力约为62. 46MPa，而最大压应力约为62. 54MPa。

3  方案对比分析

 工程施工方案的选择需考虑工期、施工质量控制、场地条件等多重影响因素，故本文将结合仿真分析结果从网壳受力、变形、施工难易程度等多方面对比两种网壳提升方法。

3.1  网壳受力及变形情况

 1)网壳受力  两种施工方案下在网壳提升过程中应力相差较大，对比图4和图7结果，整体提升方案中网壳受力相对均匀，最大拉应力约19. 82MPa,压应力约28. 13MPa;分块提升方案中吊装单元受力较大，且分布不均匀，最大拉应力约49. 39MPa，压应力约63. 39MPa。

 2)网壳变形  提取两种方案下相同关键节点（节点c，d，位置见图7）竖向变形数据，结果对比如表1所示。阶段1为网壳提升中，阶段2为与环桁架对接后，阶段3为施加完屋面恒荷载后，卸载结束，施工完成。

 分块提升方案中关键节点竖向位移值大于整体提升方案中对应结果（见表2）。分块提升方案中网壳某些节点变形较大；而整体提升下网壳变形相对均匀，这与受力结果相一致。

3.2  网壳拼装质量控制

 整体提升方案中网壳于地面完成全部拼装，故就网壳的焊接质量、拼装精度来讲，整体提升方案控制更加容易；分块提升方案存在网壳中心杆件高空补装及高空焊接，焊接质量相对难以控制，且需另外布置操作平台。

3.3环桁架受力

 对比图6和图10，整体提升方案中环桁架应力最大值比分块提升方案中结果小50%，分块提升方案对环桁架受力影响相对较大。

 综合考虑上述结论，结合工程既有施工条件，选择整体提升施工方法作为本工程中单层网壳最终施工方法。

4  网壳整体提升施工要点

4.1  提升点布置

 提升点布置是整体提升法实施的关键，直接影响整个网壳结构在施工中的受力状态和施工成本，提升点选取的原则为网壳受力合理、提升过程稳定。本工程中下提升点布置在网壳次外圈节点上，共布置16个提升点。

4.2整体提升过程

 1)安装步1  在网壳下部混凝土结构施工完成后，于混凝土结构上安装网壳穹顶下方6根树杈柱；安装6根树权柱的同时，在环桁架下布置脚手架，安装环桁架各杆件并完成焊接。

 2)安装步2在环桁架上按照提升点的位置布置提升架及提升系统，提升系统包括液压千斤顶、液压泵站以及提升拉索等。

 3)安装步3  安装提升架及提升系统的同时，在地面散装穹顶，同时在节点上焊接临时吊点。

 4)安装步4  提升准备工作就位后，检查系统一切正常后进行提升。由试提升、正式提升、提升就位3个步骤完成。

 5)安装步5提升就位后，补装后装杆件，完成剩余杆件焊接。

 6)安装步6  所有补装焊接完成后，铺设穹顶屋面板，对环桁架整体分级拆除临时支撑，后拆除提升支架、提升系统等临时结构。

4.3提升全过程监测

 网壳整体提升过程中，为保证提升过程可控，全过程监测至关重要，针对大跨度球形网壳整体提升，主要检测各提升点竖向位移、网壳整体转角。

4.4  提升动态平衡控制

 在网壳整体提升过程中，保证结构的平衡状态是结构整体提升的关键点也是难点。针对工程中网壳整体提升问题，给出平衡状态确定的思路：①确定网壳结构重心，给定吊点的位置；②给定提升拉索受力状态下长度，找到使网壳结构平衡的索力吊点的空间相对位置；③由吊点空间位置确定网壳的空间姿态，验算被吊结构的平衡性。

 针对网壳这种空间结构，由于其结构对称，刚度、质量分布相对均匀，在整体提升过程中稳定性较好。但网壳整体提升周期较长，在施工过程中可能会因为偶然因素导致网壳在提升过程中出现偏移、转动。网壳在提升过程中，需要对每个提升周期内网壳吊点空间位置及平衡状态进行监测，计算出各提升拉索索力差值及各提升拉索索长修正量，通过调整各提升点提升速度使网壳重新使达到平衡状态，保证网壳提升过程中动态平衡。

  4.5临时固定及与环桁架对接

 网壳提升到设计标高后，通过在网壳与外围结构间布置倒链，对网壳的标高、位移、扭转偏差进行调整，完成网壳的临时固定。之后即可在网壳和环桁架之间布置后装杆件并焊接，完成结构对接，网壳安装完成。

  5  结语

 1)两种方案各施工阶段中，网壳杆件拉、压应力最大值分别约为62，70MPa，杆件应力较小，满足强度要求。

 2)对于整体提升方案，在网壳提升过程中受力均匀，拉应力仅为19. 82MPa，无受力、变形突出杆件；提升过程中外围的环桁架杆件应力较小，拉压应力均小于50MPa；网壳于地面焊接，焊接质量可保证；但由于提升点相对较多，架设临时提升支架数量较多，同步提升技术要求较高。

 3)对于分块提升方案，在分块提升过程中，由于网壳的空间刚度没有形成，某些节点竖向变形大于整体提升方法结果数倍，可能导致网壳在成型后会产生较大的初始应力，不利于网壳受力；提升到位后，需高空拼装中心杆件及高空焊接，工作量相比较大，且施工质量控制较为困难。

 4)对比整体法和分块提升法，两种方法均存在优点和不足，综合考虑，整体提升法更适合本工程中穹顶结构的施工。