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花瓣造型复杂钢结构方案深化及制作安装技术研究

2024-12-27 58 上传者：管理员

摘要：对广州白云站花瓣造型复杂钢结构的方案深化、制作安装进行了详细分析，提出了外形优化、柱脚转换节点优化、钢管小半径二次冷弯技术、临时支撑设计及安装等解决措施。实践表明，花瓣异形钢结构的制作安装较为复杂，提出的关键技术解决了结构空间弯曲、悬挑跨度大、单花瓣稳定性差、外形尺寸大、质量大、焊缝多、截面种类多、操作空间有限等施工难题，并在保证安全的同时，减少了钢构的钢量，实现现场快速建造，可为类似工程提供参考。

关键词：
二次冷弯
分块制造
异形钢结构柱
柱脚转换节点
花瓣造型
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广州白云站外立面花瓣造型采用异形钢结构柱予以实现｡花瓣柱具有空间弯扭､悬挑跨度大､单花瓣稳定性差､外形尺寸大､质量大的特点,从而造成其实施精度要求非常高,给原材料加工及安装带来极大的施工难度[1]｡而国内针对类似花瓣柱构件,尚无系统性的加工和制作安装经验和实例,通常采用以折带曲等拟合的方式来实现,即将弯曲段划分为若干折线段,并不断修正斜率,以控制线性[2-3]｡但此方法存在精度不高､呈现效果不佳的问题｡国外通常采用3D建模分析､3D3S软件复核构件受力状态､施工流程模拟等方式来解决类似难题,但类似本文所述方法并未见深入报道和研究｡基于此,针对类似结构的制作安装进行研究并形成总结十分必要｡

1、工程概况

广州白云站采用了国内首屈一指的“花瓣”异形钢结构(图1),其中屋盖和花瓣柱共同构成了花开绽放的外观形状,与广州市市花木棉花相呼应｡花瓣柱为大跨悬挑结构,最大悬挑28 m,最高25.7 m｡花瓣柱立柱规格为D400 Mm×20 Mm~D450 Mm×30 Mm,花瓣主要斜支撑规格为D168 Mm×8 Mm~D325 Mm×20 Mm, 材质均为Q390B｡该花瓣柱桁架的主弦杆呈竖向弯曲状,同时在水平方向上呈现水平弯曲状,总体呈现三维空间形态(图2)｡由于主桁架弯曲钢管的加工半径不在同一平面内,加工难度大｡

2、问题分析及方案研究

2.1 关键难题

花瓣柱采用空间管桁架结构形式,单榀空间管桁架由4根弯扭钢管组成2个单片桁架,桁架间焊接上､下2 层联系钢管,组成空间弯扭桁架结构,桁架结构向外侧悬挑,并支撑顶上屋盖结构｡其外形形似花瓣,故称之为花瓣柱｡

图1 立面花瓣钢结构

图2 花瓣柱

花瓣柱具有空间弯曲､悬挑跨度大､单花瓣稳定性差､外形尺寸大､质量大的特点,每个花瓣柱的焊缝达 480余条,同一根杆件界面变化频繁,截面种类最多达5 种,因此,对杆件加工及花瓣柱安装的精度要求及经济性要求高｡此外,花瓣柱布置在外立面边缘处,距离楼面近,临空侧悬空,现场操作空间十分有限,给现场安装带来不小的难度,有限的操作空间同样不利于安装精度的提高｡

2.2 解决方式分析

花瓣柱属于空间结构,为实现受力稳定,空间杆件及焊缝众多,单一的优化施工解决方式已无法达到目的,应从设计源头上为提高加工及安装精度和降低施工难度寻求解决方法｡

精度方面,主要有杆件构件材料本身的弯弧精度, 柱脚､花瓣分段分缝处的偏差处理,结构半成品安装过程中的偏差处理等｡基于此,应从花瓣柱的杆件数量､杆件分段､外形曲率误差､柱脚节点等开展设计深化优化,以降低大弯曲杆件的加工难度和简化杆件之间连接方式,为提供提升安装精度条件｡

同时,在杆件加工制作､现场安装等方面,对于圆管加工半径R<2 m的杆件,应科学选取加工精度高的机械装备,控制分段处的弯弧精度,在原材料上控制相应的精度｡在现场安装中,应合理根据单个构件的质量和现场工况条件,减少现场焊接量,将杆件尽可能多地放置于工厂拼装,进一步降低安装难度,提升弯弧段安装精度｡

3、复杂钢结构方案深化

3.1 花瓣外形设计优化

每片花瓣柱由4根主弯弧杆件组成,2根主弯弧杆件形成1组行架,2组桁架之间通过钢管杆件连接形成花瓣柱,共计约120根杆件｡弯弧杆件的应力随着高度变化,且杆件截面也随之相应变化,以达到材料节省的目的｡原设计每根弯弧杆件截面种类最多达5种,每处变化的杆件截面处均需对应增加1道对接焊缝,加上桁架间的焊缝,焊缝数量达480余条｡如此多的焊缝不仅加工制作烦琐,容易降低杆件弯弧的精度,拼装时也容易造成安装误差,不利于建筑外形的呈现｡

为解决上述问题,在花瓣钢结构深化设计阶段,通过Midas软件进行杆件截面优化分析｡杆件截面尺寸直接由软件按照应力比自动生成,以减少截面的种类｡经过优化,每根弯弧杆件的截面变化控制在3~4种,如图 3所示｡

图3 花瓣柱软件优化

对于主弯弧杆件同一截面分段内桁架杆件的截面进行归并处理,以减少同一分段内不同截面的种类｡同时,在保证应力比及控制用钢量的前提下,将小直径､大壁厚截面与大直径､小壁厚截面等代处理,在截面外径不变的情况下,通过壁厚变化来调整应力比[4]｡此外, 通过局部增设支撑杆件调整受力,将水平行架与主桁架相交处应力释放,避免此处截面应力的剧烈变化[4]｡

经过外形优化的花瓣钢结构,整体弯弧曲度达到设计要求,弯弧效果比较流畅｡经过合理的等代处理和归并,截面变化减少,焊缝数量大幅减少,结构安全可靠度提升｡

3.2 柱脚转换节点深化

花瓣钢结构一端接外花瓣,一端接内候车厅大跨屋面｡为增加花瓣柱脚受力承载力,在花瓣钢结构底部设置了方钢管混凝土柱,但带来了楼面钢筋混凝土梁与方钢管柱连接复杂不可靠的问题｡为解决上述问题,将方钢管混凝土柱更改为等截面钢筋混凝土柱,在近圆拱底设置柱墩,将钢结构屋面圆拱､花瓣桁架柱全部插入柱墩,逐步过渡到下面的钢筋混凝土柱,如图4所示｡该方法避免了复杂节点,节约钢材,缩短工期｡

4、复杂钢结构制作安装技术

4.1 钢管小半径二次冷弯技术

由于花瓣柱立管半径较小､部分圆管加工半径R<2 m,且常规钢管冷弯端部需要进行切割报废,创新性地提出了采用大型液压机将弯扭构件进行二次冷弯(冷弯—对接—冷弯)的加工工艺,待弯扭构件端部达到设计值后,采用计算机控制六维相贯线切割机精确切割, 实现1次压弯成型2个弯扭端｡具体为:

图4 花瓣柱柱脚转换

1)管切车间利用锌粉割嘴对钢管两端相贯口进行喷粉处理,喷粉的过程中,同时敲制相贯口的洋冲点｡

2)钢管端口相贯口洋冲点敲制完成后,由平板车运至对接拼装场地进行钢管对接处理｡

3)将对接完成后的钢管送至冷加工车间,先对两端无法加工的平直段进行驳头处理,即第一次冷弯处理,如图5所示｡

4)钢管对接处驳头完成后,将钢管对接处割开后分段发运至拼装场地处｡

5)在管切车间,由焊工在拼装场地对驳头完成处理的钢管进行掉头对接及焊接,焊接完成后,再次发运至冷弯车间｡

6)冷弯车间对二次对接的钢管进行整段弯扭加工,并对钢管的拱高半径进行测量及复核,如图6所示｡然后,将钢管割开并发运至管切车间｡

图5 构件分段第一次冷弯

图6 二次冷弯加工及复核

7)由于钢管构件数量大､精度质量要求高,钢管与钢管的相贯面必须用圆管计算机控制的六维相贯线切割机切割｡切割完成后,需小合拢的杆件发运至装焊车间进行桁架小合拢,散发杆件发至冲砂车间进行冲砂涂装后打包发至现场｡

4.2 花瓣柱分块制造

花瓣柱分块需要在现场进行拼装,拼装时,存在如下难点:构件整体外形尺寸约7.2 m×6.6 m×6 m,由工厂整体拼装成形再运输无法实现;构件为弯扭形式,单根圆管扭曲度大,无法整根加工成型;部分圆管加工半径R<2 m,曲率较大,对拼装胎架定位要求高;构件端口存在4个圆口现场对接端,对接精度尺寸控制难度大;单片柱之间直､斜腹杆数量多､焊接量大,焊接后对主弦杆尺寸精度影响大｡

针对上述难点,合理安排杆件拼装顺序,主要核心工艺为:画地样线,设置拼装胎架,将单根弯扭钢管进行定位拼装;弯扭钢管分段进行定位拼装,并将2个节段进行对接施焊;画地样线,设置拼装胎架,将2片弯扭桁架进行定位,安装局部腹杆固定,如图7所示;弯扭桁架分块拼装完成,如图8所示｡

图7 花瓣柱局部固定

图8 花瓣柱分块拼装完成

4.3 花瓣柱临时支撑

为保证结构､构件在吊装过程中的强度､变形､稳定性满足要求,根据花瓣柱及相邻屋盖钢结构特点,设置必要的临时支撑,使安装过程中的结构能独立构成空间稳定的结构体系｡临时支撑在整个结构吊装过程中起着十分重要的作用,因为在结构吊装阶段,所有质量都将由临时支撑承担,吊装结束后,又通过临时支撑对结构进行卸载[5-7]｡整体花瓣柱临时支撑布置如图9所示｡

图9 临时支撑布置

4.3.1 临时支撑构造设计

支撑采用装配式格构柱,临时支撑截面为1 500 Mm× 1 500 Mm｡立杆为⌀180 Mm×8 Mm钢管｡格构支架上端口设置钢平台,钢平台采用200 Mm×200 Mm×8 Mm× 12 Mm以上规格的H型钢焊接而成｡钢梁采用200 Mm× 200 Mm×8 Mm×12 Mm以上规格的H型钢｡钢梁坐落于混凝土梁上,混凝土梁上预先设置埋件,支撑底部与混凝土梁上埋件焊接或与转换钢梁焊接临时支撑构造形式如图10所示｡

4.3.2 临时支撑构造要求

为增加临时支撑稳定性,在15 m以上的临时支撑吊装过程中,应采用缆风绳进行临时固定,且支撑底部与混凝结构上埋件应及时焊接固定｡根据现场情况,如遇到部分支撑的缆风绳影响吊机站位或材料运输等情况, 对于15 m以上相邻支撑(中心间距不宜大于6 m),可在2个支撑顶及高度不大于15 m位置采用2根100 Mm× 8 Mm的角钢或⌀102 Mm×8 Mm以上规格的钢管,拉结形成1道加固,使支撑形成门字形框架,如图11所示｡同时,临时支撑不可直接与楼板进行接触,必要时设置转换梁[8-10]｡

图10 临时支撑节构

4.3.3 临时支撑安装

采用装配式方式对临时支撑进行拼装,散件发运至现场堆场｡首先根据安装高度进行放样,确定支撑标准节组合､上下转换节长度及高度｡采用25 t汽车吊在对应就近堆场进行拼装,每段支撑拼接长度原则上不超过 2节标准节+上下转换节及平台｡临时支撑拼装完成后须交专职检验员进行检验方可使用｡临时支撑螺栓连接节点螺栓需拧紧;临时支撑的上下转换节等结构焊缝的焊脚不小于6 Mm｡临时支撑拼装完成后,根据其使用部位,选择合适的机械进行安装,如汽车吊､履带吊或塔吊｡临时支撑安装完成后(图12),应及时安装其上部结构,并保证连接可靠[11-12]｡临时支撑架安装完成后, 应对支撑架完成情况进行验收,对不符合要求的进行整改,并组织人员进行复检,经验收通过后方可使用[13]｡

图11 临时支撑加固

图12 支撑结构拼装完成

4.3.4 花瓣柱支撑布置

花瓣柱分段吊装,在起分段位置设置双组支撑架, 支撑于2根下弦主管500 Mm左右范围｡由于外花瓣主要为外悬挑结构,可根据下方对应楼层结构局部调整支撑位置,如图13所示｡

花瓣柱桁架分段处仍采用临时支撑架,支撑于花瓣柱三角桁架的上弦杆500 Mm左右范围,由于主桁架截面为倒三角,故采用双组支撑架支撑于2根上弦主管底部,如图14所示｡

图13 临时支撑与花瓣柱关系

图14 临时支撑与室外花瓣关系

5、结语

本文针对广州白云站花瓣状钢结构的方案深化､制作安装进行了分析,对于花瓣状复杂钢结构提出系统的深化优化技术,在保证安全的同时,减少了大型建筑钢构的钢量,节约了建材｡同时创新性地提出了钢管小半径冷弯—对接—冷弯的加工工艺以及复杂的钢结构安装技术,解决了弯扭结构弯曲半径R<2 m的钢构件加工难题,实现了现场快速建造｡

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