复杂地质条件下的大跨空间结构支撑体系施工

罗仁轶 尹 建 梁大海 李全伟 陈俊杰

1. 中国建筑第八工程局有限公司 上海 201204；2. 上海通正铝结构建设科技有限公司 上海 201103

1 工程概况

某项目位于江苏省南京市江宁区汤山镇汤山风景区，总建筑面积100 200 m2，主要建设内容为植物园、配套商业、崖壁商业、崖壁剧院、观景平台、栈道、矿坑酒店等。同时，配套建设区域内道路、硬质景观、绿化景观、小火车地下车站及区内综合管网等公用设施。其中的未来花园项目总投影面积为16 000 m2，总长348 m，宽度78 m，由42把相同结构的伞状结构组成（图1），每把伞由不锈钢伞状结构和屋面有机玻璃系统组成。施工方案主要采用钢结构格构柱和格构式连系梁，主要目的为支撑伞状不锈钢结构的安装、定位及焊接[1-3]。

2 工程重难点

1）项目位于汤山山腰位置的矿坑处，四面地势较高，施工区域狭窄，且下方设计为绿植功能，无硬化要求，实际场地为高低不平的破碎岩石基础，场地平整很困难，施工的基础条件非常差。

图1 未来花园项目平面布置

2）项目的主要结构为不锈钢伞状结构，上部为屋面有机玻璃水幕，均为业内较少采用的主结构材料，其中不锈钢结构焊接变形较大，较钢结构对温度更敏感，施工中需采用措施对原有结构进行焊接变形控制。

3）项目上部结构为有机玻璃，有机玻璃被应用在大跨空间结构中的施工工艺尚未完全成熟，施工中存在多种不确定因素，且有机玻璃对温度的敏感性比不锈钢更高，因此更需要对其进行施工温度的合理安排和控制。

结合各种因素综合分析，常规的大跨滑移及整体提升不具备实施条件，本工程拟采用钢结构格构支撑体系作为结构的实施措施。

3 大跨空间结构支撑体系介绍

格构支撑体系的主要特点有：对基础要求低、刚度强，构造可随主结构特点灵活布置和应用等。格构支撑主要由格构柱和格构式连系梁组成（图2）。

图2 格构支撑体系立面

3.1 格构柱构造

本工程考虑不锈钢结构焊接变形内力大、单把伞上部承载600 kN。经计算，格构柱截面采用1.5 m×1.5 m，主肢为∠100 mm×6 mm，水平及斜向缀条为∠63 mm×5 mm，内设爬梯，爬梯为∠50 mm×4 mm配直径20 mm的圆钢，材质均为Q235B。

3.2 连系梁构造

本工程连系梁截面为1.5 m×1.5 m，采用主肢、缀条均为∠63 mm×5 mm，材质为Q235B，与格构柱采用角钢搭接焊接形式（图3、图4）。

图3 连系梁立面

图4 格构柱与连系梁连接节点

3.3 基础构造做法

本工程基础为破碎性岩石，且高低不平，平整困难，故在单个格构柱下方均设立独立的格构柱基础，采用C35素混凝土，浇筑1.95 m×1.95 m、高30 cm的基础承台，并预埋25 cm×25 cm的埋件，作为格构柱基础焊接使用（图5）。

图5 基础做法立面

4 受力分析

本工程单把伞上部主结构总计600 kN的荷载，为确保施工安全，对支撑体系结构进行了强度、稳定性及挠度等分析，主要采用3D3S及MIDAS等软件计算。

本工程考虑最不利的工况为格构柱高度22.5 m，中间布设2道连系梁，建立模型如图6所示。

图6 计算模型

根据钢结构设计规范及荷载规范，本工程格构支撑体系为措施结构，结构重要性系数为1.0。根据主结构计算模型分析，格构支撑点12个，每个点位分担50 kN上部荷载、组合施工荷载及风荷载等，共计9种组合荷载。

本工程单个格构柱下方均设立独立的格构柱基础，采用C35素混凝土浇筑基础承台，并预埋埋件，锚筋为HRB400，根据混凝土规范及荷载规范采用经典力学进行计算分析（计算过程略）。

根据上述计算分析可以得出，格构体系的应力比最大为0.711，挠度最大为1.5 mm，基础承台及埋件的设计尺寸和构造均满足抗拉等力学要求，整体结构安全稳定。

5 安装关键技术

5.1 安装总体技术路线

考虑本工程施工流水及进度，主结构安装顺序为从中间向两边依次进行，所以措施结构安装顺序同主结构保持一致，从中间向两边依次进行（图7）。

图7 主结构安装顺序示意

5.2 安装要点

1）每把伞的格构柱单根安装就位后，应采用4根缆风绳进行临时固定。

2）每安装完2把伞后，将2把伞之间的连系梁进行安装焊接，逐步形成稳定体。

3）为保证不锈钢结构精准定位，在单把伞安装就位后，每个格构柱柱顶铺设厚2 cm、1.55 m×1.55 m、材质为Q345B的钢板作为定位工装板，上部安装千斤顶工装作为不锈钢结构的支撑点。

6 质量控制

1）本工程基础条件差，为破碎性岩石，无法整平处理，因此，在混凝土浇筑前，应将底部碎石及杂物清理干净，使混凝土与岩石层密实贴合，经质量部及监理验收合格后，方可进行混凝土浇筑。

2）钢结构柱安装完成后应及时将缆风绳拉好，缆风绳种根在已浇筑混凝土埋件上，待整把伞的12个格构支撑体系全部安装完成后，方可取消缆风绳拉结。

3）格构柱与连系梁的焊接必须按图施工，必须设置有角钢搁置，焊缝长度120 mm。

4）格构柱和连系梁本身长度方向对接时，采用等截面的搭接角钢按照图纸中200 mm长的要求进行围焊，确保对接节点安全。

7 结语

本文针对复杂地质条件下的不锈钢伞状结构，采用了环状格构支撑体系进行支撑施工，同时，针对复杂无法落脚的格构体系，采用了格构梁进行转换，并对非常规的构造进行单独计算，确保了结构的安全性。此类格构体系结构构造标准化，支撑刚度强，构造可随复杂地貌进行调整，适用性广，周转性高，符合绿色施工的方针政策。经过对比，格构支撑体系费用低于脚手架措施费用，因此，可在类似的工程中推广使用。