鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：鳳凰國際傳媒中心工程，是全新概念的媒體體驗艙，它超越了以往媒體與觀眾隔著屏幕交流的關系，將觀眾引入開放的莫比烏斯環空間中，感受鳳凰傳媒的魅力。辦公樓及演播樓外圍包裹鋼結構外殼，采用莫比烏斯環造型，獨特新穎，分內外兩層，各自采用大小不等的梯形截面的彎扭箱型構件，相互交叉編織而成。鋼結構外殼包括鋼結構罩棚、內部旋轉坡道、通天樓梯、拱橋、鋼平臺、馬道及幕墻次結構七大部分，是繼奧運工程之后鋼結構設計與施工的又一力作。
相對于鋼筋混凝土結構，鋼結構具有自重輕強度高、延展性好、施工周期短、抗震性能好、可工業化生產等特點，能夠滿足各種復雜建筑造型的要求。隨著建筑業的快速發展，鋼結構在建筑市場占有的比例越來越大，建筑造型越來越新穎，結構隨之越來越復雜，特別是大跨度空間彎扭結構，傳統的鋼筋混凝土結構是無法滿足結構受力以及建筑造型的要求。
圖1 鋼結構輪廓圖(鳳凰國際傳媒中心工程)
1. 工程概況
鳳凰國際傳媒中心建筑面積64973m2地上建筑面積29973m2地下建筑面積35000m2由辦公樓和演播樓以及鋼結構外殼三部分組成。辦公樓10層，演播樓4～6層，地下3層為車庫和機房層。結構類型為方鋼管混凝土框架-型鋼混凝土核心筒結構。鋼結構外殼包括鋼結構罩棚、內部旋轉坡道、通天樓梯、拱橋、鋼平臺、馬道及幕墻次結構七大部分。鋼結構罩棚表面積約為27500 m2，重量達5200t左右，設計采用莫比烏斯環造型，獨特新穎，分內外兩層，各自采用大小不等的梯形截面的彎扭箱型構件，相互交叉編織而成，其頂部通過V型支撐與裙樓和主樓的屋頂混凝土結構相連，建筑造型十分復雜。
2. 工程施工難點
本工程鋼結構屋架屬超大跨度鋼結構，由雙向交叉雙全梁結構及豎向支撐系統組成，長約130m ，寬約124m，由箱形截面構件（輪廓尺寸為700mm×500mm）形成的梯形網格構成，且構件具有不同程度的空間扭曲特征。鋼結構外表面為自由曲面，采用整體鋼結構將辦公樓和演播樓整體覆蓋起來，整體鋼結構為雙向交叉雙全梁結構體系，外層（上層）鋼梁為梯形箱梁截面，內層（下層）鋼梁為圓鋼管截面。主肋共618段，次肋共1509段，沒有任何兩根構件形狀相同。
鋼構件安裝測量難度大。主肋分段安裝、拱橋分段安裝、旋轉坡道、馬道及通天樓梯等每一步的安裝、結構體系的卸載以及卸載穩定后的定期變形觀測，必須由測量人員進行跟蹤控制。同時絕大多數的構件的定位控制均需在高空進行，不但需要建立平面控制網，還須建立空間三維控制網，以便于構件的空間定位，保證測量精度。并且構件截面按相關規定采用了非平口的形式，給測量控制工作帶來相當大的難度。
安裝工序復雜。包括鉸支座安裝、七米平臺安裝、外殼鋼結構安裝、鋼拱橋安裝、旋轉坡道安裝、通天樓梯及馬道安裝、東西兩側連接段安裝、合龍連接段的安裝。
支持體系要求高。在鋼結構的安裝過程中，一般的腳手架支持無法確保吊裝定位的安全、穩定、精確定位，通過采用穩定有效的格構柱支撐體系實現精密的測量定位控制、焊接質量控制和高質量標準。
鋼結構合龍控制。為保證結構使用過程中的安全，必須選擇合適的合龍溫度，以減小結構使用過程中的溫度變形和溫度應力。由于本工程大跨度鋼結構的平面尺度很大，溫度變化將在結構中引起很大的內力和變形，對結構的安全性將產生顯著的影響，必須對鋼結構合龍采取一系列的控制。
卸載是本工程的重中之重。本工程一共布置了399個卸載支撐，卸載點分布范圍較大，對于此類大跨空間結構，最優的卸載方式是399個支撐同步卸載，但難度巨大，確定采用“分區分步”的方式卸載。
3. 鋼結構施工工藝
工藝流程：施工準備→支撐體系安裝→構件吊裝就位→測量定位→構件焊接→合龍→卸載
3.1施工準備
3.1.1 巨型埋件施工
外殼鋼結構主次肋落腳點位于-0.2m標高位置的樓板或梁上，主次肋與混凝土結構連接點采用預埋件進行過渡。最大預埋件為7m*2m，約8.6t，實現142個巨型埋件安裝準確定位，為實現外殼鋼結構安裝奠定堅實基礎。
3.1.2 彎扭構件加工
扭曲箱形四塊壁板均為空間彎扭形狀，且彎扭曲率比較大，為控制放樣下料精度，壁板展開采用計算機精確放樣，根據展開的線型數據，輸入數控切割機進行壁板的下料切割。
箱體彎扭壁板加工成型時，制作1：1 的加工樣箱，將每塊加工成型后的彎扭壁板用樣箱進行檢測，超差處再進行加工矯正，保證每塊壁板的加工成型滿足組裝要求。重要構件進行預拼裝后出廠。
3.1.3 鉸支座制作安裝
鉸支座為鋼結構罩棚與埋件的連接件，為鑄鋼件，含有萬向軸承，能消除卸載、溫度變化等因素產生的應力及變形。鉸支座的準確定位及焊接質量，是整個鋼結構的基礎。
3.2 支撐體系安裝
在設計中除了按照鋼結構設計規范計算臨時支撐剛度、強度、穩定性外，還必須采取必要的措施確保支撐體系的可靠性。并且在臨時支撐的底部應當有合理的構造措施使得下部的荷載有效地傳遞。在滿足前面幾條原則并具有足夠的富余度的基礎上，還需要考慮到支撐設置的經濟性。
3.2.1 臨時支撐形式
根據工況計算用于本工程的臨時主要有獨立的格構式支撐，旋轉坡道處的格構柱組合的門架式支撐及主樓南北兩側的三腳架式支撐。
格構式支撐標準段設計截面尺寸為1.2m×1.5m，弦桿（立桿）采用Φ159*6鋼管，腹桿采用L75×6角鋼。水平腹桿的豎向間距取2.0m。頂端根據所支撐的結構作相應的構造設計。
3.2.2 安裝用臨時支撐布置圖
圖2 主肋安裝臨時支撐平面布置圖(莫比烏斯環鋼結構)
圖3旋轉坡道及通天梯臨時支撐布置軸測圖(鳳凰國際傳媒中心工程)
3.3、構件吊裝就位
吊裝主要工藝流程：
現場吊裝施工主要工藝流程為：先進行鋼外殼支座節點的安裝，然后進行裙樓和主樓外殼鋼結構的安裝（裙樓安裝時穿插7m平臺鋼梁的安裝），而后進行內部鋼拱橋、旋轉坡道、通天樓梯的安裝及馬道結構的初步安裝，再進行主、裙樓中間連接部位外殼體的安裝，最后進行馬道的安裝定位。
3.4 測量定位
3.4.1測量重點
施測前工應對軸線控制點和水準點認真校核，對圖紙進行認真審核。由測量人員對構件及定位位置的控制點進行檢查和必要的復核。
本工程測量定位重點是鉸支座安裝、主肋分段安裝、拱橋分段安裝及旋轉坡道分段的安裝。
3.4.2安裝測量步驟
a平面控制網建立
圖4 測量控制點平面布置圖(鳳凰國際傳媒中心工程)
b高程控制網測設
c要求在工廠加工制作時用洋沖對測量定位點做好標記。
d 臨時支撐點高程的復測及控制
e 埋件的復測及主次肋支座分段的測量控制
3.4.3構件安裝測量定位措施
根據測量控制點及工程的平面尺寸，進行預埋件的復測及支座定位軸線的放線。構件的測量定位以鋼結構施工圖中的定位數據為依據；主肋結構的測量定位保證措施如下：
主肋在吊裝就位進行固定前應根據施工圖對其控制點進行測量定位調整至控制點坐標在規范規定的允許范圍內方可進行定位固定；主肋的測量控制點選擇在分段上端口外邊線的中點（當有卸載監測要求的部位，對相應的主肋測量控制點進行另行標記）。當進行至主肋中間分段安裝前需要對其兩端連接的分段進行測量，以確認其偏差在允許范圍內而后再進行安裝；如果其兩端偏差過大，先找出偏差原因，并采取有效措施調整至正確位置后再進行中間分段的安裝。
利用全站儀對吊裝構件的測量定位具體操作如下：
在內業利用三維模型獲得定位控制點的三維坐標，或直接采用施工圖紙中的點位坐標；
在適當的位置設置全站儀，并精確調平；
單棱鏡的司尺人員在測量控制網中的一個已知控制點上架設單棱鏡（后視）；
測站（操作全站儀的地點）的人員將各項相關參數設置到符合測量的狀態：如棱鏡常數的設置等；
照準單棱鏡進行測量，得到后視點的坐標數據；
小棱鏡的司尺人員在臨時支撐或構件分段的測量控制點按要求放置小棱鏡；
照準小棱鏡得到測控點的三維坐標與內業中的已知控制點的坐標進行比較若偏差符合定位要求即定位；否則調整、復測至符合要求再進行定位。
圖5主肋分段測量控制點
圖6典型主肋的安裝順序
3.5 構件焊接
本工程鋼結構鋼材主要為Q345、Q390、Q420、Q460，鑄鋼節點材質為GS-20Mn5V鋼板、節點強度要求高，節點和構件壁較厚，焊縫要求高。
結構最大高度達54m，高空作業量大；高空環境條件下對焊工操作影響很大，高空風速較大，并且貫穿于現場焊接全過程，尤其是對氣體保護焊的影響較大。
絕大多數結構構件都為傾斜彎扭構件，焊接接頭基本呈前位置狀態，對焊工操作水平要求高。
焊接工作量大，現場焊接材料消耗將達1000t，按6個月安裝工期計，月平均耗用焊材達到167t左右，焊接工作量相當大.
焊接等級高，焊材施工焊縫其總長度的60%均為一級全熔透對接縫，100%UT檢查，要求十分高
3.6 合龍
鋼結構安裝過程中，采用南北分開安裝法，即先將結構在高空先拼裝成二個各自獨立板塊，為保證結構使用過程中的安全，必須選擇合適的合龍溫度，溫度變化將在結構中引起很大的內力和變形，對結構的安全性將產生顯著的影響，必須對鋼結構合龍采取一系列的控制。
3.6.1 合龍溫度的確定
本工程設計要求合龍溫度為15℃~20℃。
3.6.2 合龍溫度的測量
合龍時鋼結構本體溫度是結構的整體溫度，為確切掌握整個屋蓋鋼結構的溫度分布情況，以及不同部位鋼結構實際溫度同氣溫的對應關系，確定最佳的合龍時機，該系統測溫范圍為-5℃～+120℃，測試精度為±1℃，溫度測試共布置9個點，結構外側對稱布置8個點，中心廣場處布置1個點。
圖7 測溫點布置(莫比烏斯環鋼結構)
特建立以熱電偶作為測溫元件的自動測溫系統。溫度測試在合龍前5天開始進行全天24h跟蹤監測，并覆蓋合龍過程的所有工作，為形成連續的測量資料，每間隔0.5～1h讀取各測量點的溫度信息，并形成數據文件，重點對各測量點的夜間溫度進行整理分析，以獲取夜間鋼結構整體溫度的具體數值和分布情況。
3.6.3 合龍安裝要點控制
1)盡量選擇在與合龍溫度相近的溫度條件下或低于該溫度的條件下進行安裝，以方便構件的進擋，控制合龍時的坡口間隙，該間隙大小要考慮溫度變形計算結果和焊接收縮變形，以減少合龍口的焊接量和焊接殘余應力，確保焊接口的焊接質量，如達不到預定的焊接要求，可調整合龍段先焊一端的坡口間隙，同時，對合龍口的錯邊量也要加以控制，保證合龍的順利進行。
2)盡量采用小間隙安裝法，避免合龍時合龍口間隙過大。
3)為確保合龍段施工過程中的安全，合龍段安裝就位后，除設計要求的合龍口不進行焊接連接外，其余接口均須及時焊接完畢，以增強結構的整體穩定性。
4)為確保合龍口在施工過程中因溫度變化而自由收縮，合龍口采用卡馬搭接連接，卡馬的大小和數量需根據該接口部位的受力計算確定，此受力計算不僅要考慮合龍段安裝過程中的搭接受力要求，而且要考慮合龍過程中合龍口的受力要求，包括構件本身的受力。
5）合龍順序控制
因合龍口數量眾多，如一次合龍，則需投入大量的人力和物力，且施工組織管理也相當困難，根據現場實際情況，結構設計提出的先行合龍構件需納入后續合龍段合龍溫度要求范圍這一基本原則，本工程的合龍從合龍口中部向兩側對稱進行安裝和焊接。
3.7 卸載
考慮到如此復雜的空間鋼結構，支撐反力和各個支撐點的卸載變形量均有較大差異，要實現399個支撐的整體同步卸載，不僅從卸載的硬件條件、卸載的整體控制管理，以及同步的精度等方面實施難度巨大。根據工程的實際情況以及整體鋼結構的受力和變形特點，確定采用“分區分步”的卸載總原則，卸載過程中遵循“合理、有序、平穩、緩慢、均勻、可操作”的原則。
根據卸載原則結合本工程實際，根據屋蓋主次肋等其它結構安裝后支撐反力情況，遵循頂層樓板支撐先卸載，反力較大的支撐先卸載，結構豎向變形較大處先卸載的原則，共分析了9個典型工況，分別得出各卸載工況下的整體變形、支撐變形、應力及支撐反力情況。
根據施工卸載分析所分的9個工況，卸載時按9個批次采取分區逐次分步卸載的辦法。
支撐拆除時采取對支持頂部的鋼板分條割除的辦法進行，根據支撐位置的卸載位移量控制每次割除的高度△H（每次割除量控制在5～10mm）直至完成某一步的割除后桁架不再產生向下的位移后拆除支撐；在支撐卸載過程中注意監測變形控制點的位移量，如出現較大偏差時應立即停止，會同各相關單位查出原因并排除后繼續進行。
圖8 支撐頂部鋼板割除卸載
4 結 語
鳳凰國際傳媒中心工程設計采用的莫比烏斯環形狀理念是前所未有的，我單位通過嚴密的策劃和實施，解決了梯形截面的彎扭箱型構件及拱橋、環形坡道等特殊構件的加工制作，加工完成的構件在工廠進行檢測以及預拼裝，保證了現場順利安裝。通過有效協調科學安排鋼結構罩棚、內部旋轉坡道、通天樓梯、拱橋、鋼平臺、馬道六大部分異形構件的穿插施工，確保施工立體交叉作業，工作順暢。通過精良的測量人員及設備建立平面控制網，建立空間三維控制網，解決了鋼結構軸網系統為環形、放射、正交軸網相結合的軸網系統施工難題，完成所有構件的空間定位，保證測量精度。采用格構式支撐，鋼結構設計規范計算臨時支撐剛度、強度、穩定性外，還必須采取攬風繩以及相鄰支撐間的剛性連接確保支撐體系的可靠性。支撐底部承臺的可靠性：解決了回填土地基問題，使得下部的荷載有效地傳遞，在保證安全的前提下，還盡量降低構造措施的用鋼量，實現了支撐設置的經濟性。焊接工作量大，絕大多數結構構件都為傾斜彎扭構件，焊接接頭基本呈前位置狀態，對焊工操作水平要求高。現場焊接材料消耗將達1000t，焊接等級高，焊材施工焊縫其總長度的60%均為一級全熔透對接縫，100%UT檢查合格，并且焊縫觀感美觀。
目前工程已成功完成合龍及最終卸載，鋼結構罩棚卸載最大沉降為36mm，各項數據指標均滿足規范及設計要求，實現了大跨度莫比烏斯環鋼結構施工的順利突破，為我單位積累了寶貴的施工經驗。
參考文獻
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（北京天潤建設有限公司，北京 100062）
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