中建三局有限公司
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概括
雨篷结构是建筑常见的附属结构之一，通常位于建筑物下方，起到遮风避雨的作用。雨篷跨度大、造型多样，可以美化建筑，但给施工带来较高的难度。提出一种复杂雨篷构件的高效安装方法，通过采用有限元软件分析、分段优化、安装方式优化、支撑架布置等一系列措施，可准确实现空间双曲异形悬臂雨篷结构的安装作业，安装效率明显提高，大大节省了塔吊吊装次数。
介绍
在现代建筑工程中，雨棚是建筑必不可少的辅助构件。公共建筑中的雨棚位置比较低，不仅具有遮阳避雨的功能，还需要在保证结构安全性和耐久性的前提下，体现建筑的尺度感，美化建筑。实际工程中，由于主体建筑的外观要求和实际使用需要，雨棚跨度较大，传统的平面钢筋混凝土结构雨棚已经不能满足需要。实际工程中需要的是多种多样的造型钢结构雨棚资料，有的雨棚成为了很多建筑的亮点。
近年来，随着钢结构的不断发展，大跨度雨棚的设计理念逐渐革新，出现了越来越多不同造型的雨棚结构。其中比较典型的有车站站台雨棚、大悬挑钢结构雨棚。此类结构跨度大，安装精度要求高，架空安装工作量大，对施工技术提出了更高的要求。
中国尊大厦雨棚结构复杂，悬挑长度长、跨度大，且空间弯曲、扭转形状不规则，给雨棚施工中的分段、高空精准安装、高空焊接等带来很大困难。在现有工况条件下，根据安装中的重难点，结合以往悬挑大跨度结构安装经验，设计了适合空间复杂、不规则结构的施工方法。通过合理分段等理论分析、通过软件控制对施工过程进行有限元模拟等，解决了工程中遇到的重难点问题。一方面保证了雨棚结构的安装效率和安全性；另一方面保证了焊接、卸荷后整体结构的精度控制。
冠层精度要求及影响因素
中国尊雨棚结构主杆件为空间双曲弯扭箱型，通过支撑架与首节箱梁及桁架下弦杆连接，最大向外悬挑约14.1m，最大跨度54m（图1）。钢结构施工过程中，首先要解决的就是分段分块问题，要根据现场场容、起重设备、公路运输、车间生产、安装方式等要求进行合理的分段分块，以保证后续施工工序的顺利进行。空间悬挑弯扭构件的精度控制是最大的问题，由于雨棚上方的玻璃幕墙为成品，如果主体结构安装偏差过大，将导致无法顺利安装幕墙等一系列后续问题。另外，该结构在空间上为双曲十字造型，构件数量多，最大板厚为25mm，如何控制焊接变形是一个很大的难题。最后就是掉架问题，众所周知，悬挑结构会面临掉架后挠度的问题，大悬挑重构件掉架后如何控制挠度是一个挑战。如此大跨度、悬挑的雨棚结构在国内外超高层建筑中十分少见。经分析钢结构雨棚资料，该项目主要有以下技术难点：1）雨棚分段；2）雨棚精准安装与焊接；3）复杂节点高空拼装；4）复杂弯扭构件高空对接；5）支撑架拆除。
a—模型；b—局部结构。
图 1：树冠结构
分割和现场组装
雨棚结构的详细设计应在充分考虑并结合原材料规格、各项运输限制及最终安装方案的基础上进行。为使详细设计与加工、制造、运输更加紧密地结合起来，分段应考虑以下因素：起重吊装设备的能力；加工、制造、切割、焊接等设备；运输的长、宽、高，运输单元的重量；出厂检验设备、检验控制点、隐蔽焊缝的检查等；结合焊接工艺，保证翻身吊装后构件、节点的顶焊、平焊、立焊位置；节段接口方式（切口、坡口）等。
综合分析后，采用：1根主悬臂梁+1根竖龙骨+4根横龙骨+顶部横梁+2根牛腿，总质量7.2t。两构件均根据现场测量数据，结合图纸进行布置（布置必须全尺寸），严格控制构件长度及外形尺寸。
2.1 轮胎架装配说明
现场拼装时，在节点及主悬臂梁下方设置拼装架，将两段雨棚结构拼装成一体，拼装后单元长11.6m，宽7.6m。拼装时注意雨棚支撑朝上，下方放置4个临时拼装架支撑，拼装完成后吊装。雨棚主要在地面拼装，使用现场汽车起重机（图2）。
a—顶篷组装框架的三维模型；b—顶篷现场组装。
图2 组装轮胎骨架
拼装架主要用于两段雨棚结构的地面拼装，为了节省钢材，采用桁架拼装架，方便雨棚整体吊装。
2.2 现场装配质量保证
在现场实测数据的基础上，结合图纸进行布置，严格控制部件长度及外形尺寸，布置应全尺寸。应制定合理的焊接工艺及防变形措施，对变形尽量采用机械矫正。由于组装式篷房横龙骨的焊接需要在轮胎架上完成，因此篷房脱胎前必须将横龙骨接口处满焊并自然冷却，防止篷房变形。表面组装后总质量为16.5t。
安装方法
通过有限元软件对整个施工过程进行模拟分析，结合现场实际工况对雨棚安装进行优化，具体安装流程如下：
第一步是在地面组装好雨棚顶部横梁及支撑，用全站仪标记出桁架连接位置，然后用汽车吊将雨棚支撑安装至3至5层桁架上，并用马板临时连接固定。
步骤2：雨棚结构上部节段组成小框架后，与已安装的支撑连接，标高范围为19.650～29.550m，利用马板作临时连接。安装顺序为先安装与巨柱连接的雨棚，再从两端向中间安装桁架连接部分的雨棚。雨棚主梁、雨棚竖龙骨及巨柱体、首层桁架腹板通过雨棚支撑连接，形成稳定的支撑体系。
步骤3：填充上部结构之间的小梁，形成完整的框架。
步骤4主要是安装雨棚下部，由于此部分雨棚仅有主、次悬臂梁端部两点连接，因此安装前设置支撑架作为主要受力点，保证安装的稳定性。支撑架布置方式为上端支撑在雨棚边梁上，不仅稳定性好，而且支撑架之间形成的通道方便边梁的安装。雨棚单侧每侧布置6组支撑架，共布置24组。
步骤5：下部雨棚结构安装顺序与上部相同，由两侧向中间安装。上口处设置链条，配合塔吊进行微调。准确定位后，下端与轮胎架顶部刚性连接。然后在主、次悬臂梁之间填入小横梁，并进行焊接工作。
a—巨柱在地面拼装完毕后，在其上部安装雨棚结构；b—安装相邻雨棚结构；c—安装中间水平龙骨；d—继续向跨中方向安装雨棚结构，再安装水平龙骨；e—继续安装中间水平龙骨；f—在跨中方向依次安装桁架，安装上部雨棚结构；g—下部巨柱拼装完毕后，在其上安装雨棚结构；h—支撑架铺放完毕后，安装相邻雨棚结构；i—安装水平龙骨；j—继续向跨中方向安装雨棚；k—雨棚结构安装完毕；l—焊接完成后，拆除框架。
图3 卸载过程示意图
配套轮胎框架措施
4.1 轮胎框架布置
采用标准化轮胎架。主要由标准型材、顶部钢板、底部柱脚组成。轮胎架最大高度14m，共设置18套。轮胎架立柱采用4根φ219×10圆管作为主要承重立杆，附件管采用75×7角钢。根据中建钢结构有限公司《装配式格构支撑结构应用手册》第5.1节规定，单套标准化轮胎架最大可承受荷载3000kN。
4.2 拆卸落地车架和轮胎架
按照“协调变形、均衡下降、从中间向两端、每侧分别下降”的原则，利用置于支架上的可调式点支撑装置千斤顶，通过多次循环进行微量下降，实现荷载的均衡传递。
临时支撑分批下放，第一步先将千斤顶缓慢下放到中间部位的雨棚下方。下放雨棚的方法为：先将千斤顶上提5mm，拆掉马凳上方10mm厚的钢板，再下放千斤顶。重复此过程，完成下放。然后拆除两端的千斤顶。下放雨棚的顺序是从中间向两侧。采用等步下放法，每步不超过10mm，拆除支撑点。
待轮胎架与雨棚分离，雨棚稳定后，用塔吊按照“先装后拆，后装先拆”的原则，依次拆除轮胎架。
卸荷过程中，支撑体系和结构体系受力十分复杂，为防止事故发生，保证卸荷顺利进行，卸荷过程中应特别注意以下事项：
1）拆除时应实行统一指挥，确保同步。
2）拆除框架前应计算支撑点处钢结构的变形量，并根据变形量确定千斤顶的行程，若变形量超过千斤顶的最大行程，则拆除过程中须更换千斤顶。
3）当落地点水平位移较大时，应在落地前用垫片调整千斤顶的垂直度，以消除其水平位移。
4）拆除框架前，认真检查各支撑点连接状况，对安装好的巨柱、大斜撑、桁架进行测量，并记录标高数据。
5）着陆过程中应进行跟踪测量和监控。
6)拆除前必须清除钢结构上的杂物，拆除过程中不得对钢结构进行任何其他操作。
7) 降低车架前采取一切安全措施，并检查千斤顶的性能。
轮胎骨架纵向布置如图4所示。
图4 篷顶框架竖向布置示意图
轮胎骨架三角胶的详细视图如图5所示。
图5 轮胎骨架顶部节点详细视图
精度控制方式
5.1 提升纠偏控制
钢结构安装测量过程中，建立可靠的测量控制网络系统和塔内外管结构变形差异检测系统，控制允许偏差及主要控制目标如表1所示。
表1 起升控制允许偏差(mm)
注：H为垂直度允许偏差；e为偏心率。
5.2 焊接原则及顺序
根据本工程结构特点，焊接采用分区域对称方式进行，焊接过程中需随时监测结构标高、水平度、垂直度，先焊主要构件，后焊次要构件，先焊变形较大的构件，后焊变形较小的构件。
1）结构对称、节点对称、全方位对称焊接；2）焊接节点采用对称焊接方法；3）焊缝采用窄层、薄层、多道焊接方法；4）按照从高到下、从巨柱向两侧的顺序进行焊接；5）东、西、南、北中间留有焊接间隙。
优先焊接雨棚支撑梁、巨柱、桁架，焊接顺序为从巨柱向桁架中部，先焊第5层支撑梁，后焊第3层支撑梁。
对于主悬臂梁、次悬臂梁、横龙骨及边梁的焊接，总的原则是从巨柱向桁架跨度依次进行，每两散件间的焊接应按图6中1～20的顺序进行。先焊好主、次悬臂梁，再焊好顶部补横龙骨两端及底部横龙骨两端（图6中5～8），以控制整个雨棚的侧向变形。最后从上至下焊好其余横龙骨。
雨棚边梁的焊接在以上所有焊接完成后进行。为避免应力集中，相邻焊缝不能同时焊接，即不能同时焊接一个构件的两端，应采用间隔焊的方法。在东、西、南、北四面留出一根横龙骨作为焊接开口，待其他所有构件焊接完成后方可进行焊接。
a—正面图；b—侧视图。
图6 顶篷焊接顺序
综上所述
1）通过地面拼装、高空整体吊装技术，可以方便、快捷地完成复杂构件的安装，大大提高施工效率。
2）局部调整安装细节，先安装定位支撑梁，大大增加了雨棚的安装精度，使施工过程更加有序。
3）采用标准化支撑架辅助安装方式，优化框架布置，增加框架间连接梁，不仅保证了施工安全，还为后续焊接工作提供了便捷的操作空间。
来源：许立山,朱炜,张跃国等. 大跨度空间双曲雨棚结构安装方法[J]. 钢结构, 2019, 34(6): 89-92。
doi: 10.13206/j.gjg201906017
