浅析上海世博会西班牙国家馆钢结构工程
钢结构工程是以钢材制作为主的结构,是主要的建筑结构类型之一,也是现代建筑工程中应用较为普遍结构形式之一。
它以组织结构均匀、强度高、良好的塑性、韧性及密封性而被广泛采用。随着我国工业的发展,更多的大跨度场馆、高层建筑、构筑物、中小型建筑均采用钢结构。
钢结构具有以下几点优点:1、重量轻。钢结构的容重虽然较大,但与其它建筑材料相比强度却高很多,因而当承受的荷载和条件相同时,钢结构要比其它结构轻,便于运输和安装,并可跨越更大的跨度。2、塑性和韧性好。塑性好,使钢结构一般不会因为偶然超载或局部超载而突然断裂破坏。韧性好,则使钢结构对动力荷载的适应性较强。钢材的这些性能对钢结构的安全可靠提供了充分的保证。3、更接近于匀质和各向同性体。钢材的内部组织比较均匀,非常接近匀质和各向同性体,在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。这些性能和力学计算中的假定比较符合,所以钢结构的计算结果较符合实际的受力情况。4、制造简便,易于采用工业化生产,施工安装周期短。钢结构由各种型材组成,制作简便。大量的钢结构都在专业化的金属结构制造厂中制造,精确度高。制成的构件运到现场拼装,采用螺栓连接,且结构轻,故施工方便,施工周期短。已建成的钢结构也易于拆卸、加固或改造。此外,钢结构气密性和水密性较好,其延性比钢筋混凝土好,抗震效果较好。钢材可以回收,建造和拆除时对环境污染较少。
当然,钢结构也有其缺点,如,易失稳、易腐蚀、耐温性能差等。但随着科技的不断进步,这些缺点也逐渐被人们所克服。钢结构的应用也越来越广泛。从钢结构的第一次在建筑上应用到现今,世界上已不断的涌现了许许多多运用钢结构的经典建筑。如伦敦千禧穹顶,巴黎的埃菲尔铁塔,纽约的帝国大厦,以及目前世界上跨距最大悬索桥——日本明石海峡大桥。下面就以近年建造的上海世博会西班牙国家馆为例。
上海世博会西班牙国家展馆外立面酷似我们生活中常见的那种以柳条编织的篮子,而相交的钢梁形成“篮子”状外墙覆盖柳条。
由于西班牙馆建筑立面呈现出柳条编织的篮子形状,形态较复杂,所以,在其结构上存在多片水平和竖向的空间扭转曲面,其结构形式采用的是空间桁架结构。空间桁架结构竖向及水平向构件沿建筑立面在不同部位发生扭曲,以与空间
扭转曲面相适应。主体钢结构竖向和水平构件的分段连接节点采用高强螺栓法兰连接的方式,以在保证连接强度的同时便于将来的拆卸。
西班牙的这种复古而创新的“藤条篮子”不仅在世博会上大放异彩,也在钢结构施工技术有了重大突破。
在展馆主体结构上,多采用多曲率弯弧钢管。弧形圆管主要为Φ152×6~Φ300×20,钢管弯曲加工成型采取机械冷弯成型方法。由于同根钢管多曲率,且曲率不一样,施工时,技术人员通过对曲率转换点的控制及木胎膜的复测技术有效的保证了多曲率钢管的弯弧精度。
围护钢结构的竖向杆件与水平连杆的节点采用弯管偏心半相贯节点。这一构造又是本工程上一个难点。
围护钢结构中,竖向杆件为主要受力构件,且尺寸大于水平杆件,因此竖向杆件连续贯通,水平杆件与之半相贯焊接,弯管的偏心相贯线是先割后弯,还是先弯后割?如采用先割后弯,则钢管的相贯线在弯管时将产生较大变形;而如果采用先弯后割,弯管的问
题
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解决了,但由于我国在某些方面还与世界先进水平存在一定的差距,国内现有的设备无法对弯管进行半相贯切割。经过施工方技术人员的技术攻关及多次对比试验后,以下方法取得了不错的效果:弯管偏心半相贯节点采用六维相贯面数控切割机间歇式的先割除大部分,确定相贯面轨迹,然后煨弯,煨弯检验合格后切除剩余小部分连接部。为解决半相贯节点的数控切割,承建公司还为此升级开发了专用切割软件。
在连接方面,由于工程为世博会外国自建馆,为便于上海世博会结束后业主单位将结构构件拆卸运回本国异地重建,圆钢管在长度方向采用法兰盘拼接。
西班牙国家馆主体结构大体分四区,即展厅一、展厅二、展厅三以及办公区。各个展区由于结构形状不尽相同,其吊装的方法有就注定不同。
在主体结构施工安装过程中,由于运输尺寸的限制,结构中竖向桁架柱等为单片平面桁架运至现场进行安装,由于花篮桁架基本上都为多曲率弯管,且为闭合的圆圈形状,现场安装质量的精度控制将直接影响到整个结构的合拢。根据现场的具体施工条件并结合以往用于其它类似大型钢结构的实际施工经验,施工方采用了以下
方案
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来完成整个结构的安装。
办公区和展厅1区外围立面由倒L型平面桁架组成,采取分两段吊装就位,首先进行下层单片桁架的吊装,为定位方便,在桁架柱柱脚根部预先焊接定位固定件,将桁架柱插入固定件内确保构件吊装准确无误,再进行柱脚与预埋件的
焊接。同时在外侧桁架柱下部应架设千斤顶,控制桁架柱不出现侧斜。单片桁架安装时同步进行水平系杆的安装。下层单片桁架及水平系杆安装完成后进行上层桁架的安装,上层桁架安装时在悬挑桁架投影下搭设钢管支撑,与下层钢柱采用法兰盘高强螺栓连接。展厅2、3区及入口外围立面由S型平面桁架组成,采取分三段吊装就位,采取自下而上递进、由外向内合拢的安装方法,在下段桁架形成稳定的闭合圈后才进行上圈桁架的安装。因S型单片桁架悬挑段较长,安装就位时,悬挑侧需搭设脚手架支撑,另外两侧拉设缆风进行固定。
楼面及屋面钢梁与竖向桁架柱的连接大部分采用销轴连接,而钢梁基本为弧形不对称结构,这给钢梁的吊装对位带来较大的难度,钢梁吊装时保持钢梁的上下方向及水平方向,就位时及时夹好连接板,然后再用普通螺栓临时连接测量校正无误后进行销轴连接。
本工程出现了钢管多曲率弯弧、弯管偏心半相贯节点及全法兰连接等国内少有的加工及安装难题,但通过工厂加工及现场安装的共同努力,各部位构件加工及安装无误,达到了国外设计师所需的建筑及结构要求,并一次性通过了钢结构主体结构验收及上海市金钢奖评选,得到业主、监理及相关单位的一致肯定,以事实证明上述关键技术的成功。
钢结构不仅是一门科学,也是一门艺术。在钢结构中,采用的建筑材料和建筑形式都符合当下世界上许多国家提倡的节能减排方针政策。钢结构中其丰富结构形式为建筑提供了更多想象空间。钢结构虽然造价较高,但由于本身的特点,如轻质高强,抗震性好,建造速度快,工期短,综合效益好等而获得广泛应用。可以预见,随着经济的发展和科技的进步,钢结构的应用也将日益广泛,必将进入新的更高的发展阶段,正如建设部原总工程师姚兵所说的,“二十一世纪的建筑结构将是金属的世纪。”这也正是对钢结构的发展前景的科学的预见和肯定。
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