空間輻射弦支網殼鋼結構屋蓋安裝

1、空間輻射弦支網殼鋼結構屋蓋安裝技術中建一局集團建設發(fā)展有限公司王召新摘要：制定了適用于本工程特點的鋼結構安裝方案，采取經濟性很高的臨時支撐體系，鋼結構構件在加工廠分段加工，現場分段高空組裝。采用由中央向四周的擴散安裝順序，先安裝剛性環(huán)，依次安裝輻射桁架、支撐桿件和環(huán)向支撐。剛性環(huán)的組裝順序合理，保證了安裝過程中剛性環(huán)的整體穩(wěn)定性。輻射桁架對稱循環(huán)安裝，保證在安裝過程中支撐體系的承載受力對稱，減少支撐的不均勻沉降，確保了結構的幾何尺寸。環(huán)向桁架采用由外向內推入的方法，最大限度克服了相貫桿件相互干涉的影響。選擇合理的焊接工藝，達到安裝質量要求。關鍵詞：空間輻射弦支網殼鋼結構 安裝順序 安裝胎架 分

2、段吊裝 高空組裝一、工程概況北京大學體育館工程位于北京大學校園內，是2008年奧運會乒乓球正式比賽場館，總建筑面積為26900m2，地上四層，地下二層，看臺二層，座位數為7557個。體育館的屋蓋為空間輻射弦支網殼鋼結構屋蓋，采用的結構體系為由“柔性”拉索與“剛性”空間桁架結構,通過撐桿連接而成的預應力空間桁架殼體。整個屋蓋結構支撐點間的跨度為80×64m，由剛性環(huán)（下剛性環(huán)環(huán)與中央剛性環(huán)通過下?lián)螚U連接）、32榀輻射桁架（高2.5m）、中央球殼（矢高7m，跨度24m）、環(huán)向支撐與水平支撐體系、檐口支撐體系及預應力拉索六部分組成。其中輻射桁架高端支承在中央剛性環(huán)上，低端通過鋼支座支承于下

3、部混凝土框架結構上；中央球殼支撐在中央剛性環(huán)上；拉索外端連接于輻射桁架外端，內端連接于下剛性環(huán)上；輻射桁架之間由五道環(huán)向支撐和桁架上弦水平交叉支撐組成的屋蓋支撐體系保證輻射桁架平面外的穩(wěn)定。圖1 鋼屋蓋三維結構圖中央球殼中央上剛性環(huán)輻射桁架檐口支撐預應力拉索環(huán)向桁架及水平支撐圖2 鋼屋蓋剖面圖二、工程特點1.結構形式復雜北京大學體育館屋面鋼結構采用了預應力空間桁架與空間殼體的雜交結構，整體為封閉的空間雙曲面形狀，組成桁架為弧線、曲線及折線形式。在結構中全部節(jié)點為管與管相貫連接，鋼管相貫線切割、相貫節(jié)點拼裝、相貫焊縫焊接，不同形式節(jié)點有282個，最多有11根桿件相貫焊接于一個節(jié)點。2.選擇合理的

4、安裝順序對于相貫幾何封閉結構的安裝，需要合理安排構件安裝順序與工藝，避免桿件相互干涉導致后安裝的桿件無法正常施工。3分段吊裝難度大由于運輸能力的限制，需要將中央剛性環(huán)和輻射桁架進行分段制作，現場分段吊裝。支撐胎架的穩(wěn)定、空中定位放線的準確性、合理的安裝順序是桁架空中對接拼裝質量和保證整體屋蓋外形尺寸的保障。三、安裝準備1鋼結構加工（1）本工程鋼管采用頂管機進行頂彎，鋼管采用先接長，彎管后切割成構件的方法。彎管過程采用先初頂，后成形頂的方法進行逐步頂彎成形，頂彎過程中注意用力不能過大、過猛，并注意觀查，防止管子產生起皺、頂扁變形現象。（2）按照運輸能力的要求，把剛性環(huán)分8段制作，輻射桁架分23段

5、制作，所有構件在加工廠進行預拼裝，預拼裝后檢驗焊道間隙及整體外形尺寸，合格后方可出廠，為保證現場安裝質量打下基礎。2.滿堂紅腳手架胎架為配合屋面鋼結構施工，本工程采用室內滿堂紅腳手架做胎架，輔助鋼結構安裝、焊接并提供支撐。根據屋面鋼結構的布置特點，在剛性環(huán)及中央球殼下方搭設滿堂腳手架，做為操作架。腳手架支撐體系采用1.5×1.5×1.5m布置。沿桁架方向呈輻射形搭設三排腳手架，腳手架采用1.5×1.5×1.5m體系，剛性環(huán)及桁架安裝過程承重點下方搭設9根立桿的獨立承重腳手架，室外挑出鋼屋架下方搭設落地腳手架滿足上人操作及承重要求，獨立腳手架和滿堂紅腳手架

6、每1.5m相互連接。圖5 鋼屋架結構簡圖 圖4腳手架平面布置圖 3.現場設置拼裝胎架（1）中央剛性環(huán)體系拼裝胎架設置在其投影點上，首先要對胎架標高進行測量，各個支撐點標高偏差控制在2mm以內，將軸線和需要拼裝構件1：1 樣線放在拼裝胎架上。（2）胎架須按放樣圖劃出底線,在胎架上劃出構件的節(jié)點線、中心線、圓弧軌跡線，并用限位鐵板焊牢，敲上樣沖,節(jié)點軸心線誤差1 mm。調整支點千斤頂高度，千斤頂伸出長度200mm左右并依據下剛性環(huán)就位標高進行調整至設計要求高度。千斤頂位置調整后將其與下部鋼板焊接固定，見下圖：圖6 下剛性環(huán)胎架局部節(jié)點圖四、鋼結構安裝（一）安裝順序第一步 下剛性環(huán)安裝 第二步 垂直

7、撐桿安裝第三步 中央剛性環(huán)安裝 第四步 輻射桁架安裝第五步 環(huán)向、水平支撐安裝 第六步 中央球殼安裝安裝圖7 鋼屋蓋安裝順序第七步 檐口支撐安裝 第八步 拉索預應力張拉（二）下剛性環(huán)安裝將下剛性環(huán)平均分為8段安裝，每段重量約5kN，滿足現場塔吊起重量（塔吊此部分吊重6kN），安裝胎架驗收通過后，將下剛性環(huán)按順時針順序分段依次吊裝，吊至安裝工作面調整其位置和標高；將各個分段之間接口調整對齊，焊接襯管，安裝到位。 圖8 下環(huán)拼裝焊接圖圖9 下剛性環(huán)現場拼裝照片（三）中央剛性環(huán)與下剛性環(huán)之間垂直撐桿安裝1.垂直撐桿安裝前搭設中央剛性環(huán)部分的拼裝腳手架。2.垂直撐桿采用散件拼裝，先行安裝32件垂直撐桿

8、，按照其就位位置用定位焊將垂直撐桿與下環(huán)固定。要求撐桿安裝對定位線偏差2mm，垂直偏差3mm，撐桿頂端對于中央剛性環(huán)下弦定位線的偏差3mm，撐桿頂面標高偏差控制在2mm以內，相鄰桿件頂面高差控制在3mm以內。定位焊焊縫長度40mm焊縫高度6mm，定位焊布置于垂直撐桿四個象限點部位，見下圖：圖10 定位焊圖 圖11 垂直撐桿位置圖3.垂直撐桿安裝時采用腳手架作為臨時穩(wěn)固措施，每根垂直撐桿用腳手管與腳手架抱接固定，再采用兩根48×3腳手管與下剛性環(huán)本身焊接固定，此固定措施用以保證中央剛性環(huán)部分安裝的穩(wěn)定性。圖12 垂直支撐加固圖支撐桿跳躍設置圖13 垂直支撐加固圖（四）中央剛性環(huán)安裝1.

9、 第一步：中央剛性環(huán)下半部安裝。首先將中央剛性環(huán)下半部分段依次吊裝到位，按照圖紙將各個節(jié)點位置找正，與垂直撐桿固定焊接，各個分段之間接口定位焊接；在檢查安裝位置確認合格后進行焊接中央剛性環(huán)下半部的中弦、下弦和分段之間的腹桿。圖14 中央剛性環(huán)下半部安裝圖2.第二步：安裝上弦桿。在拼裝腳手架上搭設中央剛性環(huán)上弦支撐鋼管，將上弦定位線標記在支撐鋼管上并焊接限位鋼板；吊裝中央剛性環(huán)上弦，各個分段之間固定焊接。圖15 中央剛性環(huán)上弦桿安裝圖3第三步：安裝剩余腹桿。將各腹桿集中吊運至施工面，人工將各個腹桿就位，檢查拼裝后規(guī)格尺寸確認合格后焊接。圖16 腹桿安裝圖4.第四步：當垂直撐桿與中央剛性環(huán)焊接完成

10、后安裝斜撐桿。（五）球殼安裝根據球殼的幾何尺寸搭設安裝腳手架，利用全站儀和建筑軸線定位，來確定轉換環(huán)的標高和位置，并安裝其腹桿和轉換環(huán)后，再安裝中央球殼經線桿件支撐桿，經測量調整支撐桿的標高，并且依據測量結果標記出經線桿件的位置并設置限位板。首先安裝轉換環(huán)，安裝方法同中央剛性環(huán)上弦的安裝方法。轉換環(huán)安裝完畢后安裝轉換環(huán)與中央剛性環(huán)中弦之間的桿件。由低位置的經線桿件開始安裝，同時由兩側向上安裝。相鄰的兩根經線桿件安裝完后，安裝緯線桿件，位置固定后由中央向兩側安裝緯線桿件。安裝采用塔吊吊運人工就位，構件安裝順序見下圖：28.3m轉換環(huán)經線桿件安裝順序緯線桿件安裝順序圖17 球殼安裝圖（六）輻射桁架

11、安裝（含支撐體系）1.搭設操作平臺和節(jié)點支撐平臺（1）在桁架節(jié)點下方搭設支撐平臺，上方設置千斤頂，把桁架下方的腳手架沿通長方向鋪設木跳板作為工人操作平臺。（2）在支撐平臺上放出桁架定位線。吊裝前仔細檢查拼裝單元，對桁架的編號和吊裝軸線進行復核，合格后方可進行吊裝。2.桁架的吊裝(1)輻射桁架采用三榀對稱安裝方法，每相臨兩榀桁架安裝完成后立即安裝其之間垂直支撐和水平支撐，保證桁架穩(wěn)定。(2)桁架整體安裝順序見下圖：圖21桁架安裝完成圖20 其他桁架依次對稱安裝圖19 另一側三榀對稱安裝圖18 一側三榀安裝(3)桁架分段安裝順序為從靠近中央剛性環(huán)一段向外側安裝，桁架分段重量均在塔吊起重范圍內,桁架

12、HJ1HJ16分段圖及節(jié)點支撐位置如下：圖22 桁架HJ1HJ16分段圖及節(jié)點支撐位置圖分段位置節(jié)點支撐位置(4)現場吊裝 1)現場采用塔吊通過一個鐵扁擔進行吊裝，根據各個輻射桁架的不同重量，確定桁架的重心位置，合理確定桁架的吊點，并且吊點一定選在桁架節(jié)點處。圖23 吊裝示意圖2)起吊時，兩名信號工進行指揮，第三名信號工進行整體觀察，發(fā)現問題及時進行調整，保證桁架的順利吊裝。并且兩個人分別拉住桁架兩側的兩根溜繩，桁架開始起吊時必須使用1檔。3)為了保證安全，人員不能站在吊件的正下方。待桁架吊至就位位置以上時，開始就位，信號工指揮塔吊使用1檔下落。桁架接近就位位置時，兩名安裝工人要分別用手扶住桁

13、架，將桁架拖至就位位置。4)桁架的固定：桁架就位后，立即拉好纜風繩調整桁架就位位置和桁架垂直度，使用鋼管將桁架與腳手架抱接，然后進行下榀桁架的吊裝。當兩榀桁架安裝完畢后，進行主桁架之間的豎向支撐的安裝。3.桁架的空中對接：按照桁架拼接點的標高預先調整千斤頂，可使用撬棍和葫蘆將接口對接。桁架對接后調整千斤頂復核桁架平面內、平面外的撓度、拼接點標高、軸線位置、跨中垂直度，確認合格后使用電焊將對接口固定焊接，將桁架用鋼管和拼裝腳手架抱接，如下圖所示： 圖24 桁架的空中對接示意圖4.桁架間豎向支撐和水平安裝為了保證桁架的穩(wěn)定，相鄰兩榀桁架安裝完成后，立即進行桁架間支撐的安裝，先安裝環(huán)向支撐、所有環(huán)向

14、支撐安裝完成后安裝水平支撐，桁架間支撐安裝采用塔吊安裝。（七）邊桁架及檐口桁架安裝由于邊桁架的長度較長，重量較重（BHJ1重量約為11.897kN，BHJ2重量約約為10.503 kN），根據本工程的結構形式邊桁架BHJ1被輻射桁架和支座自然分成8段，每段10m長，每段重量約為1.49 kN。邊桁架BHJ2被輻射桁架自然分成8段，每段長度為8m，每段重量約為1.31 kN。根據結構平面布置和塔吊相對關系，每一段邊桁架的重量均在相應位置的塔吊起重量范圍內。且每段邊桁架的長度和寬度均能滿足運輸條件。因此在加工廠制作好每段完整的邊桁架，運至施工現場后，進行整段邊桁架整體吊裝。邊桁架采用現場ST70/

15、30塔吊進行整段吊裝，每段桁架均采用兩點起吊，兩個吊點選擇在鋼梁的重心兩側，兩個吊點位置應距離支座及跨中800mm以外，并根據桁架的長短適當的增加兩個吊點之間的距離。每吊裝一段邊桁架分別與相應位置的輻射桁架和支座相連接。待整榀邊桁架吊裝完成后，進行測量校正無誤后在進行邊桁架的焊接。（八）檐口桁架安裝檐口桁架使用塔吊吊運人工安裝。首先在安裝操作平臺腳手架上搭設檐口桁架支撐桿，調整好標高。調整好軸線位置、標高后，將構件后端與立柱固定焊接，前端與支撐鋼管固定焊接。檐口桁架之間的支撐體系隨桁架安裝同步進行。（九）小限位滑動支座安裝本工程有28個滑動支座和4個小限位滑動支座，28個滑動支座在剛結構安裝前

16、先固定，4個角部的小限位滑動支座在屋面荷載加載完成，屋面自平衡體系基本形成后再安裝。輻射桁架立柱加工時已增長（包含支座高度），安裝時與支座下方預埋板定位焊接固定，見圖25。圖25 焊接固定示意圖2、支座安裝時采用兩個千斤頂頂住輻射桁架兩側邊桁架節(jié)點處，千斤頂必須設置在混凝土梁上，將立柱長出部分切除，然后將支座就位，保證支座與桁架立柱之間間隙為5mm以方便就位和焊接。支座就位檢查無誤后開始焊接。第一步：將立柱長出部分切除 第二步：安裝支座五、現場焊接本工程為空間鋼結構，焊縫質量等級要求較高。受拉的全熔透剖口焊縫及復雜節(jié)點焊縫為一級焊縫，其余全熔透剖口焊縫為二級焊縫，角焊縫為三級。采用手工電弧焊和CO2氣體保護焊兩種方法，手工電弧焊焊接材料選用E50xx系列焊條、CO2氣體保護焊焊接材料選用ER50-6焊絲，焊接位置為圓管全位置焊?，F場安裝的一級焊縫全部進行自檢探傷，見證探傷比例11%；二級焊縫自檢比例31%，第三方見證探傷比例3.1%。一、二級焊縫在施工方3%見證探傷基礎上，建設單位又委托冶金院進行3%的抽檢探傷，檢測結果全部合格。六、經濟和社會效益分析做為世界上第一個專用的乒乓球館，北京大學體育館的屋面造型是目前國內外建筑中獨一無二的空間鋼結構，科技含量高，體現了特、精、新、難四個方面的特點，其鋼結構造型在國內外建筑史上樹立了一個新的里程碑。施工時綜合考慮了經濟、合理