大跨度網(wǎng)殼架外擴(kuò)拼裝－拔桿接力轉(zhuǎn)換整體提升施工工法

1.前言2008年奧運(yùn)會**館鋼屋蓋為雙層焊接球球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，跨度133.06m，網(wǎng)殼厚度2.8m，矢高14.69m，頂標(biāo)高為35.29m，屋蓋下方為看臺等混凝土結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)施工前先后論證了滿堂紅腳手架散拼法、微單元拼裝法、整體頂升法、高空滑移法計(jì)算機(jī)動態(tài)控制的整體提升、吊裝和計(jì)算機(jī)動態(tài)控制相結(jié)合等目前國內(nèi)主要采用的網(wǎng)殼安裝方法，都存在著措施費(fèi)高，施工周期長，安全風(fēng)險(xiǎn)大等問題。根據(jù)該工程特點(diǎn)，最終確定采用網(wǎng)殼逐步外擴(kuò)拼裝，三圈拔桿群接力轉(zhuǎn)換整體提升到位的安裝方法，使得網(wǎng)殼拼裝作業(yè)均在地面或低空進(jìn)行，無需搭設(shè)大量的腳手架平臺，措施費(fèi)用低，降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，保證了工程質(zhì)量和進(jìn)度，從而形成了一種新型的適用于大跨度網(wǎng)殼（架）安裝的施工工法。2006年3月，經(jīng)過北京市科技成果鑒定，評定該項(xiàng)施工技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。2007年4月，以該技術(shù)為核心的《巨型鋼網(wǎng)殼綜合安裝技術(shù)研究》獲北京市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。該工法將傳統(tǒng)的拔桿提升工藝與現(xiàn)代技術(shù)巧妙結(jié)合，適應(yīng)于大跨度網(wǎng)殼（架）結(jié)構(gòu)的安裝，能夠節(jié)約大量的措施費(fèi)、節(jié)能環(huán)保效果顯著。2.工法特點(diǎn)2.1采用獨(dú)腳拔桿作為承載裝置，便于安裝和拆卸，拔桿采用圓管截面，便于在網(wǎng)格間自由穿插。2.2采用滑輪組傳動系統(tǒng)作為提升裝置，操作簡便，便于控制調(diào)整。2.3該工法可確保網(wǎng)殼（架）在結(jié)構(gòu)面或地面位置拼裝，減少高空作業(yè)，降低了措施費(fèi)用和安全風(fēng)險(xiǎn)。2.4網(wǎng)殼提升過程中的受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)工況受力狀態(tài)相近，接力提升轉(zhuǎn)換過程中可自動逐步卸載。避免了由于集中卸載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。3.適用范圍適用于網(wǎng)殼（架）高度在10m～40m之間、投影面積在3000㎡以上、形狀基本對稱的大型網(wǎng)殼（架）結(jié)構(gòu)安裝，包括焊接球網(wǎng)殼（架）和螺栓球網(wǎng)殼（架）結(jié)構(gòu)。4.工藝原理利用網(wǎng)殼（架）由中心開始對稱外擴(kuò)拼裝形成的空間剛度單元，以拔桿相互拉結(jié)形成的穩(wěn)定體系為承重機(jī)構(gòu)，以滑輪組為提升裝置，網(wǎng)殼（架）外擴(kuò)拼裝與提升交替進(jìn)行，各組拔桿逐步接力提升，將網(wǎng)殼（架）提升到位。裝置示意圖簡圖4.1，提升過程示意見圖4.2。圖4-1拔桿接力提升工藝圖示圖4-2拔桿接力提升過程圖示（逐步外擴(kuò)、接力提升）5.工藝流程及操作要點(diǎn)5.1工藝流程圖（見圖5.1）圖5.1施工工藝流程圖5.2操作要點(diǎn)5.2.1提拔桿群設(shè)置方案確定1、拔桿組數(shù)的確定根據(jù)場地因素和結(jié)構(gòu)外形特點(diǎn)，確定拔桿組數(shù)，在滿足網(wǎng)殼可以在地面或低空拼裝和結(jié)構(gòu)安全的前提下，拔桿的組數(shù)應(yīng)盡量少。2、每組拔桿的數(shù)量和間距根據(jù)施工驗(yàn)算結(jié)果確定，在滿足網(wǎng)殼（架）變形和桿件應(yīng)力的前提下，拔桿數(shù)量應(yīng)盡量少，但不得少于4根，拔桿間距應(yīng)盡量大。3、拔桿位置每組拔桿中各拔桿位置應(yīng)在滿足均勻?qū)ΨQ的原則下，盡量設(shè)置在混凝土柱或梁上（當(dāng)下部有混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)），同時(shí)嚴(yán)禁與網(wǎng)殼（架）球節(jié)點(diǎn)沖突，盡量避免與網(wǎng)殼桿件沖突（無法避讓時(shí)按實(shí)際驗(yàn)算加固）。4、拔桿截面及長度拔桿長度根據(jù)網(wǎng)殼（架）提升高度確定，拔桿截面根據(jù)每根拔桿承載力和計(jì)算長度按穩(wěn)定性驗(yàn)算確定。5、滑輪組及鋼絲繩（跑繩）選擇滑輪組及鋼絲繩規(guī)格根據(jù)每根拔桿承擔(dān)荷載進(jìn)行選擇。5.2.2設(shè)定基準(zhǔn)點(diǎn)：測定殼體中心基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)置牢固的中心點(diǎn)標(biāo)記?？梢栽诨炷两Y(jié)構(gòu)或砌筑的混凝土柱墩上設(shè)置預(yù)埋鋼板，在鋼板上劃出十字中心線作為基準(zhǔn)點(diǎn)。5.2.3網(wǎng)殼（架）拼裝：根據(jù)網(wǎng)殼（架）下弦球的位置設(shè)置穩(wěn)定的支撐裝置，從殼體中心開始采用散拼法拼裝，采用儀器和以桿定球相結(jié)合定位方法進(jìn)行拼裝。5.2.4安裝提升裝置根據(jù)拔桿設(shè)置方案吊裝、設(shè)置拔桿。拔桿底部設(shè)置支座，以避免拔桿對支承面的壓強(qiáng)過大，防止拔桿下端移動。底座放置在混凝土結(jié)構(gòu)面或地面上。如果拔桿設(shè)置在混凝土結(jié)構(gòu)面上，應(yīng)盡量設(shè)置在混凝土柱或梁上，并通過驗(yàn)算確定是否需要對結(jié)構(gòu)加固。如果不能落到混凝土柱或梁上，可在樓板上預(yù)留洞口，拔桿穿過洞口立到地面上，此時(shí)需對地面的承載力進(jìn)行驗(yàn)算，確保沉降量不影響施工質(zhì)量和安全。每一組拔桿頂部之間通過繃頭繩互相拉結(jié)，如圖-1所示，每根拔桿均要設(shè)置由頂部拉結(jié)到混凝土結(jié)構(gòu)或地錨上的纜風(fēng)繩。纜風(fēng)繩與地面的夾角不應(yīng)大于45°。地錨的做法也要根據(jù)纜風(fēng)繩受力情況進(jìn)行驗(yàn)算確定。每根拔桿頂端設(shè)置對稱的兩個(gè)吊耳，每個(gè)吊耳上設(shè)置一組滑輪組?；喗M跑繩在穿過樓板或轉(zhuǎn)向時(shí)，嚴(yán)禁與混凝土結(jié)構(gòu)摩擦；跑繩與滑輪所在平面的夾角必須小于5°。圖-1拔桿頂部繃頭繩拉結(jié)示意圖每根拔桿頂部對稱設(shè)置兩個(gè)吊耳，如圖-2所示，在拔桿驗(yàn)算時(shí)應(yīng)考慮兩側(cè)吊耳受力不均勻的影響，并采取相應(yīng)措施。每個(gè)滑輪組與網(wǎng)殼（架）節(jié)點(diǎn)綁扎固定的位置和數(shù)量必須按方案執(zhí)行。同一個(gè)滑輪下的各個(gè)球節(jié)點(diǎn)采用同一根鋼絲繩穿過卡環(huán)拉結(jié)，使每個(gè)球節(jié)點(diǎn)受力均勻。鋼絲繩的道數(shù)需根據(jù)承載力確定。圖-2拔桿頂部吊耳設(shè)置示意圖5.2.5安全檢查：檢查提升系統(tǒng)的拔桿、絞磨、鋼絲繩、跑繩、纜風(fēng)繩等安裝就位。除了檢查提升設(shè)備外，還需注意其他設(shè)施是否妨礙網(wǎng)殼（架）提升，網(wǎng)殼（架）是否已經(jīng)與其它結(jié)構(gòu)完全脫離。5.2.6試提升：提升前對所有人員進(jìn)行詳細(xì)技術(shù)交底。檢查無誤后開始第一次試提升，各個(gè)動力裝置在指揮員的統(tǒng)一指揮下開始同步提升。試提升的高度不宜過高，控制在300～500㎜內(nèi)，使已拼裝的部分均脫離支撐點(diǎn)即可。網(wǎng)殼（架）處于懸空狀態(tài)不少于4小時(shí)。5.2.7正式提升：試提升經(jīng)懸停無誤后再進(jìn)行正式提升，正式提升人員配備與操作方法和試提升相同。提升過程中，采用網(wǎng)殼（架）上懸掛鋼尺和水平儀觀測相結(jié)合的方法對網(wǎng)殼（架）的不同方位點(diǎn)的標(biāo)高進(jìn)行觀測，每提升1..0m左右暫停，調(diào)整網(wǎng)殼（架）的水平度，各觀測點(diǎn)標(biāo)高允許偏差根據(jù)對網(wǎng)殼（架）的施工驗(yàn)算確定。分階段提升至預(yù)定的標(biāo)高后固定，對拔桿鋼絲繩設(shè)置好保險(xiǎn)繩。提升完成后，觀測網(wǎng)殼（架）的整體位移和扭轉(zhuǎn)偏差。如果偏差過大則利用混凝土結(jié)構(gòu)或地面作為拉結(jié)點(diǎn)，通過倒鏈來調(diào)整。5.2.8循環(huán)拼裝提升設(shè)置第二組拔桿，繼續(xù)外擴(kuò)拼裝。利用第二組拔桿提升網(wǎng)殼（架）。第二組拔桿提升過程中，第一組拔桿自動卸載，實(shí)現(xiàn)接力轉(zhuǎn)換。第二組拔桿提升完畢后，拆除第一組拔桿。循環(huán)進(jìn)行至最后一組拔桿設(shè)置，實(shí)現(xiàn)整體提升就位。利用最后一組拔桿將網(wǎng)殼（架）整體提升到設(shè)計(jì)位置，完成與支座的對接。每次提升前必須進(jìn)行試提升，以確保施工安全。每次提升前必須對工人進(jìn)行技術(shù)交底。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測：為確保工法實(shí)施中的安全性，應(yīng)對拔桿及網(wǎng)殼（架）關(guān)鍵桿件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。網(wǎng)殼（架）桿件的應(yīng)力比不宜超過0.7。拔桿應(yīng)力比不應(yīng)超過0.6。對個(gè)別超標(biāo)趕緊應(yīng)進(jìn)行加固或代換。5.2.9提升到位，與支座對接網(wǎng)殼（架）外擴(kuò)拼裝到預(yù)定范圍，提升到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，對網(wǎng)殼（架）的標(biāo)高、位移、扭轉(zhuǎn)偏差進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整到位后完成與支座或支撐系統(tǒng)的對接。5.2.10拆除拔桿，完成安裝可利用網(wǎng)殼（架）結(jié)構(gòu)作為吊點(diǎn)拆除拔桿，利用鋼絲繩將拔桿懸吊在網(wǎng)殼（架）上，再對拔桿根部施加水平力，逐漸將拔桿放置水平。6.材料與設(shè)備施工中用到的主要提升材料與設(shè)備見表6。表6材料設(shè)備選用表序號設(shè)備說明備注1拔桿拔桿采用圓鋼管制制作，拔桿的的規(guī)格選擇需需根據(jù)網(wǎng)殼（架架）的規(guī)模、施施工工況驗(yàn)算算情況確定。2動力裝置人工絞磨或卷揚(yáng)機(jī)機(jī)作為拔桿提提升網(wǎng)殼（架架）的動力裝裝置。3滑輪組按照承載情況選擇擇滑輪組，滑滑輪組必須具具有出廠合格格證。4鋼絲繩、卡環(huán)、倒倒鏈鋼絲繩的規(guī)格根據(jù)據(jù)施工前的工工況驗(yàn)算確定定。鋼絲繩的的檢驗(yàn)驗(yàn)收符符合國標(biāo)《起起重機(jī)用鋼絲絲繩檢驗(yàn)和報(bào)報(bào)廢實(shí)用規(guī)范范》GB/T5972--2006，必必要時(shí)進(jìn)行鋼鋼絲繩抗拉力力現(xiàn)場試驗(yàn)。5測量設(shè)備直角尺、鋼尺、水水平儀、經(jīng)緯緯儀、全站儀儀、全站儀反反射棱鏡6指揮系統(tǒng)設(shè)備話筒、擴(kuò)音器、紅紅旗等7.質(zhì)量控制7.1質(zhì)量要求7.1.1拼裝材料允許偏差焊接球、螺栓球質(zhì)量、網(wǎng)殼（架）拼裝過程中的允許偏差、結(jié)構(gòu)交工驗(yàn)收允許偏差應(yīng)符合《網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ61-2003、《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》JGJ7-91、《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50205-2001的有關(guān)規(guī)定。7.1.2拔桿的加工質(zhì)量拔桿加工質(zhì)量應(yīng)符合《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50205-2001中的相關(guān)規(guī)定外還應(yīng)滿足表的要求：表拔桿加工質(zhì)量允許偏差表序號項(xiàng)目示意圖允許偏差（單位：mm）備注1直線度f≤L/1000且f≤10mmL為拔桿總長度2橢圓度f/d≤3/100003端面不平度f/d≤3/15500f≤0.3mm7.2質(zhì)量保證措施7.2.1網(wǎng)殼（架）結(jié)構(gòu)的制作、拼裝和安裝的每道工序均應(yīng)進(jìn)行檢查，凡未經(jīng)檢查，不得進(jìn)行下一工序的施工。安裝完成后必須進(jìn)行交工檢查驗(yàn)收7.2.2拔桿加工質(zhì)量和網(wǎng)殼（架）構(gòu)件加工精度要保證。7.2.3網(wǎng)殼（架）拼裝中心點(diǎn)定位測量標(biāo)記要準(zhǔn)確。中心點(diǎn)標(biāo)記作為網(wǎng)殼（架）拼裝后偏差測量的基準(zhǔn)，必須保證準(zhǔn)確。8.安全措施8.1網(wǎng)殼（架）拼裝過程中必須嚴(yán)格按照《北京市建筑工程施工安全操作規(guī)程》中規(guī)定的制度作業(yè)，搭設(shè)的腳手架平臺必須經(jīng)過驗(yàn)收后方可使用，空中作業(yè)時(shí)按要求系好安全帶。按要求鋪設(shè)安全網(wǎng)。8.2施工前應(yīng)充分考慮可能的各種工況，對各種施工工況進(jìn)行驗(yàn)算，并且預(yù)留安全系數(shù)。選擇滿足使用要求的拔桿、絞磨、鋼絲繩、滑輪組。8.3拔桿設(shè)立的位置必須滿足拔桿承載力的要求，如果是立在混凝土結(jié)構(gòu)上，必須驗(yàn)算其強(qiáng)度是否滿足要求；如果立在地面上則需注意地面是否會下沉，必要時(shí)需對拔桿的沉降情況進(jìn)行監(jiān)測。8.4應(yīng)建立專門的提升指揮系統(tǒng)，確保提升中的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和同步指揮；提升前應(yīng)履行書面審批程序，各相關(guān)部門聯(lián)合檢查確認(rèn)后方可提升，每次提升完成后應(yīng)鎖死驅(qū)動裝置。8.6提升過程中根據(jù)作業(yè)面的大小專門配備一定數(shù)量的纜風(fēng)繩觀測員，對提升系統(tǒng)各個(gè)部件進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)問題立即通知停止提升，還應(yīng)留有一定數(shù)量的應(yīng)急預(yù)備人員。87.7安全預(yù)案：在提升過程中各絞磨或觀察員發(fā)現(xiàn)任何問題，立即通知指揮員，指揮員下令暫停提升。然后再對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，排除障礙后繼續(xù)提升。9.環(huán)保措施9.1在焊接球網(wǎng)殼（架）結(jié)構(gòu)拼裝過程中，保持焊接作業(yè)環(huán)境通風(fēng)良好，防止煙塵對作業(yè)人員造成傷害。9.2構(gòu)件噴砂除銹應(yīng)搭設(shè)操作棚，以減小噪音污染。配備吸塵處理裝置，防止灰塵污染大氣。9.3嚴(yán)格控制油漆稀釋劑的發(fā)放量，油漆噴涂后剩余油漆稀釋劑應(yīng)嚴(yán)格管理，未用完的要進(jìn)行回收。10.效益分析10.1經(jīng)濟(jì)效益：無需搭設(shè)拼裝平臺，無需專門配備大型起重機(jī)械，可以節(jié)約大量的措施費(fèi)用，降低施工成本。2008年奧運(yùn)會**館鋼屋蓋網(wǎng)殼（架）采用本工法相當(dāng)于采用滿堂紅腳手架方案措施費(fèi)用的40%，約300萬元。10.2社會效益：本工法具有施工工期短，無需大型設(shè)備，環(huán)保效果顯著等特點(diǎn)。無污染、不產(chǎn)生噪音、廢氣、廢水。所用的拔桿等設(shè)備均可重復(fù)利用，不產(chǎn)生建筑垃圾。本工法將拔桿提升工藝賦予新的活力，形成了一種新型快捷的網(wǎng)殼（架）安裝方法，是傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代科技的完美結(jié)合。11.應(yīng)用實(shí)例11.12008年奧運(yùn)會**館鋼屋蓋網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)安裝如圖11.1所示：2008年奧運(yùn)會**館位于北京市，總建筑面積32250㎡，下部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，屋蓋為雙層焊接球球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其水平投影為直徑150m的圓形，頂標(biāo)高35.29m，跨度133.06m，總重約2000噸，在目前亞洲同類型結(jié)構(gòu)中跨度最大。整個(gè)屋蓋由24組向外傾斜15°的人字柱和鑄鋼支座支撐。網(wǎng)殼，材質(zhì)為Q345B，主要構(gòu)件為焊接球和鋼管。焊接球直徑為300~600mm，共六種規(guī)格；鋼管直徑為114~203mm，共五種規(guī)格。桿件長約4m。圖11.12008年奧運(yùn)會**館鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)示意圖網(wǎng)殼采用本工法安裝，首先在地面拼裝，混凝土結(jié)構(gòu)妨礙拼裝時(shí)開始提升，再拼裝，反復(fù)進(jìn)行，直到將網(wǎng)殼（架）拼裝完成并提升到位。整個(gè)過程共設(shè)置了三圈拔桿，進(jìn)行了六次提升。三圈拔桿采用接力的方式進(jìn)行，第二圈拔桿提升時(shí)，第一圈拔桿卸載；第三圈拔桿提升時(shí)，第二圈拔桿卸載。拔桿的最大規(guī)格為Φ480×8mm，最大長度28.8m。一次提升最多時(shí)設(shè)置了28根拔桿，約600人同時(shí)操作，提升重量460噸。該工程獲得2006年度鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)，北京市結(jié)構(gòu)長城杯金獎(jiǎng)。2007年4月《巨型鋼網(wǎng)殼綜合安裝技術(shù)》獲北京市科技進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。11.2北京**館鋼屋蓋結(jié)構(gòu)施工北京**體育館比賽館鋼屋架為正交正放桁架式螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架，比賽館網(wǎng)架面積為84