空間雙向彎曲管桁架異形屋蓋安裝施工技術(shù)

空間雙向彎曲管桁架異形屋蓋安裝施工技術(shù)袁淑文;薛毅;李瑜;楊靜【摘要】空間雙向彎曲管桁架結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)合理、剛度大、夕卜形獨(dú)特等特點(diǎn)，近年來(lái)在機(jī)場(chǎng)、火車站、科技館、會(huì)展中心等公共建筑中得到廣泛的應(yīng)用.以云南省科技館新館工程項(xiàng)目鋼管桁架結(jié)構(gòu)屋蓋為例，分析并總結(jié)了雙向彎曲管桁架異形屋蓋施工中鋼管桁架拼裝、吊裝、支撐架布置及卸載、施工測(cè)量及變形監(jiān)測(cè)等方面的關(guān)鍵施工技術(shù).【期刊名稱】《建筑施工》【年(卷)，期】2018(040)008【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P1360-1363)【關(guān)鍵詞】空間雙向彎曲管桁架屋蓋;吊裝方法;格構(gòu)支撐;卸載【作者】袁淑文;薛毅;李瑜;楊靜【作者單位】云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司云南昆明650501;云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司云南昆明650501;云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司云南昆明650501;云南工程建設(shè)總承包公司云南昆明650501【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TU758.151工程概況云南省科技館新館建設(shè)項(xiàng)目位于昆明市呈貢新區(qū)吳家營(yíng)片區(qū)，總建筑面積58995m2，地下1層、地上4層，建筑高度49.6m，地上建筑面積45000m2。平面形狀結(jié)合宇宙星系的抽象圖案并與〃彩云”造型相疊加，建成后每日可容納5500人參觀（圖1）。圖1整體效果圖主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，主館屋蓋結(jié)構(gòu)采用空間雙向彎曲管桁架結(jié)構(gòu)體系，球幕影院屋蓋結(jié)構(gòu)采用單層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。屋蓋由36棉屋面徑向桁架、13棉屋面環(huán)桁架、2棉轉(zhuǎn)換桁架、35棉落地桁架、12棉懸挑桁架、4棉懸挑環(huán)桁架、南北幕墻等組成（圖2）。主館鋼屋蓋空間管桁架最大跨度35m,懸挑長(zhǎng)度45m，高度47m;主館鋼屋蓋結(jié)構(gòu)及球幕影院鋼屋蓋結(jié)構(gòu)鋼管直徑規(guī)格中83mmx4mm-^500mmx20mm,鋼管桁架節(jié)點(diǎn)采用相貫焊接，部分節(jié)點(diǎn)采用焊接空心球連接。圖2鋼管桁架結(jié)構(gòu)示意2工程難點(diǎn)分析2.1定位測(cè)量工程整個(gè)建筑造型獨(dú)特，空間定位難，拼裝精度控制要求高。2.2桁架現(xiàn)場(chǎng)拼裝構(gòu)件呈雙向鋼管桁架節(jié)點(diǎn)、鋼管與鋼管為相貫口連接，如何控制現(xiàn)場(chǎng)拼裝精度是施工的難點(diǎn)之一。2.3桁架安裝鋼屋蓋空間管桁架最大跨度35m,懸挑長(zhǎng)度最大45m，存在諸多異形桿件，節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，主桁架組合吊裝分段最大質(zhì)量為27t,結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高約為47m,構(gòu)件的安裝定位、三維空間測(cè)量控制、變形監(jiān)測(cè)和控制是確保鋼管桁架整體曲面效果的前提，結(jié)構(gòu)吊裝方式及施工機(jī)具的選擇是施工的重、難點(diǎn)［1-2］。2.4現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量控制結(jié)構(gòu)形式多樣，桿件數(shù)量多，且均為相貫口焊接，施工時(shí)焊接應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的變形影響需重點(diǎn)控制。3施工技術(shù)措施結(jié)合鋼管桁架的結(jié)構(gòu)型式，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件、施工機(jī)具等因素，最終確定采用現(xiàn)場(chǎng)拼裝、分段吊裝的施工方法進(jìn)行施工。所有管桁架桿件根據(jù)深化圖紙均在工廠完成相貫線切割、內(nèi)彎弧等加工工藝，以散件運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)地面拼裝成吊裝單元后分區(qū)進(jìn)行吊裝。施工前引入Madis軟件進(jìn)行工況分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件、機(jī)具配備情況，并綜合考慮管桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)鋼管桁架的重要施工工序，施工前進(jìn)行施工模擬及驗(yàn)證，并對(duì)整個(gè)建造過(guò)程、重要環(huán)節(jié)工藝進(jìn)行模擬。3.1機(jī)械設(shè)備選擇現(xiàn)場(chǎng)安裝2臺(tái)C7050塔吊、配備2臺(tái)100t履帶吊進(jìn)行分段吊裝，吊裝時(shí)以格構(gòu)式支撐架作為臨時(shí)支撐體系，屋蓋鋼管桁架結(jié)構(gòu)形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)受力體系后，進(jìn)行整體卸載。3.2施工區(qū)域劃分鋼管桁架分為3個(gè)施工區(qū)進(jìn)行施工(圖3)。圖3分區(qū)示意A區(qū)：為軸交軸范圍內(nèi)的落地桁架、轉(zhuǎn)換桁架、懸挑桁架、懸挑環(huán)桁架、屋面環(huán)桁架、屋面徑向桁架。B區(qū)：為軸交軸范圍內(nèi)的落地桁架、轉(zhuǎn)換桁架、屋面環(huán)桁架、屋面徑向桁架、南幕墻、北幕墻。C區(qū)：為軸外交軸范圍內(nèi)的懸挑桁架、球殼。4施工關(guān)鍵技術(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和制作安裝工藝，鋼管桁架構(gòu)件需要在拼裝場(chǎng)地拼裝后分段吊裝。鋼管桁架施工主要分為桁架拼裝、臨時(shí)支撐搭設(shè)、桁架吊裝、桁架卸載等幾個(gè)施工階段。4.1主桁架現(xiàn)場(chǎng)拼裝鋼管桁架構(gòu)件均以散件形式運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)地面拼裝后分段吊裝。現(xiàn)場(chǎng)拼裝主要有平面桁架、三角形桁架、四邊形桁架，現(xiàn)場(chǎng)拼裝必須確保鋼管桁架的外形尺寸、長(zhǎng)度、曲線等參數(shù)，桁架拼裝工作在胎架上進(jìn)行，拼裝胎架的規(guī)格需嚴(yán)格按照構(gòu)件的尺寸進(jìn)行設(shè)置（圖4）。圖4現(xiàn)場(chǎng)拼裝胎架設(shè)置示意桁架拼裝作業(yè)流程為：測(cè)量放樣，設(shè)置拼裝胎架一定位上下弦桿一拼裝上下弦桿之間的立桿一拼裝上下弦桿之間的斜腹桿一對(duì)拼裝完成后的桁架進(jìn)行復(fù)測(cè)。4.2支撐架布置主桁架鋼管桁架支撐體系是確保結(jié)構(gòu)吊裝安全的重要環(huán)節(jié)，分段吊裝的各個(gè)安裝階段必須充分考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)，確保承重架自身的強(qiáng)度及穩(wěn)定。隨著吊裝階段的變化，不同承重架的負(fù)荷狀態(tài)也隨之變化，要對(duì)各個(gè)吊裝階段進(jìn)行工況分析，以承重架的最大荷載值作為設(shè)計(jì)荷載，同時(shí)考慮支撐架的系統(tǒng)穩(wěn)定，在支撐架頂部和中部設(shè)置纜風(fēng)繩加以固定。根據(jù)鋼管桁架結(jié)構(gòu)布局的特點(diǎn)，采用裝配式格構(gòu)支撐架作為臨時(shí)支撐，臨時(shí)支撐架主要位于落地桁架、屋面環(huán)桁架、懸挑環(huán)桁架處。臨時(shí)支撐設(shè)置于桁架下弦桿處，水平方向原則上為設(shè)置于距桁架分段端口較近的節(jié)點(diǎn)處。在安裝過(guò)程中設(shè)置93個(gè)支撐架，支撐架頂部設(shè)置支撐胎架、剛性轉(zhuǎn)換層、定位板，用于固定所支撐的鋼構(gòu)件，定位板采用厚2cm鋼板，支撐胎架和剛性轉(zhuǎn)換層采用20#工字鋼，支撐架底部采用可調(diào)底座（圖5、圖6）。圖5支撐架平面布置4.3鋼管桁架吊裝A區(qū)、B區(qū)同時(shí)進(jìn)行施工，由1#、2#塔吊配合2臺(tái)100t覆帶吊進(jìn)行吊裝，先施工主桁架，后施工次桁架，根據(jù)桁架分段情況對(duì)桁架進(jìn)行分單元吊裝，先在桁架接頭位置布置支撐架，按照從低到高的順序進(jìn)行桁架安裝。C區(qū)施工時(shí)由2#塔吊配合1臺(tái)100t覆帶吊進(jìn)行吊裝。根據(jù)工況分析，履帶吊共設(shè)31個(gè)吊裝站位點(diǎn)，配合2臺(tái)塔吊覆蓋鋼管桁架吊裝區(qū)域（圖7）。圖6屋面環(huán)桁架支撐軸測(cè)示意圖7履帶吊行走及站位4.3.1吊裝順序1） 施工支撐架布置，并安裝落地桁架（圖8）。圖8布置支撐架并安裝落地桁架2） 吊裝相鄰落地桁架之間的轉(zhuǎn)換桁架。3） 進(jìn)行落地桁架和上部轉(zhuǎn)換桁架吊裝（圖9）。4） 開(kāi)始吊裝兩側(cè)底部的懸挑環(huán)桁架。5） 分段吊裝上部?jī)蓚?cè)懸挑環(huán)桁架和屋面環(huán)桁架，將吊裝區(qū)塊連接成一個(gè)穩(wěn)定框架體（圖10）。6） 分段吊裝懸挑環(huán)桁架和屋面環(huán)桁架，以及框架體內(nèi)的屋面徑向桁架及其次桁架。7） 安裝完成屋面桁架結(jié)構(gòu)體系（圖11）。4.3.2桁架吊裝由于單棉桁架跨度很大，質(zhì)量也很大，桁架現(xiàn)場(chǎng)吊裝需要分段進(jìn)行，在桁架分段處設(shè)置支撐胎架，吊裝就位后，利用連接耳板進(jìn)行臨時(shí)固定，然后進(jìn)行初校、定位點(diǎn)焊，在精準(zhǔn)校正完成后，方可進(jìn)行焊接施工。由于落地桁架的形式比較特殊，在支撐部位設(shè)置凹型鐵片，防止桿件變形。懸挑環(huán)桁架為四邊形桁架結(jié)構(gòu)，所以桁架在吊裝就位之后，在下部安裝千斤頂和卸載塊，用于支撐和卸載。在懸挑環(huán)桁架2根下弦桿處設(shè)置2個(gè)千斤頂用于桁架高度的微調(diào)。落地桁架、懸挑桁架及懸挑環(huán)桁架落地段部分，在吊裝就位后必須及時(shí)在4個(gè)方向拉設(shè)纜風(fēng)繩，確保整個(gè)構(gòu)件的穩(wěn)定可靠，以防止桁架側(cè)傾、彎曲等現(xiàn)象。屋面環(huán)桁架為三角桁架，且為倒三角形，下部安裝千斤頂，兩側(cè)上弦桿用型鋼套架固定，以防在支撐和桁架對(duì)接時(shí)發(fā)生傾覆。分段主桁架長(zhǎng)度均較長(zhǎng)，所以現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，需要考慮吊機(jī)多點(diǎn)起吊，以分段桁架的重心為基準(zhǔn)點(diǎn)，四點(diǎn)起吊。圖9落地桁架和上部轉(zhuǎn)換桁架安裝圖10懸挑環(huán)桁架和屋面環(huán)桁架安裝圖11桁架安裝完成4.4卸載在卸載過(guò)程中，結(jié)構(gòu)體系和桿件內(nèi)力會(huì)產(chǎn)生變化，卸載過(guò)程須遵循安全、分級(jí)、同步、對(duì)稱的原則進(jìn)行，嚴(yán)格按照模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行卸載。首先卸載建筑外圍落地桁架的29個(gè)支撐架，然后卸載內(nèi)部環(huán)桁架和懸挑桁架的31個(gè)支撐架，其次卸載19個(gè)屋面桁架支撐架，最后卸載剩余中心及主要關(guān)鍵點(diǎn)的14個(gè)支撐架。通過(guò)設(shè)置在支架上的可調(diào)節(jié)支承裝置來(lái)進(jìn)行卸載，卸載前通過(guò)計(jì)算確定每個(gè)支撐點(diǎn)的卸載量及卸載步數(shù)，并確定每次卸載的量，按分步驟多次循環(huán)、微量下降的原則，來(lái)實(shí)現(xiàn)荷載平穩(wěn)轉(zhuǎn)移。每次卸載后，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，無(wú)誤后進(jìn)行下次卸載。5質(zhì)量控制5.1拼裝及焊接變形控制現(xiàn)場(chǎng)焊接工作主要為對(duì)接及相貫線焊接，對(duì)接焊接主要為弦桿對(duì)接，相貫線焊接主要有腹桿與弦桿。由于管桁架管壁較厚、現(xiàn)場(chǎng)拼裝桿件較多，拼裝過(guò)程中需考慮焊接收縮大、熱脹冷縮等問(wèn)題，必須在焊接前考慮采取措施進(jìn)行補(bǔ)償，采用多層多道焊接，焊接時(shí)嚴(yán)格控制層間溫度，減少焊接溫度給焊縫帶來(lái)的影響。建模計(jì)算不同點(diǎn)處的撓度變形，在整體拼裝胎架搭設(shè)的過(guò)程中，將撓度補(bǔ)償值加以考慮，使得實(shí)際結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)狀態(tài)吻合，并根據(jù)焊接工藝試驗(yàn)，得出實(shí)際焊接收縮系數(shù)，指導(dǎo)實(shí)際焊接工藝。根據(jù)構(gòu)件的接頭形式和焊接特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)焊接采用〃半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊+手工電弧焊”相結(jié)合的方法。為避免焊接應(yīng)力集中，桁架整體焊接順序確定為從中間向兩邊進(jìn)行，弦桿交錯(cuò)對(duì)接焊接。在屋面高空焊接作業(yè)時(shí)，需采取防風(fēng)措施，搭設(shè)防風(fēng)棚，控制焊接質(zhì)量。5.2施工精度控制在測(cè)量工作展開(kāi)之前，熟悉結(jié)構(gòu)形式，建立三維實(shí)體模型，找出桁架控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，以便在測(cè)量中使用，拼裝部件與立面次結(jié)構(gòu)測(cè)量過(guò)程中為了儀器建站、定向方便，以及對(duì)同一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行精確測(cè)量需要架設(shè)幾站儀器時(shí)，為保證整體精度，建立一級(jí)和二級(jí)測(cè)量控制網(wǎng)（圖12）。由于鋼管桁架的投影多為曲線，為了保證桁架安裝精度的控制，將一級(jí)控制網(wǎng)設(shè)定并閉合后，分別將二級(jí)控制網(wǎng)的控制點(diǎn)引入建筑內(nèi)，同時(shí)將各支座和各大分段節(jié)點(diǎn)的絕對(duì)三維坐標(biāo)全部導(dǎo)出，和一、二級(jí)控制網(wǎng)進(jìn)行校核后，對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行調(diào)整，使其閉合差滿足拼裝精度要求。采用全站儀利用三維坐標(biāo)對(duì)桁架的軸線位置進(jìn)行測(cè)量控制。5.3變形監(jiān)測(cè)變形監(jiān)測(cè)和應(yīng)力監(jiān)測(cè)是施工中非常重要的內(nèi)容，通過(guò)掌握施工過(guò)程中關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力變化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和采取措施，使關(guān)鍵部位構(gòu)件應(yīng)變不超過(guò)規(guī)定數(shù)值，保證結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)力監(jiān)測(cè)部位設(shè)置在整體結(jié)構(gòu)受力較大處。應(yīng)變測(cè)量以智能振弦式數(shù)碼應(yīng)變計(jì)為主，并采用電阻式應(yīng)變片進(jìn)行校核。圖12測(cè)量控制點(diǎn)布置撓度測(cè)控點(diǎn)需考慮結(jié)構(gòu)安裝仿真分析過(guò)程和卸載過(guò)程中結(jié)構(gòu)變形較大的部位。結(jié)構(gòu)撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置選擇了19個(gè)鋼結(jié)構(gòu)下弦點(diǎn)（圖13），作為結(jié)構(gòu)安裝完成及滿載后對(duì)結(jié)構(gòu)撓度監(jiān)測(cè)的控制點(diǎn)。全部卸載完成后，桿件最大應(yīng)力和結(jié)構(gòu)最大豎向位移與軟件模擬分析數(shù)據(jù)基本吻合，且滿足規(guī)范要求。圖13撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置6結(jié)語(yǔ)云南省科技館新館項(xiàng)目屋面結(jié)構(gòu)為雙向彎曲鋼管桁架，跨度大、精度要求高、施工難度大，采用分段吊裝、高空對(duì)接的施工工藝進(jìn)行施工。在施工過(guò)程中嚴(yán)格控制管桁架的加工、拼裝、吊裝、支撐系統(tǒng)及卸載、測(cè)量及變形監(jiān)測(cè)等方面的工作，在滿