复杂工况下大跨度钢管网壳结构施工技术 Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｌｏｎｇ—Ｓｐａｎ Ｓｔｅｅｌ Ｐｉｐｅ Ｌａｔｔｉｃｅｄ Ｓｈｅｌｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ Ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ 王斌 晟元集团有限公司金华３２１００１ 摘要：以中国婺剧院钢结构屋盖工程为背景，针对大跨度钢管网壳结构工程的施工难点，研究了在复杂安装基面工况 下的施工方法，阐述了技术路线与主要技术措施。包括深化设计和加工制作、脚手架搭设、施工测量、安装工艺及卸 载，取得了良好效果。该技术的应用，有效地保证了工程的施工进度、质量及安全。 关键词：复杂工况 大跨度钢管 网壳技术 剧院屋盖施工 中图分类号：ＴＵ７５８．１１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ００４—１ ００１（２０１ ３）０４—０２８２—０３ １ 工程概况 中国婺剧院工程位于金华市燕尾洲三江口岸，为金 华市地标建筑之一。该工程屋盖结构设计采用单层钢管 网壳体系，整个结构面积约为８ ０００ ｍ ，钢材总吨位约 ８００ ｔ，最大拱架跨度７２ ｍ，长度１１ ３ ｍ，两端矢高分别为 为Ｄ２１ ９ ｍｍ×１０ ｍｍ：３ 、 ４ 、５ 杆件规格为Ｄ２９９ ｍｍ× １ ０ ｍｍ、１ ２ ｍｍ、４ ｍｍ ２０ｍｍ。 ８ 杆件规格为Ｄ５００ ｍｍ× ３１根立柱中，立柱底标高在５ ｍ层上的为２１根，立柱 底标高在１ ５．７ ｍ层上的为２根，立柱底标高在２４ ｍ层上的 ２３．２４ ｍ、３６．２９ ｍ，两端悬挑分别为３０ ｍ、４Ｏ ｍ。主结构 安装在标高＋５ ｍ层钢筋混凝土楼层面上，由２７榀拱架、１ ８ 榀桁架、３１根立柱、１３４根支撑、５７２根系杆组成，如图１ 所示。 为４根，立柱底标高在２４．５ ｍ层上的为２根，立柱底标高在 ２２．０３ ｍ层上的为２根。 １．２施工难点 （ａ）该工程是最高点（高３６ ｍ）的网壳式钢结构， 高度高、跨度大，在施工上具有较大难度。钢构件规格 多，钢材强度级别高（Ｑ３４５Ｂ），管一管相贯焊接，现场 安装焊接技术难度大，工作量繁重。 （ｂ）拱架由点坐标控制的弧型钢管组成，加工及安 装测量定位难度大，两端檐口均为大幅度悬挑，且各点的 图１主结构网壳南侧面 标高是变化的，每一构件的拼装定位均须三维坐标定位。 （Ｃ）由于施工现场的，塔吊布置时在钢结 １．１主结构情况 ２７榀管拱架中３榀管拱架（Ｇ３、Ｇ１１、Ｇ１ ９）直径为 Ｄ８００ ｍｍ Ｘ １８ ｍｍ、２４ ｍｍ、３０ ｍｍ；７榀管拱架（Ｇ１、 Ｇ２、Ｇ４、Ｇ１０、Ｇ１ ２、Ｇ１ ５、Ｇ２０）直径为Ｄ５００ ｍｍ Ｘ 构施工范围内的起重量不足，仅长为４．９ ７ ｍ的钢管 （ ８００ｍｍ×３０ｍｍ）的质量就有２．８２ｔ，因此，施工过程 中要根据塔吊的起重参数对拱架各段进行现场对接。 （ｄ）由于网壳覆盖在混凝土结构之上，且全部拱架 １ ２ ｍｍ：剩下１ ７榀管拱架直径为Ｄ２９９ ｍｍ×１０ ｍｍ、 １２ ｍｍ、１４ ｍｍ。其中１０榀管拱架支撑在下部混凝土梁柱 上，拱架与混凝土梁柱为铰接连接；１ ７榀管拱架安装在 １８榀管桁架上。 １ ８榀桁架杆件由编号１、２、３、４、Ｓ、８六种杆件组 成，其中１ 杆件规格为Ｄ１８Ｏ ｍｍ Ｘ １０ ｍｍ；２ 杆件规格 均为倾斜布置，与地面夹角各不相同，必须采用满堂支撑 架和满堂脚手架，否则构件不能；佳确定位和高空焊接。 ２ 方案选择 ２．１技术路线 通过各种方案的比较，采取如下技术路线原有土建 塔吊不能满足钢结构施工需要将其拆除，因此在其邻边重 作者简介：王斌（１９７０一），男，本科，高级工程师，总工程师。 通讯地址：浙江省金华市西路２３３号（３２１００１）。 收稿日期：２０１ ３－Ｏｌ一１４ 新布置２台大型吊机，进行跨外吊装（图２）。 ２．２技术措施 （ａ）采用全站仪全程控制，逐点测量，确保网壳安装 ２８２ ｌ建筑施工第３５卷第４期 王斌：复杂工况下大跨度钢管网壳结构施工技术 说明：塔吊安装高度（ＴＣ８０—３９）Ｈ ６１ｍ 塔吊安装高度（ＴＣ８０－３９）Ｈ ６１ ｍ 图２吊装机械选用及平面布置 各控制点；隹确定位。 （ｂ）制订适合工程特点的网壳定位偏差测量调整和 控制方法。 （Ｃ）合理安排钢桁架分段，使所有钢桁架在地面或低 空组拼成较大的单元，在满足塔吊起吊能力的情况下，再 组拼成大单元。 （ｄ）合理设置网壳拼接层次，加工厂散件采用地面 组拼和低空组拼，使现场高空管结构相贯焊接的工作量大 幅度减少。 （ｅ）确定合理焊接坡口尺寸和形式，使之安装方 便、焊接质量易于保证。 （ｆ）设计辅助现场组拼的胎具和辅助装置，此举利于 拼装定位和焊接。 ３施工关键工艺 ３．１深化设计和加工制作 （ａ）根据设计院提供的蓝图，利用Ｘ—ＳＴＥＥＬ￣－维软件 建模，并合理安排钢管拱架分段，使所有拱架可以在地面 或低空上组拼成较大单元，满足塔吊起吊能力。每个现场 连接节点、分段焊接点及安装点的三维点与现场三维坐标 定点相结合。 （ｂ）在优化图纸的基础上，编制合理的加工工艺。 拱架的分段根据现场卸车、驳运情况及塔吊最大起重量划 分。以拱架单重确定分段，一般分为４段，两端根据起重 参数由深化设计合理地分节分段，以满足现场安装要求。 （Ｃ）￣ＤＴ＊ｆＪ作前，进行图纸会审，构件加工按１：１放 样加工。相关轴中心线采用样冲眼、油漆作标志，严格控 制相关尺寸的；佳确性，编号明确。ａＤＺ：构件按顺序进场。 ３．２脚手架搭设 脚手架从用途上分为承重架、操作架两部分。承重架 主要作为２７榀拱管高空分段对接时的搁置点，操作架作 为次要构件安装时的操作平台和安全围护。为确保架体的 稳定，均采用扣件式钢管脚手架。承重架搭设在拱架投影 线上，横距Ｏ．７５ ｍ，纵距Ｏ．６ ｍ（整体规格１．２ ｍ×３ ｍ）， 步距１．６ ｍ：操作架则采用满堂脚手架，横距１．５ ｍ，纵距 １．２ ｍ，步距１．６ ｍ。在架体长度和宽度方向每隔４跨设置 ２道纵向剪刀撑，高度方向每隔３步设置１道水平剪刀撑。 每根立杆底部安置规格为２００ ｍｍ Ｘ ２００ ｍｍ Ｘ ５０ ｍｍ的木 垫板。整个架子体系与已完成的混凝土柱或剪力墙加设项 撑和抱箍。承重架顶部根据管架不同标高采用可调节杆调 节，对接平台下采用托座加槽钢铺设。架子底部支撑于混 凝土结构上的区域，在结构面以下立杆的对应位置加设托 板和支撑钢管架。 ３．３测量定位 根据结构特点，测量采用分级布网、逐级控制方式进 行，对观测结果进行严密平差，保证工程质量和进度。 因工程网架拱柱的数量特别多，均为弧柱、斜柱，且 平面轴线网大多数为弧形轴线，给测设轴线带来难度，在 精确定位时，必须监测结构温度的分布规律，规避日照和 温差效应。 测量矫正方法为：对立柱竖向轴线误差的处理，采用 全站仪定位定点校正，在立柱接缝处进行偏差调整，逐节 消除。网壳结构则采用全站仪对所有相贯线节点测量、定 点、定位，控制标高以图纸设计标高为；隹，使用仪器对安 装构件进行检测，合格后方可进行下道工序施工。 ３．４安装工艺 ３．４．１ 第一步：安装球型支座 在埋件上划出纵横轴线，焊接安装定位靠板，安装固 定球支座，定位测量、校正，焊接固定。 ３．４＿２第二步：拱架安装 （ａ）拱架安装总体顺序：划分为９个部分，并依次进 行安装施工（图３）。 壳 图３拱架安装总体顺序 （ｂ）拱架地面拼装：在构件加工过程中充分考虑运输 方便，单根构件长度控制在１ ２ ｍ以下。在现场安装过程 中为了减少高空对接工作量，先将两段构件在地面拼装平 台上进行对接。拼装后总质量满足塔吊起重参数，在搭设 拼装平台过程中，必须保证每个支撑架在同一水平面上， 用水平仪进行检测。在对接过程中，根据构件加工放样图 未控制构件的拱度。同时在拼装好的拱段上标记好测量标 ２０１ ３・４ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｃ。ｎｓｔｒｕｃｔｉ。ｎ ｌ ９８３ 王斌：复杂工况下大跨度钢管网壳结构施工技术 记，以便在高空安装过程中进行空间定位控制。 （Ｃ）拱架底段安装：以Ｇ１ ５拱架为吊装起点，先将安 装在预埋件上的１０榀拱架（主拱架）底段安装就位。２台 塔吊同时在同一轴线两端采用同样工艺安装。将地面拼接 好的吊装单元进行吊装，整体结构吊装大件选用的钢丝绳 为＠２６ ｍｍ×３７￣ｋ＿，卸扣采用２６．６７ ｍｍ：小构件选用的钢 丝绳为 １ ３ ｍｍ×３７丝，卸扣１ ３．３３ ｍｍ。管拱架安装采用 １ ３ ｍｍ钢丝绳及５０ ｋＮ手拉葫芦调节固定，并在管拱架分 段点上放置可调托座调整标高，待位置、标高就位后，用 钢管脚手以多点固定的方式将拱架固定搁置在承重架上。 同时紧跟联接系杆安装操作脚手架搭设。然后进行Ｇ１ １拱 架的安装，安装方法同Ｇ１５拱架。 （ｄ）拱架间桁架安装：相邻两榀主拱架底段安装完 成后，随即吊装拱架间的桁架，使拱架与桁架形成整体。 焊接桁架与主拱架间的相贯焊缝，焊后超声波探伤。 （ｅ）拱架分段安装合拢．在底部拱架间的桁架安装 完毕后，开始进行拱架的分段吊装合拢。在拱架对接位置 架设安装平台，利用可调托座对拱架对接点进行调整，使 之符合图纸要求，每吊装一段就位后，对拼接点进行焊 接，焊后超声波探伤。 （ｆ）桁架上拱架及支撑、系杆安装：相邻两榀主拱架 安装完毕后进行桁架上拱架（次拱架）安装，安装方法同 主拱架；拱架间支撑、系杆吊装全部采用单根构件高空散 装。支撑、系杆安装顺序为：先安装最顶部一根系杆，控 制住次拱架与主拱架之间的距离，然后从结构两侧桁架位 置开始同步由下到上依次安装。 （ｇ）特殊位置安装：Ｇ１、Ｇ３两榀拱架位于塔吊末 端，受塔吊起重量影响，根据吊装机械起重参数，Ｇ１、Ｇ３ 两榀拱架分段节数分别为１２节和１８节，Ｇ１拱架单节最大 质量１．７２ ｔ安装位置塔吊回转半径７７ ｍ，满足要求：Ｇ３拱架 单节最大质量３．１ ２ ｔ安装位置塔吊回转半径７１ ｍ，现场拼装 长度根据塔吊回转半径起重量确定。 ３．４．３第三步：铜柱安装 钢柱安装穿插在拱架安装过程中进行，由于本工程所 有钢柱均为空间倾斜钢柱，安装定位尤为重要。钢柱与球 型支座连接，通过球型支座上的定位板、定位轴线控制钢 管柱的位置；钢柱倾斜角度、柱顶与拱架连接点通过全站 仪测量，通过连接在吊装钢丝绳上的手拉葫芦进行调节： 到位后，在钢柱周围搭设脚手架（该部分脚手架同为满堂 架的一部分），安装临时固定钢管，使钢柱固定。脚手架 搭设完毕经检验合格后，方能进行塔吊松钩。其中坐标点 数据通过深化模型确定。 同一拱架下方的所有钢柱安装完毕后，开始安装与钢 柱连接的拱架，安装方法同前述。拱架合拢焊接完毕后， 进行钢管柱与拱架的连接。如果钢管柱与拱架存在错位偏 ９８４｛建筑施工第３５卷第４期 差，通过在拱架上钢管柱两侧安装手拉葫芦进行调节，调 节到位后方能焊接钢管柱与球型支座、钢管柱与拱架之间 的焊缝。焊后超声波探伤。 ３．５卸载 ３．５．１ 卸载注意事项 （ａ）网壳结构在安装过程中是一个不稳定结构，需采 用承重支撑脚手架作为结构安装支撑，主体整体结构成型 后方可卸载，卸载过程必须按指定顺序进行。 （ｂ）卸载前要对卸载人员进行详细的质量技术交底 及施工安全交底，保证卸载的同步进行。 （Ｃ）卸载过程中要对结构每榀主拱的竖向变形（测量 控制点）进行测量，随时掌握数据变化情况。 （ｄ）卸载前后对整体网壳进行测量，比较测量数据 变化，将数据变化交设计人员处理。 ３．５．２卸载的具体环节及结果 根据卸载模拟数据，结构最大位移为５Ｏ ｍｍ，故将卸 载过程分解成５个大的步骤，每一大步骤又包含３个相似 的环节。五大步骤实施按顺序依次是：从１ 拱一一１９ 拱、 从２７ 拱一１９ 拱分５次每次１０ ｍｍ进行结构卸载。每一步 骤内，要经历３个工艺环节：第一环节，根据卸载方案搭 设卸载支撑点，每个支撑点由３组龙门式钢管架组成，每 个龙门架横向钢管距主拱架的距离分别为０ ｍｍ、１０ ｍｍ、 ２Ｏ ｍｍ，此时该榀拱架的所有受力均由第一根钢管承受， 第二环节，松动第一根钢管的扣件，使第一根钢管缓慢向 下滑动，直至主拱接触到第二根钢管，使该榀拱架的受力 全部由第二根钢管承受，各拱架操作方法相同，使整个结 构完成第一次卸载；第三环节，松下的第一根钢管重新固 定在距离拱架２０ ｍｍ的位置，固定好以后开始松动第二根 钢管的扣件，方法同第二环节。通过钢管的交替受力，交 替下降，３个环节循环５次，直至卸载完成。 经观测，结构实际最大位移４３ ｍｍ，符合模拟数据。 ４ 结语 在国内尚无类似工程实践经验可借鉴的情况下，研究 在复杂安装基面工况下大跨度单层钢管网壳结构的制作和 安装施工，采用了工厂分段制作和预拼、现场拼装工艺， 较好地解决了运输难、起重设备起重量不足的问题，顺利 地完成了施工任务，对于类似工程施工具有现实指导意 义，也为以后设计人员提供了施工方案的又一种选择。 ［１］张鸿雁．斗拱型大跨度空间铜网壳的稳定分析［Ｄ］．广州Ｉ：广州大 学，２０１１． ［２］高阳空间拱一壳杂交铜结构的稳定性研究［Ｄ］．北京：清华大学， ２ＯＩ１．
