大跨度無柱屋架安裝施工技術(shù)(2)

1、大跨度無柱屋架安裝施工技術(shù)研究陳祥國 梅宇中鐵建工集團北京分公司摘要：本文首先闡述了大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋架特點及其在國內(nèi)外標(biāo)志性建筑中的應(yīng)用情況，然后結(jié)合第九屆中國（北京）國際園林博覽會主展館工程實例闡述施工過程中技術(shù)問題的解決方法。關(guān)鍵詞：大跨度無柱屋架；預(yù)應(yīng)力拉索；空間測量1大跨度鋼結(jié)構(gòu)特點隨著科學(xué)技術(shù)和建筑工業(yè)的發(fā)展，各種類型的大跨度鋼結(jié)構(gòu)在歐美等發(fā)達國家逐漸興起，成為各國的標(biāo)志性建筑，大跨度鋼結(jié)構(gòu)多用于多功能體育場館、會議展覽中心、博覽館、候機廳、飛機庫等。最早跨度最大的平板網(wǎng)架是上世紀(jì)60年代美國洛衫磯加里福尼亞大學(xué)體育館（91m×122m正放四角錐）。最大的雙層網(wǎng)殼是上世紀(jì)70

2、年代在美國建造的休斯敦宇宙穹頂（Astrodome，直徑196m）及新奧爾良超級穹頂（Superdome，直徑207m）。上世紀(jì)90年代在日本名古屋又興建了當(dāng)今世界上最大跨度的單層網(wǎng)殼，建筑直徑229.6m，結(jié)構(gòu)直徑187.2m。1993年日本建成的福岡體育館，直徑222m，是當(dāng)今最大的開合鋼結(jié)構(gòu)屋頂。近十五年來，隨著國家經(jīng)濟實力的增強和社會發(fā)展的需要，我們大跨度鋼結(jié)構(gòu)也取得迅猛發(fā)展，如2008年奧運會國家體育場“鳥巢”、國家游泳館“水立方”、深圳機場、首都機場、上海浦東機場等都是典型的大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工范例?？偟恼f來，大跨度鋼結(jié)構(gòu)主要有如下特點：1.1結(jié)構(gòu)形式多種多樣大跨度鋼結(jié)構(gòu)早期基本上是單

3、一的平面鋼結(jié)構(gòu)，即由一些強度不大的縱向構(gòu)件將平面結(jié)構(gòu)連接起來構(gòu)成縱向構(gòu)件，層層傳遞荷載，并不分擔(dān)荷載的結(jié)構(gòu)形式，主要包括：梁式、框架式、拱式結(jié)構(gòu)；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如今各種空間結(jié)構(gòu)形式層出不窮，組合結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，這些結(jié)構(gòu)形式整體剛度大、抗震性能好、經(jīng)濟性強，主要包括：懸索、網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。1.2結(jié)構(gòu)跨度越來越大由于建筑功能的需要，現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)跨度越來越大，主要應(yīng)用于各類體育場館、機場、劇院等公共建筑，最為典型的例子是世紀(jì)之交的千年穹頂（TheMilleniumDome），該館位于英國倫敦泰晤士河南岸格林尼治，是當(dāng)今世界跨度最大的屋蓋，穹頂酷像飛碟，直徑320m。另外，歷屆奧運會、博覽會等都可以

4、顯示鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展水平。如1972年德國慕尼黑（覆蓋7.48萬m2體育場的索網(wǎng)建筑群），1988年韓國漢城（120m直徑體操館及93m直徑擊劍館都是索穹頂），1992年西班牙巴塞羅那圣喬地體育館（128m），1996年美國亞特蘭大喬治亞穹頂（186m×235m索穹頂），2000年澳大利亞悉尼主體育場（11萬人，兩個220m×70m的雙曲拋物面網(wǎng)殼）。1.3預(yù)應(yīng)力技術(shù)廣泛應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)從工程實際應(yīng)用到現(xiàn)在僅半個多世紀(jì)，相對于人類數(shù)千年的建筑史來說只是滄海一粟，但是隨著科學(xué)技術(shù)的進步，新型材料的不斷涌現(xiàn)，相關(guān)設(shè)備性能的不斷優(yōu)化和提高、計算理論的不斷完善，以及預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系的不斷創(chuàng)

5、新，預(yù)應(yīng)力施工工藝也在不斷的完善和提高，如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種大型公共建筑中。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)符合結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢，滿足更大、更輕、更好的技術(shù)要求，符合加工批量化、構(gòu)件商品化、施工裝配化的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)律。預(yù)應(yīng)力技術(shù)能改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，節(jié)省鋼材（通常預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)比非預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)可節(jié)約鋼材10%-30%），提高結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性，降低結(jié)構(gòu)自重而減小地震荷載提高建筑抗震性能。目前鋼結(jié)構(gòu)主要施加預(yù)應(yīng)力的方法有四類：鋼索張拉法、支座位移法、彈性變形法、手工簡易法。2大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工中重難點大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工是一項工程施工的中的重要環(huán)節(jié)，施工過程中需要制定合理優(yōu)化的施工方案，進行科學(xué)完善的施工過程分析，突破傳統(tǒng)土木

6、工程施工方法，才能保證結(jié)構(gòu)施工的方便、安全與經(jīng)濟。在施工過程中需要注意以下幾點：2.1計算機輔助深化設(shè)計和工況分析隨著計算機技術(shù)的應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)施工前的圖紙深化和工況分析均采用計算機輔助設(shè)計，如何通過計算機建立合理優(yōu)化的模型，對結(jié)構(gòu)進行拆解，包括整體三維建模，桿件板材優(yōu)化下料，關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計分析。施工過程中的模擬工況分析等都是計算機輔助設(shè)計制造的重要方便。2.2空間測量技術(shù)由于大跨度鋼結(jié)構(gòu)由于本身體型龐大，同時又存在空間立體施工，對施工測量的精度要求往往比普通混凝土工程更高，制定簡單有效可行的空間測量方案也是大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工中的中難點。2.3合理選用安裝方案鋼結(jié)構(gòu)吊裝常用的方法有：高空散裝法、分體

7、安裝法、高空滑移法、整體吊裝法、整體提升法，如何選用安全、合理、經(jīng)濟的安裝方法是鋼結(jié)構(gòu)施工中的一個重點，同時由于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的特點，往往需要多種安裝方法組合再創(chuàng)造，這就給施工帶來了更大的難度。3、工程實例3.1工程概況第九屆中國（北京）國際園林博覽會主展館工程，位于北京市豐臺區(qū)射擊場路園博會主入口的西南側(cè)，為園博園內(nèi)核心建筑，建筑面積54044，建筑物檐口高度24m?；A(chǔ)為梁板式筏形基礎(chǔ)，主體為鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)體系，中心主展廳上部為鋼結(jié)構(gòu), 外墻為石材和玻璃幕墻,屋面型式為混凝土屋面及金屬屋面。屋架采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，整體呈圓拱形，半徑35m，最高點標(biāo)高20m，最低點標(biāo)高11m。鋼結(jié)構(gòu)整體坐落在

8、混凝土結(jié)構(gòu)牛腿上，牛腿上安裝18個減震支座球，球體直接采用鋼梁焊接，桁架下端與減震支座焊接，上部為半徑10m的圓形鋼結(jié)構(gòu)，中部有鋼結(jié)構(gòu)拉桿與屋架四周的出屋面混凝土墻體拉結(jié)。主桁架共18榀，主桁架間有若干次桁架和鋼梁。預(yù)應(yīng)力拉索位于徑向桁架上弦之間，主要為穩(wěn)定徑向桁架，保證結(jié)構(gòu)平面外穩(wěn)定。預(yù)應(yīng)力拉索在兩榀桁架之間交叉布置，共計96根索。主次桁架采用圓鋼管焊接，鋼梁采用方鋼和H型鋼焊接。屋架平面圖（圖1）、透視圖（圖2）、側(cè)立面圖（圖3）如下：圖1 屋架平面圖圖2 屋架透視圖圖3 屋架側(cè)立面圖3.2工程重難點分析及對策3.2.1工程重難點分析3.2.1.1空間測量定位困難本工程鋼結(jié)構(gòu)屋架作為圓形展

9、廳屋面結(jié)構(gòu)，四周是與鋼結(jié)構(gòu)屋架相同高度的出屋面混凝土外墻，視野狹窄。鋼結(jié)構(gòu)底部位于圓形墻體11m標(biāo)高處1m懸挑板牛腿上，無法安置測量器械。3.2.1.2鋼結(jié)構(gòu)屋架跨度大鋼結(jié)構(gòu)屋架直徑70m，根據(jù)建質(zhì)【2009】87號危險性較大的分部分項工程安全管理辦法，本工程屬于超過一定規(guī)模的分部分項工程，且整體屋架直接坐落于牛腿上，無鋼柱支撐，安裝難度大，危險性高。3.2.1.3工況差異較大本工程設(shè)計使用階段工況與結(jié)構(gòu)施工過程的受力狀況完全不同，結(jié)構(gòu)最不利的受力階段可能出現(xiàn)在施工階段，需對施工階段工況情況進行計算機模擬分析。3.2.1.4預(yù)應(yīng)力鋼索施工復(fù)雜本工程預(yù)應(yīng)力鋼索共計96根，分為6組，為保證桁架平面

10、外穩(wěn)定性，需對每根拉索進行調(diào)節(jié)，保證桁架兩側(cè)拉索受力平衡，施工難度大。3.2.2重難點對策針對以上施工重難點，施工方制定了如下對策：3.2.2.1根據(jù)施工圖紙，使用全站儀引測圓心屋架圓心至地面作為測量基準(zhǔn)點，并在圓周范圍內(nèi)地面上分別布置三個復(fù)測點，保證吊裝過程中至少有兩個以上測量控制點。在保證加工精度的情況下，使用全站儀對鋼結(jié)構(gòu)進行精確定位，定位時以屋架中央標(biāo)高為20m半徑為5m的圓盤形結(jié)構(gòu)和牛腿處減震支座兩點為目標(biāo)，控制桁架與該兩點的焊接位置，從而控制主桁架安裝精度，主桁架吊裝完成后，以主桁架為控制目標(biāo)，安裝次桁架和鋼梁等次構(gòu)件。3.2.2.2為減小施工難度，施工時可采用分體吊裝法，人為減小

11、單榀桁架吊裝跨度，先安裝直徑10m的鋼結(jié)構(gòu)圓盤，后對稱吊裝投影長度30m的主桁架。3.2.2.3由于施工工況與使用工況的差異性，施工方案擬定后采用計算機模擬程序sap2000建模，然后對工況進行分析，并與設(shè)計工況對比，從而確定施工方案。3.2.2.4拉索施工時采用分部位分層次多級張拉，并多次復(fù)合，保證桁架兩側(cè)拉索受力平衡。3.3安裝方案3.3.1吊裝流程施工時為減小施工難度，將70m屋架鋼結(jié)構(gòu)分兩部分吊裝，第一部分為直徑10m的圓形采光屋蓋結(jié)構(gòu)，第二部分為環(huán)形金屬屋面桁架結(jié)構(gòu)。吊裝方案具體流程如下：安裝支撐架安裝采光屋蓋結(jié)構(gòu)安裝球形減震支座及支座間連系梁安裝前8榀主桁架次桁架及斜拉桿逆時針安裝

12、剩余主桁架、次桁架、斜拉桿安裝、緊固拉索卸載、拆除支架。3.3.2安裝支架承臺圓柱根據(jù)土建結(jié)構(gòu)施工順序，桁架的安裝方案采用了分片吊裝的方法來進行，通過對各個結(jié)構(gòu)的分析，準(zhǔn)備設(shè)置臨時支架，以保證桁架吊裝過程的安全。支撐架位于半徑7.5m的硬化地面上，采用鋼管325*10、H型鋼及160、140角鋼搭設(shè)，后用攬風(fēng)繩四面拉住。3.3.2.1先硬化地面，墊層100厚C15混凝土，直徑8m?；炷粱A(chǔ)采用300mm厚C30混凝土澆筑，鋼筋采用HRB400直徑18mm，雙層雙向布置，間距200mm。在地面上放線好軸線和中心點，每根柱預(yù)埋4個M30地腳螺栓，混凝土養(yǎng)護完成達到強度后安裝圓柱承臺。3.3.2.

13、2在軸線與屋蓋所在圓周交點上和圓心處均布設(shè)置共計10根圓柱。高度比中心屋蓋下弦標(biāo)高低500mm即19.200m，安裝時每個桁架的安裝節(jié)點下固定一個20噸的機械千斤頂，卸載高度按3cm考慮，頂板調(diào)至標(biāo)高19.730m。柱底采用4個M30螺栓固定，并焊接4個翼板，柱間連接采用M20螺栓連接，柱間斜支撐用140*90*10的角鋼，柱頂梁用H300*150*6*8的H型鋼，采用M16螺栓連接，19.8m標(biāo)高平臺用160*100*10將圓周9根圓柱與圓心處圓柱連接，支撐架安裝完成如圖4、圖5。圖4 圓柱支撐架立面圖圖5 圓柱支撐架平面圖3.3.3安裝10m直徑圓盤屋蓋結(jié)構(gòu)首先硬化施工場地，在支撐架附近5

14、m處采用C15混凝土澆筑半徑為7m厚100mm的拼裝平臺，根據(jù)圖紙尺寸在地面上1:1放樣，然后根據(jù)放樣在地面上擺好各構(gòu)件并用鋼板墊起，用水準(zhǔn)儀抄平，焊接上面及側(cè)面焊縫，然后將圓盤吊起翻轉(zhuǎn)，將下部焊縫焊接，拼裝完成后，交質(zhì)檢員和監(jiān)理驗收合格后方可起吊。圓盤重約7T，采用25T吊車吊裝。起吊前在支撐架上部鋼梁上放好各軸線和圓心點，然后在圓柱支撐架上安裝好千斤頂，在千斤頂上找好標(biāo)高，標(biāo)高為設(shè)計底標(biāo)高以上3cm，保證吊裝后所有點均在同一標(biāo)高上。吊裝前將圓形屋蓋按1/3劃分，找好中心屋蓋的3個吊點位置(A1、A13、A25軸)，然后采用25T吊車3吊點垂直吊裝，吊裝后在支架平臺上墊好木方，用抱箍將支撐架

15、與采光屋架捆綁，并將采光屋架中心點與支撐架臨時焊接固定。圖6 吊裝圓盤屋架示意圖圖7 圓盤屋架完成后效果圖3.3.4球形減震安裝及連系梁安裝球形減震支座位于牛腿上，底標(biāo)高11m。重約1T，支座球位于支座上，重約2.1T，鋼梁截面600*300，底標(biāo)高11.7m，重約3.2T，支座與球、球與鋼梁均采用焊接。安裝桁架減震支座及連系梁：先找好支座基礎(chǔ)的軸線、標(biāo)高，先安裝A1軸減震支座及球，找好減震支座的垂直度和中心線后固定好，再同時安裝A3軸減震支座和球及A1軸和A3軸中間的連系梁，固定好，以后再安裝A5軸及A3軸和A3軸之間的連系梁，以此類推直到最后安裝A35軸的減震支座完畢，再安裝最后一根連系梁

16、，最后一根連系梁需要在減震支座連接板處切下一半，連系梁用吊車吊住從外往里平推安裝。圖8聯(lián)系梁閉合時加工示意圖圖9支座球吊裝示意圖圖10球間連系梁吊裝示意圖圖11兩球形減震支座及中間連系梁吊裝完成效果圖圖12 所有球形減震支座及中間連系梁吊裝完成效果圖3.3.5安裝主次桁架及斜拉桿3.3.5.1主次桁架吊裝減震支座及中心網(wǎng)蓋安裝完畢以后，再在減震支座和屋面網(wǎng)蓋上先畫好軸線及標(biāo)高，在桁架上畫好縱、橫中心線，再根據(jù)標(biāo)高、軸線及桁架的縱橫中心線來安裝，吊裝時先用4臺25T吊車分別同時吊裝圓盤兩側(cè)一條直線上的兩根主桁架，用臨時連接板固定，然后用纜風(fēng)繩拉住，再用2臺25T吊車吊裝相鄰軸線的主桁架，以此類推

17、。次桁架、鋼梁的吊裝在4榀主桁架吊裝后進行，吊裝時吊裝主桁架的吊車不松鉤，另用2臺25T吊車進行吊裝。桁架與梁連接，采用焊接，上下左右翼緣板采用V形坡口并加焊接襯板施焊。鋼梁吊裝兩吊點位于重心兩側(cè)各1.5m，鋼絲繩、卡環(huán)捆綁式吊裝，將第一空間連接成一個整體后，用導(dǎo)鏈在每個立面用兩個吊鏈成八字式十字對稱拉穩(wěn)并校正梁的位置，防止鋼構(gòu)件向一側(cè)傾倒，然后逐步由中間向兩側(cè)進行鋼梁安裝。吊裝過程如下：圖13 4榀主桁架及其次桁架吊裝完成平面圖然后采取同樣方式吊裝與其垂直的四根主次桁架，使之成為一個穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。待焊接牢固后，按上述方法依次吊裝剩余主次桁架。圖14 8榀主桁架及其次桁架吊裝完成平面圖圖15 8榀

18、主桁架及其次桁架吊裝完成立體圖3.3.5.3安裝斜拉桿及剩余鋼管:安裝斜拉桿：為防止屋架下墜和上頂，在主桁架中部設(shè)置有斜拉桿，斜拉桿上端與混凝土結(jié)構(gòu)墻體預(yù)埋件螺栓連接，下端與主桁架中部耳板螺栓連接。斜拉桿在所有主次桁架、鋼梁安裝完成后進行。先找好斜拉桿支座埋件耳板的軸線、標(biāo)高，并放線。斜拉桿的安裝時先把拉桿底端與桁架連接，再將拉桿下斜靠在22m埋件上，用鋼絲繩將拉桿與上部操作架臨時固定，待所有桁架、斜拉桿安裝完畢后再將頂部的耳板與拉桿頂端連接住，最后焊接頂端耳板固定。固定焊接達到合格以后，再吊車摘鉤。吊裝完成效果如下：圖16 結(jié)構(gòu)吊裝完成效果圖3.3.7索具安裝與張拉3.7.1索具安裝預(yù)應(yīng)力拉

19、索位于徑向桁架上弦之間，主要為穩(wěn)定徑向桁架，預(yù)應(yīng)力拉索在兩榀桁架之間交叉布置，共計96根索，最長拉索約12m，最短拉索約7m。索體單重約70kg，計入兩端索具，約100kg150kg，索體安裝時采用定滑輪、倒鏈等小型機具將單根拉索吊運至設(shè)計位置。索體吊運時兩端均用夾具將索體與牽引鋼絲繩綁牢，然后一端與牽引設(shè)備相連，將索體吊運至設(shè)計位置，然后采用人工牽引的方式將另一端牽引至設(shè)計位置即可。索體與索具采用工廠熱鑄方式連接，即索體與索具根據(jù)事先的下料長度進行組裝運至現(xiàn)場進行安裝。預(yù)應(yīng)力拉索安裝前，先將索具張拉端調(diào)節(jié)閥至于最大位置，使索體達到最長狀態(tài)，以減小安裝阻力，然后采用人工將索具與連接板相連即可，

20、對于安裝阻力較大的索體，超出人工安裝范圍時，應(yīng)借助小型牽引設(shè)備，如動滑輪組、卷揚機等進行安裝，即先將牽引機具固定在索體延長線上，然后用夾具將索具與牽引鋼絲繩相連，再機具檢查完畢后將索具牽引至設(shè)計位置后采用人工安裝即可。由于本工程預(yù)應(yīng)力拉索采用調(diào)節(jié)張拉方式，索體安裝前調(diào)至最長位置，因此索體在安裝過程中幾乎處于零應(yīng)力狀態(tài)，而鋼架主體仍處于安裝狀態(tài)，因此索體在安裝就位過程中對整體屋架的影響較小，可以不考慮安裝應(yīng)力的不均勻分布問題，及本工程索體按照空間位置順序，依次安裝即可。索具安裝效果圖如下：圖17 索具安裝完成效果圖3.3.7.2索具張拉本工程索體采用人工調(diào)節(jié)的方式進行索體張拉施工，即采用調(diào)節(jié)張拉

21、端調(diào)節(jié)桿長短以達到張拉和放張的目的。本工程預(yù)應(yīng)力拉索張拉時應(yīng)遵循以下幾點原則：對稱張拉：將兩榀鋼桁架之間6道徑向索，以屋架中心點為中心對稱點分為3組（A、B、C組），6道環(huán)向索分為3組（、組），如圖4.4所示，張拉時以組為單位進行對稱張拉；圖18 預(yù)應(yīng)力拉索張拉分區(qū)示意圖同時張拉：同一組徑向索應(yīng)同時張拉，處于同一組索內(nèi)的兩個交叉索應(yīng)同時張拉；順序張拉：同一組徑向索應(yīng)自內(nèi)向外張拉，如圖所示，同一組徑向索的張拉順序應(yīng)為1234。徑向索張拉完畢后再張拉環(huán)向索，即先張拉A、B、C三組索，再張拉、三組索。圖19 徑向索之間的張拉順序示意圖分級張拉：本工程預(yù)應(yīng)力拉索的主要為增加屋架結(jié)構(gòu)整體剛度，拉索內(nèi)的預(yù)拉力對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形影響較小，因此張拉時僅考慮2次張拉和1次的方法，根據(jù)設(shè)計圖紙其總預(yù)拉力設(shè)計值為35kN。第一次施加25kN預(yù)拉力，第二次施加