大跨度异型钢结构屋盖施工质量控制

1、大跨度异型钢结构屋盖施工质量控制 摘要：本文通过对某市体育馆钢结构加工制作和施工安装等过程施工质量控制，创新性解决了大跨度异型钢结构的制作、拼装、变形控制、和施工监测等技术难题，使花瓣型梁和曲面网架结合的大跨度异型钢结构能够高效、安全地顺利完成。通过对此类新型大跨度钢结构施工全过程的研究和监控，为今后类似工程的实施提供了思路和参考方法取得了较好的经济和社会效益。 关键词: 大跨度；异型钢结构；屋盖；花瓣型钢构；曲面网架 ；施工控制 中图分类号： tu391文献标识码： a 1、前言 近年来，我国建筑钢结构在材料、设计、制作、安装和检测技术方面的全面进步，以及各种技术标准和规范的完善齐全，使得建

2、筑钢结构从超高层结构、大跨度结构、空间复杂结构和预应力结构等高新结构领域实现超越式发展，为世人所瞩目。但目前国内外对于由花瓣型梁和曲面网架相组合的大跨度异型钢结构研究较少见，缺乏可借鉴的施工技术和试验数据。本文通过对某市体育馆钢结构加工制作和施工安装等过程施工质量控制，创新性解决了大跨度异型钢结构的制作、拼装、变形控制、和施工监测等技术难题，取得了较好的经济和社会效益。 2、工程概况 该工程项目总投资1.95亿元，占地面积150亩，建筑总面积3.027万平方米，建设高度32.8米。主体结构共三层，比赛场馆底座直径126米，馆内观众区直径84米，观众座位5000个。见图1。 (a) 馆建筑造型

3、(b) 钢结构 图1某市体育馆 该工程是我国第一个采用花瓣型梁和曲面网架相结合的大跨度异型钢结构建筑，造型新颖，结构独特，受力复杂，下部建筑为钢筋混凝土框架结构承重体系，上部建筑为花瓣型梁、曲面网架和玻璃幕墙组成的钢壳体结构，屋面为球型空间网架结构。钢结构工程的主体结构竖直投影为正圆形，最大直径126m，球型空间网架结构为该建筑的同心圆，半径为41.55m，网架矢高5m。见图2。 图2屋面平面布置 3、技术难点 结合本工程的结构特点和建筑美观性要求，使其钢结构工程富有个性。特别是花瓣型梁和曲面网架钢构的构造，更显示出钢结构造型的独有魅力，同时也大幅度增加该工程的施工难度。具体难点如下： 3.1

4、建筑造型新颖，结构形状复杂。该工程的建筑造型为九朵花瓣的“水中莲花”，周围映衬水景景观，宛如一朵含苞欲放的出水芙蓉，傲然独立于水中央。为了实现这种造型，结构设计采用平面弧型、立面曲型的花瓣型梁与曲面网架组合的大跨度异型钢结构，结构形式复杂。 3.2结构体量大、跨度大、空间高。主体钢结构竖直投影为正圆形，最大直径126m；球型空间网架的最大直径84m。 3.3构件板材规格繁多，曲型构件制作难度大。钢梁、钢柱弯曲不一，其中主梁在加工制作时需要旁弯、拱弯，每根梁上要进行两个方向弯曲，制作难度大；大多数钢构件无法用机械焊接，只能用手工焊接，因此焊接工作量较大。同时，大角度曲型钢构件焊接质量和变形控制也

5、是难点之一。 3.4花瓣型梁和曲线网架钢构现场吊装就位和空中焊接精度控制难度大。花瓣型梁钢结构的平面弧型、立面曲型，整个工程需要对上万根钢构件进行四面焊接，精确定位异常复杂；密织如网的网架构件和球节点从四周向中间合拢，安装精度控制尤为重要。 4、施工过程控制 通过加强对该工程钢结构加工制作和施工安装等过程施工质量控制，创新性的提出了一下施工过程控制措施： 4.1大跨度花瓣型梁和曲型管构件焊接控制 该工程通过采用先进的焊接技术和合理的焊接顺序，成功攻克了针对该工程构件板材规格繁多，曲型构件制作难度大的技术难点。花瓣型梁的构造见图3。 (a)gj1型构件(b)gj4型构件 图3花瓣型梁的构造 4.

6、1.1焊接技术 该工程采用施工企业自主研发的焊接工艺及控制焊接变形技术、vsr消减残余应力技术、厚度窄坡口焊接工艺技术、建筑钢结构压力埋弧焊接技术等，成功攻克了曲型管构件、花瓣型梁和网架构件的加工和制作等技术难题。 4.1.2焊接顺序 该工程按照先安装流水区段主要构件的安装、校正、固定，再确定构件接头的焊接顺序，并按规定顺序进行现场焊接的施工顺序进行焊接施工。接头的焊接顺序按下列原则进行焊接: 1、平面上从中部对称地向四周扩展。 2、竖向采取有利工序协调、方便施工、保证焊接质量的原则，按照顺序构件的焊接顺序确定接头的焊接顺序。 3、在梁的两侧对称焊接。 4.2大跨度花瓣型钢构的拼装控制 4.2

7、.1花瓣型梁钢构的吊装设备选用 1、该工程大跨度花瓣型梁钢构采60t和16t汽车吊相结合，四个吊点的施吊方式进行吊装。吊装花瓣型钢构采用如图4所示。 2、为更好的调整钢架状态和防止钢架扭曲变形，花瓣型梁钢构吊装时采用倒链配合的方式进行吊装。 3、 吊装采用直径18mm钢芯钢丝绳，其破断拉力fo为168000n。 图4 花瓣型钢构吊装示意图 4.2.2花瓣型梁钢构的吊装过程控制 1、为了克服场馆内无吊装空间，采用分区吊装方法安装大跨度花瓣型梁钢构，在体育馆外围布置吊装区域和行车路线。 2、每区吊装时采用先主梁后次结构程序吊装，吊装未全部完成时，应在花瓣型梁钢构间安装环梁，防止安全隐患。 3、吊装

8、前，将吊装钢丝绳安装在花瓣型梁上，利用计算机数值仿真模拟确定最小力矩平衡点，在梁翼缘边部位套上软布，并在下翼缘底垫上方木以防止钢丝绳打滑。 4、在现场作好花瓣型梁钢构拼装，同时连接点用高强螺栓固定，花瓣型梁起吊时对花瓣型梁钢构的垂直度进行校正。 5、吊车起吊1米左右试吊，在大梁两端安装好缆风绳，同时安装人员就位。 6、花瓣型梁起吊离地500mm左右时，检查无误再继续起吊，钢梁底面离预埋螺栓约200300mm时，减速下勾，人力推移花瓣型钢构底面至螺栓孔对准预埋螺栓，螺栓穿入花瓣型钢构，离支承面约50mm时，停勾，对准地脚螺栓的中心位置，下勾，安放钢架一端于地脚螺栓顶面之上，采用经纬仪和靠尺结合初

9、调好花瓣型钢构垂直度进行校正。 7、将预埋螺栓螺帽上紧，使花瓣型钢构牢固固定，固定缆风绳，防止钢架被风振动摇晃。采用扳手上紧高强螺栓，再松钩，这样一根花瓣型钢构安装完成。 8、安装第一榀花瓣型钢构时，在松开吊钩前，作初步校正，对准混凝土柱基座中心与定位轴线就位，并调整花瓣型钢构垂直度，检查侧面弯曲。 9、第二榀花瓣型钢构同样吊装就位好后，不要松开吊钩，安装几根环梁和水平曲面方管与第一榀花瓣型钢构固定，最后校正固定的整体钢构。 10、继续吊装其余花瓣型钢构。两榀花瓣型钢构安装完成后，安装环梁，将花瓣型钢构连系起来形成空间结构，再以同样方法安装其余轴线的构件。 大跨度花瓣型钢构的拼装过程见图5。

10、(a) 花瓣型钢梁堆放(b) 花瓣型钢梁起吊 (c) 曲型环梁吊装(d) 曲型环梁空中焊接 (e) 花瓣方钢管空中焊接(f) 花瓣型钢构外围线条焊接 (g) 每个花瓣型钢构成型(h) 花瓣钢构壳体成型 图5 大跨度花瓣型钢构的拼装过程 4.3大跨度曲面网架的拼装控制 该工程支座处采用焊接球节点连接，中间位置采用螺栓球节点连接。 4.3.1螺栓球节点网架构件的拼装控制 该工程螺栓球节点网架构件的拼装采用高空散装外扩法安装。网架安装前首先对网架支座支承点的位置、尺寸进行复验，经复验检查轴线位置，标高尺寸符合设计要求以后，才开始安装。高空散装外扩法采用部分悬挑拼装方法进行安装，这种拼装方法始终有部分

11、网格悬挑着，杆件悬挑较大时，应按需设置临时支承系统，以控制自重和施工荷载产生的挠度。 该网架为球壳形圆弧网架，弧度较大，为了确保安装质量，在安装前应根据网架安装图精确计算出每一个球节点的标高，用全站仪随时监测，用千斤顶不断进行调节，确保网架的安装精度。 第一步先从网架一头开始，向长处延伸，先安好基础网格，安好下弦、腹杆、上弦、以此顺序将螺栓球连接。在基础网格安装完后，要进行测量和较正，确保符合设计尺寸，当尺寸在允许偏差范围内时，将所有节点螺栓拧紧、固定，然后按上述顺序向前推进。并随时测量网架质量，检查下弦网格尺寸及对角线，检查上弦网格尺寸及对角线，检查网格纵向、横向长度、网格矢高，在各临时节点

12、未拆除前进行调整。网架安装采用扣件式钢管脚手架满堂作为支撑。 网架拼装成整体并检查合格后，即拆除支架，拆除时应从中央逐圈向外分批进行，每圈下降速度必须一致，应避免个别支点集中受力，造成拆除困难。分块一端一边和已装网架连接，另一端外缘下弦球节点必须置于临时支架顶部。如此循环进行，直致网架安装完毕。 螺栓球节点网架构件的拼装过程见图6。 (a) 网架杆件(b) 螺栓球 (c) 网架螺栓球节点(d) 网架杆件安装 (e) 第一圈螺栓球安装(d) 高空安装 （f）网架构件的拼装(g)曲面网架成型 图6螺栓球节点网架构件的拼装 4.3.2 焊接球节点网架构件的拼装控制 1、对现场支座与支座焊接球、网架水

13、平大管与焊接球进行焊接。 2、焊接球节点网架构件安装准备工作：设临时设施和安装支承架；检查、复核预埋件的尺寸误差，标高是否在公差范围内，必要时作相应调整；复检运至施工现场的网架构件，对构件分类堆放；网架安装方法高空散装延伸安装法。 3、基准网架的安装。安装网架开始，利用安装好的支承架，通过卷扬机或吊车把网架构件吊至支承架上，采用高空散装法，先装三个上弦网格和二个下弦网格，以此块网架作为基准，向四周扩展。 4、基准网架安装调整固定后，利用网架刚度大，稳定性好的特点，即可承受一定的荷载，在网架上弦球立起悬臂扒杆吊，由卷扬机起重或人工拉滑轮作为起重工具。 5、采用空中单元延伸散装法，沿着基准网架，向

14、两边扩展，在地面组装好单元节点，每单元节点以一个钢球四根杆件为宜；利用卷扬机把单元节点吊至空中就位。安装工人坐在节点上，待高强螺栓对准钢求上的螺孔后，拧紧，即完成一个单元节点的安装。以此安装顺序延伸扩展下去，直到整个网架安装完。 6、装支托、柃条、安装，用水准仪对网架下弦5个节点测量，计算网架挠度，是否符合网架设计施工规范，再作相应调整，再安装柃条、天沟板等。 7、所有网架构件安装完毕，经质检部检查合格后，先用防锈漆把运输、安装过程中损坏部分补油后，再刷上面漆，即防火漆。 4.4花瓣型梁钢构的测量控制 由于该工程的建筑竖直投影为圆形，钢结构施工前的测量、定位对整个工程的施工至关重要。 4.4.

15、1工程的定位放线 首先在总平面布置上设计一个平面控制网，以网中确定的几条基本直线，作为施工放样的控制线。 4.4.2轴线控制 自然地面上测设平面位置 ，并对土建平面控制网进行复核。该建筑的平面位置放线使用电子全站仪，采用极坐标法测设。为便与采用极坐标法测放平面位置，正式放线前先根据设计图所示关系尺寸、各圆弧的半径和角度将待放点的测量坐标全部算出，经校正无误后再根据站点、后视点（启始方向）与待放点间的关系进行坐标反算，即换算出放样所需的极坐标（极距、极角）。 4.4.3平面控制 由于该工程的建筑高度比较高，轴线投测的正确与否直接影响结构的偏差，故投测时一定要经常检查和复测，多设几个检查条件。 4

16、.4.4标高基准点 在现场土质比较坚硬且安全可靠的地点埋设三个标高基准点计划一点多用。标高基准点埋设后定期进行高程检测，并对基准点采取必要的安全保护措施（砖砌或用钢管围护）。 4.5空间曲面网架的变形控制 曲面网架钢结构是一个由很多构件组成的空间体系，主要包括不同型号的杆件、螺栓球、支座、檩条、马道等。安装顺序为先安装中区，然后向两边延伸，单元间拼装完成时采用倒链和千斤顶进行安装精度调整和校正。 4.5.1测量放线控制 测量放线工作包括对建筑物轴线的复核，预埋件偏移情况的检查，尤其在本工程中标高较复杂，尤其要做好标高的引测控制工作。 4.5.2支撑体系的控制 支撑体系采用扣件式脚手架，在编制相

17、应的搭设方案时，要考虑支撑体系安全性、稳定性、可操作性和经济性等综合因素，还要考虑与网架结构安装工作的衔接问题。并在脚手架操作平台上根据图纸将网架标高控制点搭成井字架，支撑点设在下弦节点处。 4.5.3材料的控制 半成品运至现场，经探伤合格后应吊至作业区，所有材料分类分区堆放在脚手架作业平台上，但不允许集中荷载堆放。 4.5.4安装顺序控制 杆件及配件应根据编号按图纸进行安装，按对称轴由一侧向另一侧安装，安装过程应不断复核各点位置。在确认无误后向两侧对称推进进行大面积安装，在安装过程中要严格复检杆件尺寸及螺栓球偏差，每三根杆件应复查其总尺寸，并随时检查基准轴线、位置、标高及垂直偏差，并应及时校

18、正。 4.5.5安装偏差控制 在安装过程中发生偏差时，应立即调整。标高用千斤顶上下调整，平面位置调整采用3吨-5吨手拉葫芦配合钢丝绳进行调整或采用千斤顶支成75左右角度，向图纸位置校正，直到调整到正确位置。 4.5.6支座的安装控制 在网架安装完成并复核无误后，进行支座焊接工作，焊接顺序同安装顺序，采用围焊。 4.5.7网架卸载控制 将网架按圆周分成十二等分，每份为三个柱距；依次卸载1、7区，放置24小时，测量一次拱高，卸载4、10区后，再隔24小时测量一次拱高，（1、7，4、10，2、8，5、 11，3、9，6、12）依此类推，绝对对称卸载。分区示意图见图7。 图7 分区示意图 4.6大跨度

19、异型钢结构的施工监测控制 该工程在借助先进的监控设备和仪器，监测施工阶段大跨度异型钢结构花瓣型梁和网架的变形和应力，提供详实测试数据给施工单位，以便准确、合理地将大跨度异型钢结构花瓣型梁和网架构件与基础预埋件连接以及空中拼装。 4.6.1大跨度异型钢结构的应力监测 该工程共在大跨度异型钢结构的花瓣梁和曲线网架结构中的关键杆件、支撑网架的关键构件布置了44个无线式应变计来监测结构的应变，用传感器读数仪采集数据。应变测试仪器见图8。 (a) 无线应变计布置(b) 数据采集系统 图8应变测试仪器 4.6.2大跨度异型钢结构的变形监测 为满足施工监测精度高、速度快的原则，该工程共布设78个监测点。监测点均匀布设在花瓣梁、曲线网架和支座处。监测点的观测方法主要采用全站仪进行三维坐标测量，通过测水平角、竖直角和测距各6个测回，