大跨度无柱屋架安装施工技术(2)

1、大跨度无柱屋架安装施工技术研究陈祥国 梅宇中铁建工集团北京分公司摘要：本文首先阐述了大跨度钢结构屋架特点及其在国内外标志性建筑中的应用情况，然后结合第九届中国（北京）国际园林博览会主展馆工程实例阐述施工过程中技术问题的解决方法。关键词：大跨度无柱屋架；预应力拉索；空间测量1大跨度钢结构特点随着科学技术和建筑工业的发展，各种类型的大跨度钢结构在欧美等发达国家逐渐兴起，成为各国的标志性建筑，大跨度钢结构多用于多功能体育场馆、会议展览中心、博览馆、候机厅、飞机库等。最早跨度最大的平板网架是上世纪60年代美国洛衫矶加里福尼亚大学体育馆（91m×122m正放四角锥）。最大的双层网壳是上世纪70

2、年代在美国建造的休斯敦宇宙穹顶（Astrodome，直径196m）及新奥尔良超级穹顶（Superdome，直径207m）。上世纪90年代在日本名古屋又兴建了当今世界上最大跨度的单层网壳，建筑直径229.6m，结构直径187.2m。1993年日本建成的福冈体育馆，直径222m，是当今最大的开合钢结构屋顶。近十五年来，随着国家经济实力的增强和社会发展的需要，我们大跨度钢结构也取得迅猛发展，如2008年奥运会国家体育场“鸟巢”、国家游泳馆“水立方”、深圳机场、首都机场、上海浦东机场等都是典型的大跨度钢结构施工范例。总的说来，大跨度钢结构主要有如下特点：1.1结构形式多种多样大跨度钢结构早期基本上是单

3、一的平面钢结构，即由一些强度不大的纵向构件将平面结构连接起来构成纵向构件，层层传递荷载，并不分担荷载的结构形式，主要包括：梁式、框架式、拱式结构；随着科学技术的发展，如今各种空间结构形式层出不穷，组合结构复杂多样，这些结构形式整体刚度大、抗震性能好、经济性强，主要包括：悬索、网架、网壳结构。1.2结构跨度越来越大由于建筑功能的需要，现代钢结构跨度越来越大，主要应用于各类体育场馆、机场、剧院等公共建筑，最为典型的例子是世纪之交的千年穹顶（TheMilleniumDome），该馆位于英国伦敦泰晤士河南岸格林尼治，是当今世界跨度最大的屋盖，穹顶酷像飞碟，直径320m。另外，历届奥运会、博览会等都可以

4、显示钢结构的发展水平。如1972年德国慕尼黑（覆盖7.48万m2体育场的索网建筑群），1988年韩国汉城（120m直径体操馆及93m直径击剑馆都是索穹顶），1992年西班牙巴塞罗那圣乔地体育馆（128m），1996年美国亚特兰大乔治亚穹顶（186m×235m索穹顶），2000年澳大利亚悉尼主体育场（11万人，两个220m×70m的双曲抛物面网壳）。1.3预应力技术广泛应用预应力技术从工程实际应用到现在仅半个多世纪，相对于人类数千年的建筑史来说只是沧海一粟，但是随着科学技术的进步，新型材料的不断涌现，相关设备性能的不断优化和提高、计算理论的不断完善，以及预应力结构体系的不断创

5、新，预应力施工工艺也在不断的完善和提高，如今已经广泛应用于各种大型公共建筑中。预应力钢结构符合结构发展趋势，满足更大、更轻、更好的技术要求，符合加工批量化、构件商品化、施工装配化的现代工业生产规律。预应力技术能改善结构受力状态，节省钢材（通常预应力钢结构比非预应力钢结构可节约钢材10%-30%），提高结构刚度和稳定性，降低结构自重而减小地震荷载提高建筑抗震性能。目前钢结构主要施加预应力的方法有四类：钢索张拉法、支座位移法、弹性变形法、手工简易法。2大跨度钢结构施工中重难点大跨度钢结构施工是一项工程施工的中的重要环节，施工过程中需要制定合理优化的施工方案，进行科学完善的施工过程分析，突破传统土木

6、工程施工方法，才能保证结构施工的方便、安全与经济。在施工过程中需要注意以下几点：2.1计算机辅助深化设计和工况分析随着计算机技术的应用，钢结构施工前的图纸深化和工况分析均采用计算机辅助设计，如何通过计算机建立合理优化的模型，对结构进行拆解，包括整体三维建模，杆件板材优化下料，关键节点设计分析。施工过程中的模拟工况分析等都是计算机辅助设计制造的重要方便。2.2空间测量技术由于大跨度钢结构由于本身体型庞大，同时又存在空间立体施工，对施工测量的精度要求往往比普通混凝土工程更高，制定简单有效可行的空间测量方案也是大跨度钢结构施工中的中难点。2.3合理选用安装方案钢结构吊装常用的方法有：高空散装法、分体

7、安装法、高空滑移法、整体吊装法、整体提升法，如何选用安全、合理、经济的安装方法是钢结构施工中的一个重点，同时由于大跨度钢结构的特点，往往需要多种安装方法组合再创造，这就给施工带来了更大的难度。3、工程实例3.1工程概况第九届中国（北京）国际园林博览会主展馆工程，位于北京市丰台区射击场路园博会主入口的西南侧，为园博园内核心建筑，建筑面积54044，建筑物檐口高度24m。基础为梁板式筏形基础，主体为钢筋混凝土框剪结构体系，中心主展厅上部为钢结构, 外墙为石材和玻璃幕墙,屋面型式为混凝土屋面及金属屋面。屋架采用钢桁架结构，整体呈圆拱形，半径35m，最高点标高20m，最低点标高11m。钢结构整体坐落在

8、混凝土结构牛腿上，牛腿上安装18个减震支座球，球体直接采用钢梁焊接，桁架下端与减震支座焊接，上部为半径10m的圆形钢结构，中部有钢结构拉杆与屋架四周的出屋面混凝土墙体拉结。主桁架共18榀，主桁架间有若干次桁架和钢梁。预应力拉索位于径向桁架上弦之间，主要为稳定径向桁架，保证结构平面外稳定。预应力拉索在两榀桁架之间交叉布置，共计96根索。主次桁架采用圆钢管焊接，钢梁采用方钢和H型钢焊接。屋架平面图（图1）、透视图（图2）、侧立面图（图3）如下：图1 屋架平面图图2 屋架透视图图3 屋架侧立面图3.2工程重难点分析及对策3.2.1工程重难点分析3.2.1.1空间测量定位困难本工程钢结构屋架作为圆形展

9、厅屋面结构，四周是与钢结构屋架相同高度的出屋面混凝土外墙，视野狭窄。钢结构底部位于圆形墙体11m标高处1m悬挑板牛腿上，无法安置测量器械。3.2.1.2钢结构屋架跨度大钢结构屋架直径70m，根据建质【2009】87号危险性较大的分部分项工程安全管理办法，本工程属于超过一定规模的分部分项工程，且整体屋架直接坐落于牛腿上，无钢柱支撑，安装难度大，危险性高。3.2.1.3工况差异较大本工程设计使用阶段工况与结构施工过程的受力状况完全不同，结构最不利的受力阶段可能出现在施工阶段，需对施工阶段工况情况进行计算机模拟分析。3.2.1.4预应力钢索施工复杂本工程预应力钢索共计96根，分为6组，为保证桁架平面

10、外稳定性，需对每根拉索进行调节，保证桁架两侧拉索受力平衡，施工难度大。3.2.2重难点对策针对以上施工重难点，施工方制定了如下对策：3.2.2.1根据施工图纸，使用全站仪引测圆心屋架圆心至地面作为测量基准点，并在圆周范围内地面上分别布置三个复测点，保证吊装过程中至少有两个以上测量控制点。在保证加工精度的情况下，使用全站仪对钢结构进行精确定位，定位时以屋架中央标高为20m半径为5m的圆盘形结构和牛腿处减震支座两点为目标，控制桁架与该两点的焊接位置，从而控制主桁架安装精度，主桁架吊装完成后，以主桁架为控制目标，安装次桁架和钢梁等次构件。3.2.2.2为减小施工难度，施工时可采用分体吊装法，人为减小

11、单榀桁架吊装跨度，先安装直径10m的钢结构圆盘，后对称吊装投影长度30m的主桁架。3.2.2.3由于施工工况与使用工况的差异性，施工方案拟定后采用计算机模拟程序sap2000建模，然后对工况进行分析，并与设计工况对比，从而确定施工方案。3.2.2.4拉索施工时采用分部位分层次多级张拉，并多次复合，保证桁架两侧拉索受力平衡。3.3安装方案3.3.1吊装流程施工时为减小施工难度，将70m屋架钢结构分两部分吊装，第一部分为直径10m的圆形采光屋盖结构，第二部分为环形金属屋面桁架结构。吊装方案具体流程如下：安装支撑架安装采光屋盖结构安装球形减震支座及支座间连系梁安装前8榀主桁架次桁架及斜拉杆逆时针安装

12、剩余主桁架、次桁架、斜拉杆安装、紧固拉索卸载、拆除支架。3.3.2安装支架承台圆柱根据土建结构施工顺序，桁架的安装方案采用了分片吊装的方法来进行，通过对各个结构的分析，准备设置临时支架，以保证桁架吊装过程的安全。支撑架位于半径7.5m的硬化地面上，采用钢管325*10、H型钢及160、140角钢搭设，后用揽风绳四面拉住。3.3.2.1先硬化地面，垫层100厚C15混凝土，直径8m。混凝土基础采用300mm厚C30混凝土浇筑，钢筋采用HRB400直径18mm，双层双向布置，间距200mm。在地面上放线好轴线和中心点，每根柱预埋4个M30地脚螺栓，混凝土养护完成达到强度后安装圆柱承台。3.3.2.

13、2在轴线与屋盖所在圆周交点上和圆心处均布设置共计10根圆柱。高度比中心屋盖下弦标高低500mm即19.200m，安装时每个桁架的安装节点下固定一个20吨的机械千斤顶，卸载高度按3cm考虑，顶板调至标高19.730m。柱底采用4个M30螺栓固定，并焊接4个翼板，柱间连接采用M20螺栓连接，柱间斜支撑用140*90*10的角钢，柱顶梁用H300*150*6*8的H型钢，采用M16螺栓连接，19.8m标高平台用160*100*10将圆周9根圆柱与圆心处圆柱连接，支撑架安装完成如图4、图5。图4 圆柱支撑架立面图图5 圆柱支撑架平面图3.3.3安装10m直径圆盘屋盖结构首先硬化施工场地，在支撑架附近5

14、m处采用C15混凝土浇筑半径为7m厚100mm的拼装平台，根据图纸尺寸在地面上1:1放样，然后根据放样在地面上摆好各构件并用钢板垫起，用水准仪抄平，焊接上面及侧面焊缝，然后将圆盘吊起翻转，将下部焊缝焊接，拼装完成后，交质检员和监理验收合格后方可起吊。圆盘重约7T，采用25T吊车吊装。起吊前在支撑架上部钢梁上放好各轴线和圆心点，然后在圆柱支撑架上安装好千斤顶，在千斤顶上找好标高，标高为设计底标高以上3cm，保证吊装后所有点均在同一标高上。吊装前将圆形屋盖按1/3划分，找好中心屋盖的3个吊点位置(A1、A13、A25轴)，然后采用25T吊车3吊点垂直吊装，吊装后在支架平台上垫好木方，用抱箍将支撑架

15、与采光屋架捆绑，并将采光屋架中心点与支撑架临时焊接固定。图6 吊装圆盘屋架示意图图7 圆盘屋架完成后效果图3.3.4球形减震安装及连系梁安装球形减震支座位于牛腿上，底标高11m。重约1T，支座球位于支座上，重约2.1T，钢梁截面600*300，底标高11.7m，重约3.2T，支座与球、球与钢梁均采用焊接。安装桁架减震支座及连系梁：先找好支座基础的轴线、标高，先安装A1轴减震支座及球，找好减震支座的垂直度和中心线后固定好，再同时安装A3轴减震支座和球及A1轴和A3轴中间的连系梁，固定好，以后再安装A5轴及A3轴和A3轴之间的连系梁，以此类推直到最后安装A35轴的减震支座完毕，再安装最后一根连系梁

16、，最后一根连系梁需要在减震支座连接板处切下一半，连系梁用吊车吊住从外往里平推安装。图8联系梁闭合时加工示意图图9支座球吊装示意图图10球间连系梁吊装示意图图11两球形减震支座及中间连系梁吊装完成效果图图12 所有球形减震支座及中间连系梁吊装完成效果图3.3.5安装主次桁架及斜拉杆3.3.5.1主次桁架吊装减震支座及中心网盖安装完毕以后，再在减震支座和屋面网盖上先画好轴线及标高，在桁架上画好纵、横中心线，再根据标高、轴线及桁架的纵横中心线来安装，吊装时先用4台25T吊车分别同时吊装圆盘两侧一条直线上的两根主桁架，用临时连接板固定，然后用缆风绳拉住，再用2台25T吊车吊装相邻轴线的主桁架，以此类推

17、。次桁架、钢梁的吊装在4榀主桁架吊装后进行，吊装时吊装主桁架的吊车不松钩，另用2台25T吊车进行吊装。桁架与梁连接，采用焊接，上下左右翼缘板采用V形坡口并加焊接衬板施焊。钢梁吊装两吊点位于重心两侧各1.5m，钢丝绳、卡环捆绑式吊装，将第一空间连接成一个整体后，用导链在每个立面用两个吊链成八字式十字对称拉稳并校正梁的位置，防止钢构件向一侧倾倒，然后逐步由中间向两侧进行钢梁安装。吊装过程如下：图13 4榀主桁架及其次桁架吊装完成平面图然后采取同样方式吊装与其垂直的四根主次桁架，使之成为一个稳定结构。待焊接牢固后，按上述方法依次吊装剩余主次桁架。图14 8榀主桁架及其次桁架吊装完成平面图图15 8榀

18、主桁架及其次桁架吊装完成立体图3.3.5.3安装斜拉杆及剩余钢管:安装斜拉杆：为防止屋架下坠和上顶，在主桁架中部设置有斜拉杆，斜拉杆上端与混凝土结构墙体预埋件螺栓连接，下端与主桁架中部耳板螺栓连接。斜拉杆在所有主次桁架、钢梁安装完成后进行。先找好斜拉杆支座埋件耳板的轴线、标高，并放线。斜拉杆的安装时先把拉杆底端与桁架连接，再将拉杆下斜靠在22m埋件上，用钢丝绳将拉杆与上部操作架临时固定，待所有桁架、斜拉杆安装完毕后再将顶部的耳板与拉杆顶端连接住，最后焊接顶端耳板固定。固定焊接达到合格以后，再吊车摘钩。吊装完成效果如下：图16 结构吊装完成效果图3.3.7索具安装与张拉3.7.1索具安装预应力拉

19、索位于径向桁架上弦之间，主要为稳定径向桁架，预应力拉索在两榀桁架之间交叉布置，共计96根索，最长拉索约12m，最短拉索约7m。索体单重约70kg，计入两端索具，约100kg150kg，索体安装时采用定滑轮、倒链等小型机具将单根拉索吊运至设计位置。索体吊运时两端均用夹具将索体与牵引钢丝绳绑牢，然后一端与牵引设备相连，将索体吊运至设计位置，然后采用人工牵引的方式将另一端牵引至设计位置即可。索体与索具采用工厂热铸方式连接，即索体与索具根据事先的下料长度进行组装运至现场进行安装。预应力拉索安装前，先将索具张拉端调节阀至于最大位置，使索体达到最长状态，以减小安装阻力，然后采用人工将索具与连接板相连即可，

20、对于安装阻力较大的索体，超出人工安装范围时，应借助小型牵引设备，如动滑轮组、卷扬机等进行安装，即先将牵引机具固定在索体延长线上，然后用夹具将索具与牵引钢丝绳相连，再机具检查完毕后将索具牵引至设计位置后采用人工安装即可。由于本工程预应力拉索采用调节张拉方式，索体安装前调至最长位置，因此索体在安装过程中几乎处于零应力状态，而钢架主体仍处于安装状态，因此索体在安装就位过程中对整体屋架的影响较小，可以不考虑安装应力的不均匀分布问题，及本工程索体按照空间位置顺序，依次安装即可。索具安装效果图如下：图17 索具安装完成效果图3.3.7.2索具张拉本工程索体采用人工调节的方式进行索体张拉施工，即采用调节张拉

21、端调节杆长短以达到张拉和放张的目的。本工程预应力拉索张拉时应遵循以下几点原则：对称张拉：将两榀钢桁架之间6道径向索，以屋架中心点为中心对称点分为3组（A、B、C组），6道环向索分为3组（、组），如图4.4所示，张拉时以组为单位进行对称张拉；图18 预应力拉索张拉分区示意图同时张拉：同一组径向索应同时张拉，处于同一组索内的两个交叉索应同时张拉；顺序张拉：同一组径向索应自内向外张拉，如图所示，同一组径向索的张拉顺序应为1234。径向索张拉完毕后再张拉环向索，即先张拉A、B、C三组索，再张拉、三组索。图19 径向索之间的张拉顺序示意图分级张拉：本工程预应力拉索的主要为增加屋架结构整体刚度，拉索内的预拉力对结构的应力、变形影响较小，因此张拉时仅考虑2次张拉和1次的方法，根据设计图纸其总预拉力设计值为35kN。第一次施加25kN预拉力，第二次施加