空间辐射弦支网壳钢结构屋盖安装

1、空间辐射弦支网壳钢结构屋盖安装技术中建一局集团建设发展有限公司王召新摘要：制定了适用于本工程特点的钢结构安装方案，采取经济性很高的临时支撑体系，钢结构构件在加工厂分段加工，现场分段高空组装。采用由中央向四周的扩散安装顺序，先安装刚性环，依次安装辐射桁架、支撑杆件和环向支撑。刚性环的组装顺序合理，保证了安装过程中刚性环的整体稳定性。辐射桁架对称循环安装，保证在安装过程中支撑体系的承载受力对称，减少支撑的不均匀沉降，确保了结构的几何尺寸。环向桁架采用由外向内推入的方法，最大限度克服了相贯杆件相互干涉的影响。选择合理的焊接工艺，达到安装质量要求。关键词：空间辐射弦支网壳钢结构 安装顺序 安装胎架 分

2、段吊装 高空组装一、工程概况北京大学体育馆工程位于北京大学校园内，是2008年奥运会乒乓球正式比赛场馆，总建筑面积为26900m2，地上四层，地下二层，看台二层，座位数为7557个。体育馆的屋盖为空间辐射弦支网壳钢结构屋盖，采用的结构体系为由“柔性”拉索与“刚性”空间桁架结构,通过撑杆连接而成的预应力空间桁架壳体。整个屋盖结构支撑点间的跨度为80×64m，由刚性环（下刚性环环与中央刚性环通过下撑杆连接）、32榀辐射桁架（高2.5m）、中央球壳（矢高7m，跨度24m）、环向支撑与水平支撑体系、檐口支撑体系及预应力拉索六部分组成。其中辐射桁架高端支承在中央刚性环上，低端通过钢支座支承于下

3、部混凝土框架结构上；中央球壳支撑在中央刚性环上；拉索外端连接于辐射桁架外端，内端连接于下刚性环上；辐射桁架之间由五道环向支撑和桁架上弦水平交叉支撑组成的屋盖支撑体系保证辐射桁架平面外的稳定。图1 钢屋盖三维结构图中央球壳中央上刚性环辐射桁架檐口支撑预应力拉索环向桁架及水平支撑图2 钢屋盖剖面图二、工程特点1.结构形式复杂北京大学体育馆屋面钢结构采用了预应力空间桁架与空间壳体的杂交结构，整体为封闭的空间双曲面形状，组成桁架为弧线、曲线及折线形式。在结构中全部节点为管与管相贯连接，钢管相贯线切割、相贯节点拼装、相贯焊缝焊接，不同形式节点有282个，最多有11根杆件相贯焊接于一个节点。2.选择合理的

4、安装顺序对于相贯几何封闭结构的安装，需要合理安排构件安装顺序与工艺，避免杆件相互干涉导致后安装的杆件无法正常施工。3分段吊装难度大由于运输能力的限制，需要将中央刚性环和辐射桁架进行分段制作，现场分段吊装。支撑胎架的稳定、空中定位放线的准确性、合理的安装顺序是桁架空中对接拼装质量和保证整体屋盖外形尺寸的保障。三、安装准备1钢结构加工（1）本工程钢管采用顶管机进行顶弯，钢管采用先接长，弯管后切割成构件的方法。弯管过程采用先初顶，后成形顶的方法进行逐步顶弯成形，顶弯过程中注意用力不能过大、过猛，并注意观查，防止管子产生起皱、顶扁变形现象。（2）按照运输能力的要求，把刚性环分8段制作，辐射桁架分23段

5、制作，所有构件在加工厂进行预拼装，预拼装后检验焊道间隙及整体外形尺寸，合格后方可出厂，为保证现场安装质量打下基础。2.满堂红脚手架胎架为配合屋面钢结构施工，本工程采用室内满堂红脚手架做胎架，辅助钢结构安装、焊接并提供支撑。根据屋面钢结构的布置特点，在刚性环及中央球壳下方搭设满堂脚手架，做为操作架。脚手架支撑体系采用1.5×1.5×1.5m布置。沿桁架方向呈辐射形搭设三排脚手架，脚手架采用1.5×1.5×1.5m体系，刚性环及桁架安装过程承重点下方搭设9根立杆的独立承重脚手架，室外挑出钢屋架下方搭设落地脚手架满足上人操作及承重要求，独立脚手架和满堂红脚手架

6、每1.5m相互连接。图5 钢屋架结构简图 图4脚手架平面布置图 3.现场设置拼装胎架（1）中央刚性环体系拼装胎架设置在其投影点上，首先要对胎架标高进行测量，各个支撑点标高偏差控制在2mm以内，将轴线和需要拼装构件1：1 样线放在拼装胎架上。（2）胎架须按放样图划出底线,在胎架上划出构件的节点线、中心线、圆弧轨迹线，并用限位铁板焊牢，敲上样冲,节点轴心线误差1 mm。调整支点千斤顶高度，千斤顶伸出长度200mm左右并依据下刚性环就位标高进行调整至设计要求高度。千斤顶位置调整后将其与下部钢板焊接固定，见下图：图6 下刚性环胎架局部节点图四、钢结构安装（一）安装顺序第一步 下刚性环安装 第二步 垂直

7、撑杆安装第三步 中央刚性环安装 第四步 辐射桁架安装第五步 环向、水平支撑安装 第六步 中央球壳安装安装图7 钢屋盖安装顺序第七步 檐口支撑安装 第八步 拉索预应力张拉（二）下刚性环安装将下刚性环平均分为8段安装，每段重量约5kN，满足现场塔吊起重量（塔吊此部分吊重6kN），安装胎架验收通过后，将下刚性环按顺时针顺序分段依次吊装，吊至安装工作面调整其位置和标高；将各个分段之间接口调整对齐，焊接衬管，安装到位。 图8 下环拼装焊接图图9 下刚性环现场拼装照片（三）中央刚性环与下刚性环之间垂直撑杆安装1.垂直撑杆安装前搭设中央刚性环部分的拼装脚手架。2.垂直撑杆采用散件拼装，先行安装32件垂直撑杆

8、，按照其就位位置用定位焊将垂直撑杆与下环固定。要求撑杆安装对定位线偏差2mm，垂直偏差3mm，撑杆顶端对于中央刚性环下弦定位线的偏差3mm，撑杆顶面标高偏差控制在2mm以内，相邻杆件顶面高差控制在3mm以内。定位焊焊缝长度40mm焊缝高度6mm，定位焊布置于垂直撑杆四个象限点部位，见下图：图10 定位焊图 图11 垂直撑杆位置图3.垂直撑杆安装时采用脚手架作为临时稳固措施，每根垂直撑杆用脚手管与脚手架抱接固定，再采用两根48×3脚手管与下刚性环本身焊接固定，此固定措施用以保证中央刚性环部分安装的稳定性。图12 垂直支撑加固图支撑杆跳跃设置图13 垂直支撑加固图（四）中央刚性环安装1.

9、 第一步：中央刚性环下半部安装。首先将中央刚性环下半部分段依次吊装到位，按照图纸将各个节点位置找正，与垂直撑杆固定焊接，各个分段之间接口定位焊接；在检查安装位置确认合格后进行焊接中央刚性环下半部的中弦、下弦和分段之间的腹杆。图14 中央刚性环下半部安装图2.第二步：安装上弦杆。在拼装脚手架上搭设中央刚性环上弦支撑钢管，将上弦定位线标记在支撑钢管上并焊接限位钢板；吊装中央刚性环上弦，各个分段之间固定焊接。图15 中央刚性环上弦杆安装图3第三步：安装剩余腹杆。将各腹杆集中吊运至施工面，人工将各个腹杆就位，检查拼装后规格尺寸确认合格后焊接。图16 腹杆安装图4.第四步：当垂直撑杆与中央刚性环焊接完成

10、后安装斜撑杆。（五）球壳安装根据球壳的几何尺寸搭设安装脚手架，利用全站仪和建筑轴线定位，来确定转换环的标高和位置，并安装其腹杆和转换环后，再安装中央球壳经线杆件支撑杆，经测量调整支撑杆的标高，并且依据测量结果标记出经线杆件的位置并设置限位板。首先安装转换环，安装方法同中央刚性环上弦的安装方法。转换环安装完毕后安装转换环与中央刚性环中弦之间的杆件。由低位置的经线杆件开始安装，同时由两侧向上安装。相邻的两根经线杆件安装完后，安装纬线杆件，位置固定后由中央向两侧安装纬线杆件。安装采用塔吊吊运人工就位，构件安装顺序见下图：28.3m转换环经线杆件安装顺序纬线杆件安装顺序图17 球壳安装图（六）辐射桁架

11、安装（含支撑体系）1.搭设操作平台和节点支撑平台（1）在桁架节点下方搭设支撑平台，上方设置千斤顶，把桁架下方的脚手架沿通长方向铺设木跳板作为工人操作平台。（2）在支撑平台上放出桁架定位线。吊装前仔细检查拼装单元，对桁架的编号和吊装轴线进行复核，合格后方可进行吊装。2.桁架的吊装(1)辐射桁架采用三榀对称安装方法，每相临两榀桁架安装完成后立即安装其之间垂直支撑和水平支撑，保证桁架稳定。(2)桁架整体安装顺序见下图：图21桁架安装完成图20 其他桁架依次对称安装图19 另一侧三榀对称安装图18 一侧三榀安装(3)桁架分段安装顺序为从靠近中央刚性环一段向外侧安装，桁架分段重量均在塔吊起重范围内,桁架

12、HJ1HJ16分段图及节点支撑位置如下：图22 桁架HJ1HJ16分段图及节点支撑位置图分段位置节点支撑位置(4)现场吊装 1)现场采用塔吊通过一个铁扁担进行吊装，根据各个辐射桁架的不同重量，确定桁架的重心位置，合理确定桁架的吊点，并且吊点一定选在桁架节点处。图23 吊装示意图2)起吊时，两名信号工进行指挥，第三名信号工进行整体观察，发现问题及时进行调整，保证桁架的顺利吊装。并且两个人分别拉住桁架两侧的两根溜绳，桁架开始起吊时必须使用1档。3)为了保证安全，人员不能站在吊件的正下方。待桁架吊至就位位置以上时，开始就位，信号工指挥塔吊使用1档下落。桁架接近就位位置时，两名安装工人要分别用手扶住桁

13、架，将桁架拖至就位位置。4)桁架的固定：桁架就位后，立即拉好缆风绳调整桁架就位位置和桁架垂直度，使用钢管将桁架与脚手架抱接，然后进行下榀桁架的吊装。当两榀桁架安装完毕后，进行主桁架之间的竖向支撑的安装。3.桁架的空中对接：按照桁架拼接点的标高预先调整千斤顶，可使用撬棍和葫芦将接口对接。桁架对接后调整千斤顶复核桁架平面内、平面外的挠度、拼接点标高、轴线位置、跨中垂直度，确认合格后使用电焊将对接口固定焊接，将桁架用钢管和拼装脚手架抱接，如下图所示： 图24 桁架的空中对接示意图4.桁架间竖向支撑和水平安装为了保证桁架的稳定，相邻两榀桁架安装完成后，立即进行桁架间支撑的安装，先安装环向支撑、所有环向

14、支撑安装完成后安装水平支撑，桁架间支撑安装采用塔吊安装。（七）边桁架及檐口桁架安装由于边桁架的长度较长，重量较重（BHJ1重量约为11.897kN，BHJ2重量约约为10.503 kN），根据本工程的结构形式边桁架BHJ1被辐射桁架和支座自然分成8段，每段10m长，每段重量约为1.49 kN。边桁架BHJ2被辐射桁架自然分成8段，每段长度为8m，每段重量约为1.31 kN。根据结构平面布置和塔吊相对关系，每一段边桁架的重量均在相应位置的塔吊起重量范围内。且每段边桁架的长度和宽度均能满足运输条件。因此在加工厂制作好每段完整的边桁架，运至施工现场后，进行整段边桁架整体吊装。边桁架采用现场ST70/

15、30塔吊进行整段吊装，每段桁架均采用两点起吊，两个吊点选择在钢梁的重心两侧，两个吊点位置应距离支座及跨中800mm以外，并根据桁架的长短适当的增加两个吊点之间的距离。每吊装一段边桁架分别与相应位置的辐射桁架和支座相连接。待整榀边桁架吊装完成后，进行测量校正无误后在进行边桁架的焊接。（八）檐口桁架安装檐口桁架使用塔吊吊运人工安装。首先在安装操作平台脚手架上搭设檐口桁架支撑杆，调整好标高。调整好轴线位置、标高后，将构件后端与立柱固定焊接，前端与支撑钢管固定焊接。檐口桁架之间的支撑体系随桁架安装同步进行。（九）小限位滑动支座安装本工程有28个滑动支座和4个小限位滑动支座，28个滑动支座在刚结构安装前

16、先固定，4个角部的小限位滑动支座在屋面荷载加载完成，屋面自平衡体系基本形成后再安装。辐射桁架立柱加工时已增长（包含支座高度），安装时与支座下方预埋板定位焊接固定，见图25。图25 焊接固定示意图2、支座安装时采用两个千斤顶顶住辐射桁架两侧边桁架节点处，千斤顶必须设置在混凝土梁上，将立柱长出部分切除，然后将支座就位，保证支座与桁架立柱之间间隙为5mm以方便就位和焊接。支座就位检查无误后开始焊接。第一步：将立柱长出部分切除 第二步：安装支座五、现场焊接本工程为空间钢结构，焊缝质量等级要求较高。受拉的全熔透剖口焊缝及复杂节点焊缝为一级焊缝，其余全熔透剖口焊缝为二级焊缝，角焊缝为三级。采用手工电弧焊和CO2气体保护焊两种方法，手工电弧焊焊接材料选用E50xx系列焊条、CO2气体保护焊焊接材料选用ER50-6焊丝，焊接位置为圆管全位置焊。现场安装的一级焊缝全部进行自检探伤，见证探伤比例11%；二级焊缝自检比例31%，第三方见证探伤比例3.1%。一、二级焊缝在施工方3%见证探伤基础上，建设单位又委托冶金院进行3%的抽检探伤，检测结果全部合格。六、经济和社会效益分析做为世界上第一个专用的乒乓球馆，北京大学体育馆的屋面造型是目前国内外建筑中独一无二的空间钢结构，科技含量高，体现了特、精、新、难四个方面的特点，其钢结构造型在国内外建筑史上树立了一个新的里程碑。施工时综合考虑了经济、合理