东北某大学体育馆屋面钢结构施工工艺

东北*****体育馆屋面钢结构施工工艺摘要东北*****体育馆屋面采用体内预应力钢管桁架作为主体，桁架横截面呈倒三角形，上弦杆两端通过半球和砼柱上的埋件连接，下弦杆悬空。其最大的特点是桁架上弦杆不平行，有夹角，而且桁架和水平面也有夹角，使得屋面形成了一个曲面。施工中主要面临下列技术难题，首先是桁架上下弦杆不平行，使桁架三个侧面形成渐变的曲面，给加工和拼装造成很大困难。其次桁架需要采用分段吊装的方法进行高空安装，需要合适的支撑架和操作平台。第三现场条件不适合群塔作业和大型机械施工，需要另辟蹊径。第四需要解决结构安装精度控制、预应力精确施加等技术问题。为解决上述难题，施工前对图纸和现场状况进行了详细的分析。针对桁架上下弦杆在水平面投影互相平行的特点，采用了侧拼的方法。用标准节作为支撑架，并在其顶端安放操作平台，满足了高空作业的需求。利用特制的轨道系统，只使用一台行走塔，就解决了对吊装机械的要求。使用全站仪和其它多种精密仪器，对安装和张拉进行监测，满足了精度控制的要求。通过采取上述措施，圆满地解决了体内预应力空间曲面钢管桁架施工所面临的许多技术难题，获得了非常好的效果。关键词：桁架，行走塔，支撑架，体内预应力目录HYPERLINK\l"_Toc207881679"摘要1HYPERLINK\l"_Toc207881680"目录2HYPERLINK\l"_Toc207881681"绪论3HYPERLINK\l"_Toc207881682"一、工程概况4HYPERLINK\l"_Toc207881683"二、安装方案比较7HYPERLINK\l"_Toc207881684"1、采用群塔安装7HYPERLINK\l"_Toc207881685"2、采用大型机械安装8HYPERLINK\l"_Toc207881686"3、高空分段拼装8HYPERLINK\l"_Toc207881687"4、布置行走塔的方案8HYPERLINK\l"_Toc207881688"三、机械选择9HYPERLINK\l"_Toc207881689"1、塔式性能9HYPERLINK\l"_Toc207881690"2、吊装分析表9HYPERLINK\l"_Toc207881691"3、行走轨道布置11HYPERLINK\l"_Toc207881692"4、支撑架设置12HYPERLINK\l"_Toc207881693"四、结构施工14HYPERLINK\l"_Toc207881694"1、拼装方法14HYPERLINK\l"_Toc207881695"2、吊装顺序17HYPERLINK\l"_Toc207881696"3、吊装步骤17HYPERLINK\l"_Toc207881697"4、测量措施21HYPERLINK\l"_Toc207881698"5、节点问题24HYPERLINK\l"_Toc207881699"五、预应力施工25HYPERLINK\l"_Toc207881700"1、施工顺序25HYPERLINK\l"_Toc207881701"2、施工步骤26HYPERLINK\l"_Toc207881702"3、监测措施27HYPERLINK\l"_Toc207881703"4、质量控制28HYPERLINK\l"_Toc207881704"六、结束语29绪论随着科学技术的进步和设计水平的不断提高，在钢结构领域不断出现一些超常规的结构形式，这些结构是设计工作者的大胆尝试，也是对施工技术的一项挑战，需要广大工程技术人员不断摸索。大跨空间结构的特点之一是形式十分丰富多彩，而且其受力性能与结构形体之间存在紧密的内在联系，结构形式的不断创新是大跨空间结构发展过程中的一个主要特征，特别是和预应力技术结合在一起，使结构型式更加复杂多样，新的施工方法也层出不穷。但使用最少的机械和最简单的施工方法，以取得最大的经济效益是工程技术人员应该努力的方向，在制定施工方案时应抓住施工的难点，尽可能的化繁为简。本文所涉及到的施工工艺具有一定的代表性，特别是在现场不具备常规方法施工的条件时，采用轨道系统和行走塔相结合的方法，以及充分利用全站仪测距的特点，采取坐标测量的措施，取得了较好的效果，可以为其它工程所借鉴。通过对该工程的研究，将有助于提高在体内预应力结构施工方面的技术水平，积累更多的经验。一、工程概况东北*****体育馆总建筑面积2.5万平米，由5000座比赛馆及训练馆组成。体育馆与训练馆连为一体，互为支撑结构，屋面钢结构采用体内预应力空间曲面钢管桁架作为主体，下部采用钢筋混凝土结构，为实现建筑立面效果，采用独特的异型密柱框架结构体系，实现了建筑美学和结构力学的和谐统一。体育馆建成后将是该校重要的比赛和训练场馆，同时也将成为当地高校体育场馆中的地标性建筑。东北*****体育馆屋盖采用体内预应力空间曲面钢管桁架（图1-1、图1-2）作为主体，共包括16榀桁架，横截面呈倒三角形（图1-3），跨度36m~68m，标高24m~32m，重量13.44t~27.83t。图1-1图1-2图1-3桁架上弦两端通过球节点和砼柱侧面钢板埋件连接，下弦两端悬空（图1-4）。图1-4为了增加桁架的刚度，减小屋面结构的变形，在桁架下弦钢管内通长设置预应力钢绞线。采用环氧涂层填充型低松弛钢绞线，直径15.2mm，抗拉强度标准值1860Mpa。表面包裹环氧涂层，各钢丝之间用环氧树脂填充，钢绞线外包PE护层。锚具采用LфL系列全封闭防腐蚀环氧钢绞线配套锚具（图1-5），并配备防低应力松脱装置，确保风吸工况下结构安全。图1-5二、安装方案比较根据现场的实际情况，通过深入分析对比各种安装方案，选择使用机械最少、对其它工序影响最小，既能满足吊装需要，又能取得较好的经济效益的方案是本工程非常重要的工作。1、采用群塔安装现场东西长85.786m，南北宽69.234m，已有3台塔吊（图2-1），但机械性能远远无法满足吊装需要。如果使用固定塔，要达到钢结构施工要求，需要再布置3台36B塔吊，而在这么狭小的场地内集中这么多塔吊不现实。图2-12、采用大型机械安装由于屋盖施工现场地下是车库，楼板承载能力无法满足履带吊车或汽车吊使用要求，如采取地下支顶措施，成本非常大。因此无法用大型机械安装。3、高空分段拼装桁架采用高空分段拼装的方法。因此支撑措施必须考虑解决以下几个问题：经济性。支撑架要尽量简单，搭设和拆除方便，而且能从桁架间隙中拿出，并能重复使用。稳定性。支撑架高度在18.3m~20.9m之间，自重为4.7t~5.4t，上部荷载为4.2t~11.7t，因此要有足够的强度才能满足使用要求。能安放操作平台。由于桁架要在高空对接，对接口位置要有操作平台供工人使用和存放工具，平台需要安放在支撑架顶。4、布置行走塔的方案经过综合分析比较多种施工方案，采取在场心楼板上布置行走塔作为吊装机械，利用支撑架，采取分段吊装，高空对接的方案为最佳方案。通过实践证明，采取该方案既不影响土建施工，又充分发挥了机械性能，同时也降低了成本。三、机械选择采取布置一台行走塔（H3/36B）的方法，既满足了多塔作业的条件，又解决了结构吊装的要求，也不需要其它3台塔吊配合。1、塔式性能工作方式轨道行走式臂长50m平衡重14.2t压重90t臂端起重量5.2t轨距6m最大起重量12t起升高度55.16m2、吊装分析表序号桁架编号总长（m）分段数分段长度（m）分段单重（t）塔吊能力（t）回转半径（米）1GTR-0145.54111.168.830.50234.44131519.002GTR-0251.68114.0589.3328.80237.631214.120.003GTR-0356.93116.5789.3228.90228.39141616.00311.971014.120.004GTR-0461.22118.3489.3228.90228.39151616.00314.491014.120.005GTR-0564.57119.689.3228.90228.39151616.00316.581014.120.006GTR-0666.92120.289.3228.90228.39151616.00318.331014.120.007GTR-0768.29120.3789.3228.90228.39151616.00319.531014.120.008GTR-0868.65120.789.3228.90228.39151616.00319.561014.120.009GTR-0968.02119.3289.3228.90228.39151616.00320.311014.120.0010GTR-1066.4118.0489.3228.90228.39151616.00319.971014.120.0011GTR-1163.83116.3689.3228.90228.39151616.00319.081014.120.0012GTR-1260.33114.2389.3228.90228.39151616.00317.711014.120.0013GTR-1353.7110.2689.3228.90228.39151616.00315.051014.120.0014GTR-1449.21135.81314.120.00213.411014.120.0015GTR-1543.06132.691314.120.0010.371014.120.0016GTR-1636.63136.6313.614.120.003、行走轨道布置轨道长72m，位于E轴和F轴（图3-1、图3-2），这样可以充分利用这两条轴线上的砼柱（柱网间距8.8m×8.1m，截面0.5m×0.5m）。图3-1图3-2轨道系统的横梁两端支座安装在砼柱顶，沿塔吊行走方向布置纵梁，纵梁和横梁栓焊连接，纵梁上铺设钢枕，在钢枕上铺设钢轨（图3-3）。轨道系统的传递荷载的途径是塔吊荷载→钢轨→纵向钢枕→轨道纵梁→轨道横梁→砼柱→柱基，砼结构经设计确认不需要采取加固措施。图3-3轨道系统参数如下：长度72m横梁规格H800×4000×20×224纵向钢枕H500×3000×16×220纵梁规格H800×4000×20×224钢轨规格50kg/m钢轨间距6m纵横梁连接方式栓焊连接高强螺栓M30××80钢枕纵梁连接方式断续焊4、支撑架设置用标准节（3m/节和6m/节，横截面1.2m）组成支撑架，顶部安放操作平台（长×宽：2m×1.2~1.8m），根据对接口位置标高变化调整标准节数量，使操作平台距离上弦杆对接口0.8m~1.2m。使用时两组支撑架分别支撑在同一榀桁架的两根上弦杆上（图3-4）。图3-4由于桁架是倒三角型，自身不能稳定，因此在考虑支撑位置时选择在上弦，优势是在自重作用下桁架和支撑架形成稳定的体系。而如果选择支撑下弦，仍需要采取措施加固上弦才能稳定，而且也非常不便于操作。现场共使用了8组支撑架，可以同时满足2榀（桁架分3段）~4榀（桁架分2段）桁架的施工。支撑架高度在18.3m~20.9m之间，塔吊最大实际起重高度为45m，因此支撑架可以轻松地从两榀桁架之间的间隙（约3.4m）内吊出，在施工过程中使用非常方便。两组支撑架同时使用，结构吊装需要的稳定性也得到了很好的满足。四、结构施工1、拼装方法桁架两根上弦杆不平行，有0.43°~1.56°的夹角，桁架截面高度2380mm~2840mm，但上下弦杆在水平面上的投影互相平行，两根上弦杆和下弦杆的投影间距均为1m，如图4-1所示。图4-1针对此特点，在拼装时把桁架翻转90°采用侧拼的方法，这样既降低了拼装时的高度，同时也为每榀桁架提供了统一的拼装平台，把更改拼装平台的工作量和拼装的技术难度降到最低，见图4-2、图4-3。图4-2由于上弦杆之间有夹角，使得桁架三个侧面形成渐变的曲面由于上弦杆之间有夹角，使得桁架三个侧面形成渐变的曲面图4-3各种拼装方法对比拼装方法对拼装台要求对焊接的影响桁架稳定性正拼需要在两根上弦杆杆处搭设支撑撑脚手架，为为安装上弦杆杆和腹杆提供供操作平台，同同时也确保桁桁架稳定。支撑脚手架影响腹腹杆安装。由于每榀桁架上下下弦杆的距离离和角度均不不相同，因此此需要频繁调调整拼装台高高度和宽度才才能满足要求求。测量监控措施复杂杂，需要频繁繁调整测量监监控点。桁架拼装完后需要要放倒存放和和运输，增加加施工难度。高处焊接量大，仰仰焊缝最多。桁架呈倒三角型式式，结构不稳稳定，需要采采取措施确保保不会发生倾倾覆。侧拼拼装台高度不用调调整，提高了了施工效率。不需要支撑脚手架架，不影响腹腹杆安装。测量监控点可以重重复使用，减减少了测量工工作量。桁架拼装完和运输输时不用翻身身，减小了施施工难度。高处焊接量小，仰仰焊缝最少。结构稳定，不需要要额外的措施施。倒拼需要频繁调整拼装装台高度。不需要支撑脚手架架，不影响腹腹杆安装。测量监控措施复杂杂，需要频繁繁调整测量监监控点。由于这种状态运输输时会超高，需需要放倒存放放和运输。高处焊接量最小，需要调整上弦和地面的高度，以便于腹杆仰焊缝的焊接。结构稳定，不需要要额外的措施施。2、吊装顺序考虑到施工完毕后拆除塔吊的因素，从东向西即由里到外的顺序进行吊装（图4-4）。吊装完的桁架及时安装和相邻桁架之间的檩条，以确保桁架的侧向稳定性。图4-43、吊装步骤由于桁架相对水平面有一定的仰角，因此在吊装时采取从低处向高处施工的方法。另外为便于调整桁架的角度，采用四点吊装的方法，其中三点使用20t倒链（桁架最重15t，吊索具角度50°~60°，每根索具最大受力5.2t，保险系数3.84），见图4-5。图4-5第一步，为确保桁架上下弦杆对接口质量和安装精度，采取地面整体拼装桁架的方法，根据施工方案预留对接口焊缝间隙。图4-6整体拼装后的桁架。图4-6第二步，在地面测放出支撑架位置线，安放支撑架，为增加稳定性，支撑架之间在16m高度左右用脚手管连接在一起。见图4-7。图4-7第三步，在操作平台上测放桁架上弦杆中心轴线和标高控制线。第四步，根据施工方案要求，要在每榀桁架相应部位粘贴反光片，用于控制标高、水平位移、挠度：部位目的紧邻对接口位置的的下弦第一个节点侧侧面用于控制标高、水水平位移设计最大挠度出现现位置的下弦杆侧面面用于监测支撑架拆拆除后、檩条条安装完、施施加预应力后后、屋面系统统安装完时各各个阶段桁架架挠度的变化化第五步，吊装桁架。由于有操作平台，可以非常方便地设置千斤顶精确调整标高。已经调整完毕的各段桁架，要及时安装与相邻桁架之间的檩条，以确保桁架侧向稳定性，见图4-8。图4-8第六步，焊接完毕，探伤合格后支撑架卸载，在卸载过程中要随时监测桁架挠度。在施工过程中，各榀桁架的挠度均在设计范围内（mm）：桁架编号12345678910111213141516理论值25435977839097989485887156402511实测值81827293237464642393735323146第七步，转移支撑架准备下一榀桁架的安装。在已安装桁架下弦管内穿钢绞线，对钢绞线预紧并锚固。第八步，每吊装3榀桁架后，对此3榀桁架施加预应力至105%，即超张拉5%。张拉时设备形心与钢索重合，以保证预应力钢索在进行张拉时不产生偏心。4、测量措施施工中面临的测量环境比较恶劣：安装高度桁架的安装高度224m~322m，除对接接口位置和两两端埋件处有有操作平台外外，其它位置置全部悬空，不不便于测工作作业，图4-9。桁架下方桁架下方是二层看看台，和总包包单位交叉作作业频繁，很很难测放大量的测量控制点点并确保控制制点长期稳定定。图4-10。埋件位置埋件位置处脚手架架林立，砼结结构施工时的的模板尚未清清除。图4-10。图4-9图4-10因此采取合理的测量监控措施是确保工程进度和安装精度的重要保障。如果采用常规的测量方法，用经纬仪和水准仪进行作业，测量成果精度低、速度慢、工作量大，而且诸如轴线偏差、标高控制几乎无法进行，不能满足施工需要。钢结构安装精度的控制可以简化为选择其几何外形中的几个关键点进行观测来保证，可以根据图纸把各个埋件和桁架控制点的图纸尺寸转化为同一坐标系下的坐标值，利用全站仪具有坐标观测和激光测距的性能，采用极坐标法对埋件、桁架上预设的观测点进行点对点的监控，减少了中间环节，保证了安装精度。测量原理见图4-11。图4-11首先把全站仪架设到轴线控制点的原点上（0,0,0），调整全站仪的望远镜到90°00'00''，这时望远镜视准轴处于水平位置，以周围合适的标高控制线为后视测出仪器视准轴的标高h1，然后望远镜照准部对准主桁架上的靶标（放置在下弦），测出控制点相对于全站仪水平视线的高度h以及相对于原点的距离L，则该点的标高为S=h+h1，水平距离为L。比较实测值和设计值的偏差然后进行调整。变形观测观测项目观测时机观测方法原始观测桁架安装完成后利用全站仪观测下下弦杆上固定定观测点的坐坐标，并详细细记录。变形观测施加预应力后利用全站仪观测下下弦杆上固定定观测点的坐坐标，并和理理论计算的数数值进行比较较，详细记录录。挠度观测支撑架拆除过程中中利用全站仪观测下下弦杆上固定定观测点的坐坐标，并和理理论计算的数数值进行比较较，详细记录录。屋面系统安装完成成后利用全站仪观测下下弦杆上固定定观测点的坐坐标，并和理理论计算的数数值进行比较较，详细记录录。5、节点问题本工程桁架上弦杆两端及其腹杆通过球节点和砼柱上的埋件连接，埋件设置在砼柱侧面（图4-12）