大跨度球面网架施工工法

大跨度球面网架施工工法大跨度球面网架施工工法编制单位：同意部门：工法编号：重要执笔人：TOC\o"1-3"\h\z1特点 22合用范畴 23工艺原理 25质量原则 76劳动力组织 87安全方法 88重要施工机具 99经济效益 9在大跨度球面网架构造施工中，充足运用球面穹顶的几何特性，较低的外沿部分采用小单元地面预制空中组拼；距地面较高的中心圈部分，采用整体吊装办法，最后在空中把外沿和中心圈组焊成整体，最大程度地减少了脚手架用量并确保了工程质量和安全生产。这种安装办法，既体现了整体吊装的优点，又克服了散装法的局限性。大跨度球面网架构造的施工办法，于1994年元月份通过了中建总公司（省部级）组织的技术鉴定。专家们认为这项技术，突破了常规施工模式，含有一定独创性和先进性，成套技术开发应用弥补了我国大跨度球面网架构造制作及安装的空白，达成国内领先水平，网架施工质量达成国际先进水平。该项技术1994年获总公司科技进步一等奖，该项技术的应用工程—天津体育中心第43届世乒赛主赛馆，1995年获鲁班奖。该馆屋面为108m跨度的球面网架，覆盖直径135m，中心圈顶点高35m，是我国及亚洲最大的穹顶构造。通过实践，总结编写本工法。1特点1.1根据球面网架构造特点和其下部构造状况，将网架划分成若干个环带，采用了外几圈小单元地面预制逐圈由外向内高空组拼和中心圈地面预制整体吊装相结合的施工工艺；1．2地面小单元预制采用坐标系旋转的办法，把原设计球节点坐标转换成新坐标系，这样减少了预制胎具的高度。节省钢材，减少高空作业；1．3运用看台和穹顶外圈标高低的特点，减少了脚手架用量；1．4中心圈高，中间无看台，采用整体吊装法。地面组焊成形一次起吊到位，运用一根抱杆，起吊时揽风绳系在外圈上，减少了揽风绳长度；1．5通过实验测出焊缝收缩量，编制合理的焊接程序，有效地控制焊接变形和消除焊接应力；1．6采用远红外测距仪、水平仪、经纬仪，运用地面永久标记的圆点控制球节点三维空间坐标。2合用范畴2．l适合大跨度球面网架构造；2．2适合大跨度中间高外沿低的曲面网架构造；2．3适合大跨度平面网架构造。3工艺原理3．l任何一种球冠如果把它水平投影，沿半径方向划分为几个球带，沿球冠圆周等分后每环带所得的单元体是相等的。这样球面网架小单元地面预制胎具的种类就对应减少了，等于划分的环带数节省了材料；3．2无论是外圈的高空组焊，还是中心圈的地面组焊，都以小单元为单元体。因此只要提高小单元预制精度，确保其几何尺寸，就能确保组焊后的网架整体各球节点坐标。小单元的球节点坐标靠胎具确保；3．3小单元地面预制，操作方便，减少高空作业，减少误差积累。由于采用坐标平衡、旋转（见图3．3），减少了预制胎具的高度。通过数字计算，把原设计的坐标换算新坐标，有效地控制了小单元制作每个球节点的三维空间位置，确保了小单元精度，也为高空组拼和中心圈地面组拼提供了数据的确保。如果以Y轴旋转又将小单元网架放倒，使1球和2球连线与X轴重叠，此时新坐标系的值发生变化，XYZ为新坐标，则它们与原坐标的关系是：X=xcosα+zsinαY=yZ=zcosα=xsinα3．4有关三维空间控制原理，对于球面体，地面圆心控制点是核心。因此从外向内组装就便于控制。把原设计的坐标换算成极坐标就更方便了。对球面径向每个球节点要满足球面方程式（1），对于纬向环状球节点要满足圆的方程式（2）。x2+y2+z2=R12R——为球的半径x2+y2=R22R。——为圆的半径3．5按公式（1）可校核Z值Z2=R12-X2-Y2按公式（3）校核两杆件长度L：4施工工艺4．l安装区段的划分4．1．1中心圈直径的拟定原则首先要计算准备用来吊装中心圈网架的单根格构式抱杆起吊能力和稳定性，根据已有（或新设计）抱杆起吊能力选定中心网架的直径（吊装重量）。然后再计算所选定直径的中心圈网架因自重引发的变形，并通过现场试吊校核变形值。通过测试，普通43kg／m2的网架中心圈直径选在30－50m为宜。4．1．2外沿逐环带的划分原则整体吊装的中心圈网架的直径拟定后，把剩余外圈分为若干环带。根据吊装高度和吊车的吊装能力，适宜的选择小单元的体积和重量。小单元的长度正好等于所划分环带的宽度。小单元的宽度应当不不大于经向两个球节点为宜。在吊装能力允许的条件下尽量扩大小单元的体积。小单元以球节点开始到球节点结束。在同一环带小单元尺寸应相等采用同一尺寸。由外向里圈逐步增高，吊装能力下降，应适宜减小小单元的尺寸和重量，网架单重在43kg／m2时小单元可选择12～20m长为宜。4．2小单元的预制4．2．l专用胎具网架小单元应在专用的胎具上制作，以确保杆件和节点的精度和交换性。首先在扎实的地基上铺设道木，在道木上铺设16－20mm钢板构成钢平台（钢平台大小根据小单元尺寸而定，钢板平整度规定在1／1000以内）。然后在钢平台上用换算后的X、Y、Z坐标拟定每个球节点的空间位置，用钢管作为球节点的定位支座，该定位支座高度可进行微量调节。支座钢管的直径根据球的大小而定，普通在φl08－φ159范畴内，在选定的坐标系中用仪器精确校核各球节点的空间位置，校核杆件长度。4．2．2空心球空心球能够自制或定货。空心球的钢材宜采用国标《碳素构造钢》GB700－88规定的3号钢或国标《低合金构造钢技术条件》GB1591—88规定的16Mn钢，产品质量应符合行业原则《钢网架焊接球节点》JGJ75．2－91规定。4．2．3钢管杆件长度的计算根据设计图纸两球中心距，并考虑组对间隙和焊缝收缩量，计算钢管杆件加工长度（见图4．2．3），钢管杆件长度计算公式以下：L--为两球设计中心距L1--件加工长度R1、R2--空心球外圈半径a--钢管杆件内半径b--每道焊口组对间隙c--每道焊口焊缝收缩量（其值通过实验拟定）4．2．4钢管杆件的下料加工焊接球节点的钢管杆件宜采用车床下料并车制坡口，杆件长度允许偏差为±1mm。4．2．5小单元的焊接次序小单元拼装应选择合理的焊接工艺次序，以减少焊接变形和焊接应力。焊接次序应从小单元中间向两端发展，以确保每道焊口都能自由收缩。无论在任何状况下都不得同时施焊同一杆件上的两端焊口。小单元焊接次序见图4.2．5—l。小单元组焊程序见图4．2．5—2。焊接工艺第一层焊缝按次序施焊材料复验车床下料焊接工艺第一层焊缝按次序施焊材料复验车床下料对口考虑收缩量后核对尺寸焊缝收缩值实验无损检测三遍施焊至焊完从胎具吊下校核算际尺寸焊条烘干下道工序4．2．6小单元吊运当小单元在专用胎具上完毕第一遍焊接后，可从专用胎具上吊下平稳的放在钢平台上，进行第二遍焊接直至全部焊完。这样能够充足运用胎具，进行流水作业，提高工效，然后用履带吊车吊运到高空组拼的预备场地，进行下道工序。4．3外沿逐圈的高空组焊4．3．1脚手架的搭设脚手架塔设可和小单元预制同时进行，由于外沿逐圈从外向里进行组拼，脚手架搭设次序也应从外向里逐圈进行。脚手架搭设应能满足现场施工需要，重要承受荷载为：构件重量、施工人员运动荷载、对点焊定位的预制单元进行微量调节、避免变形方法中临时支撑、连接杆件的重量等。脚手架材料应符合有关规定规定。其扣件螺纹完好，其紧固力矩为39－49Nm（4-5kgfm）最大不超出59Nm。脚手架参数的拟定及校核根据为“《建筑施工手册》、9－l脚手架工程”及该章节中的部分图表，根据搭设高度套用表中“砌筑”型脚手架由表来拟定立杆纵横间距a、b。我们根据高度荷重拟定a＝1．2mb＝1．6mh＝1．6mh—步距根据a、b、h，由于9－10查得允许搭设高度为Hmax＝68（作业层数为1）。未考虑到实际搭设中多个因素的影响，手册中规定增加安全系数1．5－1．7，则脚手架搭设最大安全高度为：脚手架立杆下方最佳能放支撑座。在回填土场地搭设脚手架时，立杆下面必须最少加垫木，回填土必须是已扎实。必要时木板上方应放槽钢。脚手架搭设次序为：扫地杆→逐根立杆→立杆与扫地杆扣紧→扫地小横杆并与立杆或扫地杆扣紧→安第一步大横杆（与立杆扣紧）→安第一步横杆→第二步横杆→加设临时斜撑杆（上端与第二步大横杆扣紧）→第三四步大横杆和小横杆→联墙杆→安立杆→加设剪刀撑→铺脚手板。立杆垂直偏差：架高在30m以内时应不不不大于架高的1／200。其它大横杆、小横杆、剪刀撑等偏差都应在规定内。在铺设脚手板的操作层上必须设护栏和挡脚板。栏杆高度为0．8－lm。挡脚板亦可加设一道距脚手板面0．2－0．4m的低栏来替代。垫板必须铺平放稳，不得悬空。4．3．2三维空间坐标的控制大跨度球面网架构造，球节点空间定位必须使用精密仪器，因此需要把原坐标转换成极坐标，以圆点转角测距、高程定位的办法来拟定球节点的空间位置。使用经纬仪、远红外线测距仪、水准仪才干达成设计精度。国内外大量资料表明，以圆点中心定位，从外圈向里安装含有更多的优点，它能够减少封闭误差。我们根据吊装能力由外想内中心分为四环带，采用流水作业。小单元地面预制后，逐环带空间组拼。每个环带上的小单元球节点都在脚手架上设球底座。这个底座经测量后三维空间坐标完全和小单元各球节点相对应。应校核尺寸和坐标并统计。由于从外向里流水作业，使三仪定位法（见图4．3．2）得以实现。脚手架上的球底座应当做成便于调节的形式调节好后应临时固定。4．3．3高空组拼（见图4．3．3）小单元预制在场馆外，由于场馆内为吊车吊装运输场地。采用8Ot履带吊车能够解决水平运输和吊装，它比塔吊更有优越性。组对次序应选任一适宜直径为基准对称进行。在两对称的半圆内，从中间向两侧进行。整个环带留两个自由伸缩缝，使组焊时产生的焊接应力得以消除。确保连接杆件焊口的收缩得以实现。各小单元构件在连接时可使用简朴工具进行位置的调节。当l、2两圈逐个小单元组焊起来后，再用杆件将l、2两圈连接组焊起来，当第3圈逐个小单元组焊起来后，再用杆件将其和第2圈连接组焊起来，直至完毕。小单元高空组拼用80t履带吊吊装。材料理化复验预制平台搭设材料理化复验预制平台搭设单元胎架测量杆件车床下料球体预制单元球接点坐标定位脚手架搭设三维空间定位单元组对焊接地面防腐解决空间组对无损检测尺寸复验统计焊口刷油连接焊口无损检测焊接整体尺寸校核吊装第二圈循环4．4中心圈吊装（见图4．4）中心圈即为第三圈以内的中心部分（第四圈为悬挑部分）。该部直径大小取决吊装能力。我们取中心圈直径为35m，重32t。中心圈的网架在地面组装。小单元预制完毕在中心抱杆立起后从外向里组焊。中心抱杆预留部分待吊装就位拆除抱杆后再进行组焊。中心圈网架组焊完了后，将中心预留部分的连接杆件、球等都放在网架的脚手架上一起起吊。起吊时先试吊测变形，如果无变形经几次试吊后可起吊。抱杆的揽风绳系在已组焊完的第三圈网架上。用1200×1200格构式钢抱杆。抱杆总长40m（长度可接长和缩短），最大吊重45t，采用两侧对称吊装。吊装到位后，将中心圈网架用导链固定在设计标高位置。并和三圈对应球找正。然后连接中心部分和第三圈脚手架进行安全防护后组焊连接杆件。特别注意将卷扬的牵引绳锁住，进行双保险。由于网架的几何尺寸和空间坐标在地面上已进行找正和校核，因此吊装就位后只找相对位置即可。全部组焊完毕了拆除抱杆。具体计算可根据双卷扬对称起吊单根抱杆进行计算。4．5中心圈抱杆的拆除中心圈网架和外圈合拢后，整个球面网架已经完毕，中心抱杆超出穹顶，拆除办法，用80t履带吊车，将抱秆吊起，从下部逐节卸掉螺栓。用20t吊车将底节吊除，以这类推。当抱杆拆除后再将穹顶最高点（抱杆超出部分留的孔）空缺部分用球和杆件连接起来。5质量原则5．l技术条件5．1．l材料及焊条应按《GB700－88》、《GB5ll7》《GB5ll8》规定规定，严格进行物理、化学、力学性能复验。5．1．2钢球应符合《钢网架焊接球节点》JGJ75．2—92规定，球几何尺寸偏差见表5．1．2。球几何尺寸偏差表5．1．2项目直径极限偏差优质品合格品球直径D＞300±1.5±2.5球圆度D＞300≤1.5≤2.5壁减薄量≤10%且≤＜1.2≤1.3%且≤＜1.5两个半球对口错边≤0.5≤1.0焊缝高度-1.5-1.5球应进行力学实验，其极限承载力应按JGJ752--91表1、2规定。加肋球、肋板应位于上下弦本身平面内。5．1．3支座平整度，规定板两端偏差应≤3mm，相邻支座高差不大于L1／800，且≯300mm（L1--为两支座距离）。5．1．4无缝钢管件允许长度偏差为±1mm，单件高允许偏差±2mm，上弦对角线允许偏差±3mm，上下弦节点中心偏差2mm，分条或分块网架单元长度不不不大于20m时，拼接边长度允许偏差±10mm，当条或块的长度不不大于20m时，拼接边长度允许偏差为±20mm，在总拼装前应精确放线，放线的允许偏差分别为边长及对角线长的1／10000。5．l．5焊接按GBJ205《钢构造工程施工及验收规范》规定进行。受拉焊口20％超声波探伤（但施工中实际扩大到50％超探），规定二级焊缝。5．2引用原则：JGJ7—91网架构造设计与施工规范；GBJ205钢构造工程施工及验收规范；GB699优质碳素构造钢号及普通技术条件；CB3087低中压锅炉用无缝钢管GB222钢的化学分析试样取样法及成品化学分析允许偏差；GB228金属拉伸实验法；GB223铁及合金化学分析法；GB2975钢材力学及工艺性能实验的取样规定。JGJ75．2--91《钢网架焊接球节点》6劳动力组织劳动力组织见表6．l。天津体育中心主赛馆、球面网架劳动力每班作业人数表6．l工种人数工作地点责任范畴总指挥l整个施工现场负责各方面协调工作，对工程进度，质量安全负责。是工程总负责人。副指挥2整个施工现场一位负责生产调度，一位负责技术管理。焊接责任工程师l负责小单元制作及现场安装对全部焊接工艺、焊接质量，无损检测，进行把关、控制。焊接工程师1负责小单元制作及现场安装跟班、进行焊接程序把关，技术交底，焊接统计，资料的整顿构造责任工程师l铆焊现场对全部工程的作业负责。贯彻施工组织设计，工艺程序把关，解决技术问题。构造工程师1铆焊现场进行跟班质量把关、技术交底，解决技术问题，施工统计检查，整顿资料，计算机解决。安全员2施工现场及生活区进行安全交底、检查、督促、安全教育，对安全生产负责。检查安全方法贯彻，提出隐患。质量检查员1施工现场及生活区负责质量原则和质保体系运转的检查。对产品检查订立意见。材料责任工程师1材料仓库及施工现场对全部采购的材料规格、型号、质量负责。负责提供材料合格证及办理复验。材料员2仓库、现场负责采购、保管及发放手续、对材料检查、计量。现场回收测量员4现场负责测量、数据积累、复查测量数据，绘制测量图铆工36其中12人预制24人高空组拼负责小单元预制组对及高空组拼及中心圈组拼电焊工38其中12人预制焊接，26人高空组焊负责焊接作业，质量责任贯彻到人头，每道焊口打钢号汽焊工4现场预制，现场组焊负责汽焊、汽割作业车工2预制场钢管杆件下料及坡口加工油工6预制场除锈刷油起重工20现场小单元体的运输、高空吊装及中心圈吊装架子工50现场脚手架搭设及拆除，按计划和图纸规定进行。涉及脚手管扣的修理及现场力工活。总计1737安全方法本工程高空作业多，施工难度大。对于高空作业的安全方法尤为重要。7．1脚手架的搭设一定要按规程进行，在稳定的问题上要有1．7倍的安全系数（按手Hmax要增大1．7倍）有关脚手架的稳定问题哈建院徐学宝专家进行了研究实验。在没有精确实验基础时尽量按手册规定搭设；7．2脚手板要两端绑在脚手