大跨度钢结构屋盖施工概况

发布时间：2014-07-28 10:09

　　相对于传统的建筑结构，钢结构拥有以下优势：通过减少柱的截面面积提高面积使用率；延性好、塑性变形能力强，具有优良的抗震抗风性能，大大提高了建筑的安全可靠性；节能效果好，保温性能好；施工速度快，工期至少缩短三分之一；大大减少了砂、石、灰的用量，所用的材料主要是绿色，100%回收或降解的材料，在建筑物拆除时，大部分材料可以再用或降解，不会造成垃圾；适宜工厂大批量生产，工业化程度高。下面笔者就某大型体育馆钢结构屋盖的施工技术浅谈心得体会。
　　1 工程概述
　　深圳大运中心体育馆位于广东省深圳市龙岗区，建筑面积73000平方米，容纳观众约1.8万，主体结构为框架结构，地下一层，地上三层，局部四层。体育馆的平面为圆形，平面直径为146米，高度为32米，屋盖结构由14个形状相同的结构单元组成，其中间部分直径约50米范围内的屋盖（穹顶）由上弦杆、下弦拉杆通过直管相连组成，其截面呈鱼腹形。整个结构呈中心对称，通过14个支点坐落在+3.0米标高的混凝土结构上。
　　2钢结构的形式划分
　　整个体育馆屋盖钢结构可分为内、外两大部分，中央为直径50米截面为鱼腹形的穹顶结构，外侧为43米的环状悬挑结构，内外两部相交于穹顶外围Φ800的钢管上，悬挑的倾复力矩通过穹顶圆环状平面的环向力来承担。
　　2.1 穹顶（中央屋盖）
　　穹顶的结构形式为鱼腹形的下拉索钢结构格栅。穹顶的直径为50米，上弦杆采用圆钢管截面，中间钢管截面的立柱连接上弦杆及下弦拉杆。上弦杆、下弦拉杆汇交于穹顶外环钢管上。
　　2.2 环形悬挑结构
　　环形悬挑结构外围直径约为150米，内圆直径为50米，高度为32米。结构整体由252根直杆通过98个节点相连形成182个平面，彼此弯折组合而成。其内侧通过7杆相交节点与穹顶外环钢管相连。
　　2.3 支座
　　屋盖结构整体通过其下部14个支点坐落在+3.0米标高的混凝土结构的支座上，连接形式为铰接。
　　3 施工工艺流程
　　3.1 结构构件制作
　　放样→号料→下料切割→材料矫正→胎架制作→组装→焊接→下胎检验与预拼→打砂与涂装→成品验收及保护
　　3.2 钢结构吊装
　　编制吊装方案→构件进场、堆放→现场拼接焊缝→承重脚手架搭设→吊装→补漆、防火涂料→临时支撑拆除
　　4 施工的重点工艺及相应措施
　　4.1 铸钢节点
　　铸钢节点在钢管连接结构中是一个整体的构件，比较起焊接节点来说铸钢节点更有利于构件内部力的传递和更好的动力及静力的受力强度，同时也拥有安装方便、计算简单、维护方便、寿命长及更好的外观效果等显着的优势。相对来讲它亦具有投资成本高、质量不稳定等明显的不足之处。因此除按建筑钢结构铸钢件相关技术规程验收外，尚需对深化设计图中铸钢件壁厚给予控制。因为根据本工程主杆件壁厚的特点，铸钢节点的壁厚不是取决于其强度，而是取决于铸钢节点的外形尺寸与其铸造工艺，因此对其铸造工艺应进行动态模拟分析，确定合理的壁厚，控制合理的投资成本。目前国内生产建筑铸钢件工厂众多，产品质量参差不齐，因此选择铸钢件生产工厂时必须仔细考察，慎重选取。
　　4.2 钢管弯制
　　屋盖钢结构中的穹顶（中央屋盖）结构，其外环钢管与上弦杆均为弧形钢管，由于钢管直径较大，弯曲加工难度相当大。在选取钢结构加工企业时应对该类设备及加工能力给予广泛调研与落实，钢管弯曲加工以冷加工为宜。
　　4.3 底部铰节点
　　底部铰节点分支座与铰接板上、下两部分，加工精度高，该部分机加工后应在工厂予组装合格后方可运达现场，并在现场安装，焊接过程中慎防变形。
　　4.4 反拱量的计算
　　悬挑网架吊装时，必须综合考虑其吊装的反拱量，并进行精确的计算和严格的论证，以避免悬挑结构吊装后产生沉降偏差，对屋盖的整体提升精度造成偏差。
　　4.5 第一榀桁架施工的安全措施
　　第一榀桁架施工时其安全与稳定措施相当重要：
　　（1）在吊点附近的上、下弦杆之间加设辅助连接杆以连接加固。同时设置辅助吊点，并通过在主吊钩和辅助吊点之间加装葫芦，以调整桁架的吊装倾斜角度，确保架体吊运和安装过程中不致变形。
　　（2）主桁架绑扎前翻身后要竖立放置枕木上，均布四组人字支架支撑桁架两侧的腰部，每组支架底部用手拉葫芦牵拉牢固以防滑移。
　　（3）桁架就位后及时在相邻塔柱上安装缆绳固定，保持架体平衡、稳定。缆绳拉设位置不能影响第二片桁架的吊装。在主吊钩不脱钩的情况下检查桁架的稳固性。
　　4.6 临时支撑体系
　　由于工程最大的一个钢结构屋盖重达4980余吨，仅靠其外围底部14个支点承受其重量，内部无一根支撑。在安装过程中其构件自重及弯矩之大部均将由临时支撑体系承受，而支撑体系设置得是否合理对减少结构安装过程中的应力与安全又十分重要，因此对安装方案中的临时支撑体系应给予充分重视。根据图纸显示，临时支撑体系共分为内、外5圈，每周14根，总计70根。除外围2圈直接支撑于+3.0米标高的混凝土结构上，内圈支撑将直接支撑于看台上表面，对这些部分看台表面的承载强度应予以关注，除对其加强外，亦可用过渡梁将支撑底部受力转移到相邻的看台钢筋混凝土框架梁或柱上。
　　4.7 吊车行走通道的加强
　　体育馆现场安装工作的吊装机械一般选用大型履带吊，在场外沿体育馆外围行走，吊装悬挑桁架与侧面桁架。由于场内仅布置50~75吨履带吊供穹顶拼装用，因此只需将地坪回填土推平、压实再铺上石子硬化即可。场外行走通道选在+3.0米标高的基面上，则由于其底部建有停车库、场馆管理生活用房、设备房等设施，故须对其进行加强，且加强工作量大。因此应将加强工作与该部分砼结构施工综合考虑后一并施工，以节约投资成本。
　　4.8 构件尺寸大、刚度小
　　现场吊装时杆件长度大、截面小、刚度弱，该类杆件吊装挠度大，且平面外刚性差。因此对该类杆件除合理布置吊点外，尚应进行工况计算，必要时应给予加强。
　　4.9 测量
　　（1）土建施工的偏差：钢结构安装开工前应对土建方提交的轴线进行三方（土建方、监理、钢结构施工方）会同检测，若有偏差应给予调整、确认。如果偏差过大则应报呈设计、业主共同制定调整方案。
　　（2）测量基准点：根据方案必须沿体育馆四周设置四个测量基准点、含场内轴心点共五个，用作对杆件吊装过程中定位精度与变形的测量与监测。该点位必须用固定装置给予固定，周围应围有防撞围栏。
　　4.10 卸载
　　钢结构安装结束，经第一次验收合格（卸载前）后，必须将安装过程中设置的临时支撑体系拆除，这一过程即称为卸载。由于卸载是将钢结构在安装过程中加载于临时支撑上的自重逐步消除并过渡至钢结构自身体系形成均衡受力状态。由于这一过程属动态转移过程，因此整个卸载过程必须保持在“合理、有序、平稳、缓慢、均衡过渡”的状态下分阶段进行。
　　5 监理控制措施
　　5.1 事前预控
　　（1）深化设计监控：对制作单位的细化设计进行审核，保证不得随意改变原设计，又能确保工程施工、制作的可行性、合理性、科学性，指导构件的制作加工、合理分段、方便构件的运输及安装，深化设计图必须得到原设计单位的确认。
　　（2）原材料的监控：审核制作单位的订货清单，确保在材质、型号、数量、交货状态、特殊要求等符合设计要求，避免错订、少订，造成二次采购。所有进场材料都要求经过监理验收，根据材料出厂合格证上内容核对每批材料的炉号与批号，外观检测合格后按国家相关规范及设计进行见证取样，并委托第三方检测机构进行物理、力学性能试验，合格后方允许制作单位投入本工程使用。重要结构的钢材要督促制作单位作好跟踪记录。
　　（3）焊接人员的监控：钢结构工程的质量与焊接人员的素质息息相关，所以监理人员对焊工的审核尤为重要。参加该工程焊接的焊工都应持有有效的行业指定部门颁发的焊工和证书，严格持证上岗从事与证书等级相应的焊接工作，重要结构的装配定位焊接，要由持定位焊工资格证的焊工进行操作。正式施工前，督促制作单位对焊工进行针对本工程难点部位的焊接进行培训，合格上岗，确保质量。
　　5.2 事中监控
　　5.2.1 结构构件制作部分
　　（1）放样、号料的监控：放样和号料是整个钢结构制作工艺中的第一道工序，也是至关重要的一道工序，放样工作的准确与否将直接影响工程的质量，所以有条件的情况下，尽可能的督促制作单位采用计算机辅助放样和号料，以提高工作精度和效率。监理人员要加大检查范围，不定期进行抽检。
　　（2）下料切割的监控：钢材的切割可以通过冲剪、切削、磨擦等机械力来实现，也可以利用高温热源来实现，根据设计要求、切割表面质量情况及经济性等因素，协同业主选择一种或几种切割方法作为本工程的切割方法，最好能采数控技术的切割方法，下料前应根据工艺要求预留制作和组拼时的焊接收缩量，检查坡口质量。
　　（3）材料矫正及弯曲的监控：钢板切割的采用专门的钢板矫正机矫平，使用2M靠尺检测平整度，钢管及型材的弯曲最好采用弯曲机械完成，采用弧形样板检查（计算机放样），精度满足设计要求。
　　（4）胎架制作的监控：胎架必须牢固，具有足够的刚度，其设置必须方便施工，确保构件的成型精度。在几何定位时要考虑焊接收缩，结合工艺试验预放合理的收缩余量，验收后方能投入使用。
　　（5）组装的监控：组装前，根据施工详图复核其需组装零件的质量，对于原材料的尺寸不够，或技术要求需拼接的零件，一般必须提前拼接完成。采用胎模装配时，组装出首批构件后，必须验收合格后方可进行继续组装。
　　（6）焊接的监控：焊接是钢结构工程质量监控的重要监控点，必须采用经工艺试验确定的施工工艺进行焊接，严格按焊接规程进行操作。
　　（7）焊前检查：构件必须牢固固定在刚性胎架上，焊接坡口两侧50MM范围内的油污、铁锈、氧化皮、水分等必须清理干净，坡口角度、间隙满足设计与施工工艺要求，笔耕文化推荐期刊，坡口角度、间隙均匀，有垫板的要求紧贴，结合工艺试验取定的焊接收缩余量，检查构件各零件的定位焊质量精度及几何尺寸，合格后作好检查记录方可施焊。
　　（8）焊接控制：督促制作单位严格按照施工工艺进行操作，从焊接设备，焊接程序、电压、电流、焊材使用、焊层及焊接速度等方面进行控制。为消除焊接顺序对焊接变形及焊后残余应力的影响。在焊接时尽量实行对称焊接，让结构受热点在整个平面内对称均匀分布，从中间向两端均匀对称分层施焊。熔透焊缝的打底焊要认真处理，焊接时要严格控制层间温度，并清理干净前道焊缝的药皮和飞溅等后才允许施焊下道焊缝。多层多道焊时各层各道的接头应错开，立焊的施焊方向自下向上，不允许任意在工作表面引弧损伤母材，引弧要在铺设钢材或焊缝中进行。焊条必须按规范进行烘焙，放置在保温筒中使用，其烘焙次数不得超过二次。特殊材料要进行预热。外场作业时，焊接区域应设置防风、防雨装置，并注意焊接时的空气湿度的影响。
　　（9）焊接检验与返修：焊缝外观应均匀、平整，不应有裂纹，焊瘤、气孔、弧坑、咬边、未满焊等缺陷，量尺测是焊缝的几何尺寸是否符合设计要求。焊缝冷却24小时后，根据焊缝的级别与设计要求可进行UT控伤、磁粉探伤、拍片检验，发现超标缺陷时，分析其产生的原因，提出改进措施，清除缺陷至两边50MM范围重新施焊、检验，同一部返修次数不得超过两次。
　　（10）下胎检验与预拼监控：构件下胎前要求在其自由状态下进行几何尺寸测量，对于吊装现场需要拼接的接头进行预拼，并标出中心线、定位线、对合线等标志。在大接头处设置定位连接件，检验合格后方可交付涂装。对于有害的残余应力可以通过高温回火，机械拉伸，振动法进行消除，构件进行编号，方便吊装施工查找。
　　（11）打砂与涂装的监控：喷砂处理之前，清除构件表面焊渣、飞溅，用适当的溶剂或清洁剂去除表面的油脂的污物，喷砂要求达到设计要求的组别，保证表面粗糙度，检查合格后立即进行防锈漆施工（其间隔不超过6小时），干膜后进行防火涂料的施工。监理人员通过磁性测厚仪对防锈漆、防火涂料的厚度检测，并做好检查记录。对于吊装现场需要焊接拼接的接头双边50mm范围内加以保护，不涂装。
　　（12）构件运输现场吊装部分：运输时要注意成品保护，捆绑牢固，尽量避免擦皮和构件的几何变形。
　　5.2.2钢结构现场吊装部分
　　（1）吊装方案的审核：审核吊装方案的科学性与可行性，由专业监理工程师审核起重机构、机具、吊索及测量检验工具仪器的基本参数、精度确定其使用的合理性。
　　（2）构件进场、堆放的监控：专业监理工程师对进场构件组织验收，除构件规格、型号、数量、产品质量证明外，还需对运输过程中易产生变形、易损部位进行专门检查。进场构件分类、编号、标示重量、重心，分类堆放。堆场设置及堆放方法要合理，尽量避免构件二次运输及堆放造成几何变形。
　　（3）现场拼接焊缝的监控：执行构件制作部分监控措施，预放焊接收缩量，超长构件的拼接留适当的预放量抵消焊接变形，拼接时核对制作预拼时标识的中心线、定位线及对合线。
　　（4）吊装前监控：监控滑道安装精度和轨道设计质量。监控钢绞线在支座锚固和牵引锚座质量。监控滑移过程的同步性，并全过程进行同步测量、同时严格控制滑移速度，特别是起动和停止时，避免滑移过程出现不正常的抖动现象。每滑行8.6m桁架间支撑系统安装质量。支座转换过程监控，包括轴线、坐标调整、顶升、割除槽钢桁架下降桁架支座就位、拧紧支座螺栓。
　　（5）吊装监控：起吊之前进行吊点布置，吊耳强度验算，安装吊耳，吊点要放置扁担，并考虑吊装完成的高空操作施工安全装置的设置。标示构件中心测量标志，并确保测量标志在吊装完成后测量的可视性、准确性、方便性，对于就位后有一定角度的构件，设置安全调节绳、导链，调控就位角度。
　　（6）起吊时注意起吊速度及两台吊车的同步控制，调整就位角度，吊装就位后用测量仪器对已标示在构件的测量标示三维坐标、轴体进行复核无误，可靠固定后方准松钩。对于高空拼接构件，检查临时支撑设施的安全性，拼接口两侧标出对合线，以利于拼接就位的方便性及准确性。对于跨度比较大，拆撑时有下沉的构件，要设置调节机构，可通过其进行位置较正及科学拆撑，滑移过程卷切监控两端同步工作。
　　（7）高空作业监控：本工程檩条安装各部分必须在高空完成，因此督促施工系统设置相应的作业脚手架及安全防护装置，以确保安全生产。
　　（8）拆撑的监控：在所有焊接都已完成，并通过监理验收（外观、内部），根据变形协调、卸载均衡的原则进行拆撑。主要控制拆撑前所有拼装焊缝均应清理干净并按施工工艺做好防锈、防火处理。
　　（9）临时支撑拆除：临时支撑拆除应从中间向两边间隔拆除，并督促施工单位采取相应措施确保支撑拆除时的安全、稳定。
 

 

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