橢球面殼體屋面鋼桁架施工淺析

胡瑞靖，諶世榮

（中江國際集團公司海外工程分公司，江蘇 南京 210008）

1 工程概況

埃塞爾比亞阿姆哈拉州議會中心建筑群項目位于埃塞爾比亞阿姆哈拉州巴哈達市青尼羅河畔。國際會議中心總建筑面約6 800 m2，半地下結構形式，地上2層，屋面頂標高為+16.50 m。鋼桁架支撐的橢球穹頂投影面積2 500 m2，其中長軸67.20 m，短軸47.20 m。鋼桁架下部混凝土結構由24根弧線形混凝土柱，由一寬0.25 m、高2.50 m的連系斜梁連接所有柱頂端，形成碗口狀的整體造型。由2榀三角主桁架，20榀單片次桁架組成的橢球面殼體屋面鋼桁架支撐于這24根弧形柱上。根據(jù)工程現(xiàn)場情況施工條件，2榀主桁架采用高空散裝法，20榀次桁架采用跨外對稱吊裝法。該工程桁架平面布置圖如圖1所示。

2 鋼構件的精細化預制作

圖1 桁架平面布置圖

橢球殼體屋面鋼桁架采用彎曲管桁架，其加工制作精度要求高。由于工程項目特殊，所處國家沒有符合要求的鋼結構廠家，因此所有管件只能進口，在現(xiàn)場進行焊接拼裝。2榀主桁架及20榀次桁架的全部管件必須按照設計圖要求進行精確下料，成型，坡口切割。對于彎曲管桁架，上、下弦橢圓曲線成型準確是保證橢球殼體屋面達到設計效果的關鍵。下料、切割的準確是現(xiàn)場焊接、拼裝順利進行的保證。特別是2榀主桁架采用高空散裝法，對此類特殊造型鋼桁架的制作、加工，必須采用數(shù)控精密切割，精確成型技術。桁架上，下弦管件按設計圖精確下料、成型，管件坡口采用半自動精密切割且下料后進行二次矯平處理，并對所有管件根據(jù)桁架進行編號。把好這第一道關的重要性在工程執(zhí)行過程中也得到充分的體現(xiàn)。不管是管件的長度把控，曲線成型，破口切割都符合照設計圖紙要求，對現(xiàn)場焊接、拼裝的質量以及對進度都起到了促進作用。

3 次桁架的現(xiàn)場拼裝

20榀單片次桁架呈中心對稱輻射狀布置，因而每種同類桁架只有四榀，總共分為5種規(guī)格，其管件的規(guī)格種類繁多，選料配料必須準確。次桁架平面圖見圖2。

圖2 單榀次桁架平面圖

這時，前期鋼構件的精細化加工制作的優(yōu)越性開始體現(xiàn)。雖然管件鋼材按大小分類裝箱到達現(xiàn)場，但都對應桁架有編號。在拼裝區(qū)放出大樣后，根據(jù)桁架編號，對應選取上弦管件、下弦管件及腹管件進行拼裝。拼裝結束后，按要求要對次桁架外形進行復檢，發(fā)現(xiàn)超出允許范圍的尺寸偏差要及時進行矯正。由于前期管件預制作的精細化加工，拼裝的所有桁架均按施工圖尺寸完成，各管件的相貫線均交匯于節(jié)點中心，尺寸誤差均在規(guī)范允許范圍內，并且完成時間比計劃工期提前10 d，加快了工程施工進度。

4 主桁架定位和組裝

4.1 主桁架定位方案

由于項目現(xiàn)場條件限制，對于跨度67.20 m的長軸及跨度47.20 m的短軸主桁架，只能進行高空散裝法。主桁架平面圖見圖3。

圖3 長短軸主桁架平面圖

為保證主桁架的順利組裝，在碗口狀區(qū)域內搭設主桁架安裝胎架。這就到了鋼桁架施工最重要的環(huán)節(jié)：確保主桁架的就位準確，既長、短軸主桁架上弦管或下弦管同一高度上的四個管件中心點落在此高度上的設計橢圓方程上，并且主桁架截面為三角形桁架，這就要確保上、下弦管件的定位準確。

首先是定位方案的確定。以確定下弦管件為例。在CAD圖形軟件同一視圖中打開桁架平面布置圖、建筑長軸剖面圖及建筑短軸剖面圖，并將兩剖面圖中心線分別與平面圖中心線對齊。根據(jù)設計，主桁架高2.50 m，上、下弦成橢圓曲線，其橢圓中心共于-8.00 m處，分別在兩剖面圖上以-8.00 m處公共橢圓圓心畫出主桁架下弦管件曲線所在橢圓。在建筑長軸剖面圖中，以所畫橢圓中心為起點，沿長軸以1.20 m為間距畫垂直于長軸的構造線①交于長軸主桁架下弦及桁架平面布置圖的長軸。過構造線①與長軸主桁架下弦焦點畫構造線②垂直于構造線①。將全部構造線②復制，再逆時針旋轉90°命為構造線③。根據(jù)同樣相對標高布置于建筑短軸剖面，與短軸主桁架下弦相交。過構造線③與短軸主桁架下弦交點畫構造線④垂直于構造線③交于桁架平面布置圖的短軸。最后，以桁架平面布置圖中心點為橢圓圓心，以構造線①與桁架平面布置圖的長軸的交點距中心距離為長軸，以構造線④與桁架平面布置圖的長軸的交點距中心距離為短軸，畫出橢圓，即為長軸主桁架與短軸主桁架下弦桿在同一相對標高上四個中心點所在的橢圓。至此，就可以在地面層標記出這些橢圓與主桁架平面布置圖長、短軸的交點，這些點即為長、短軸主桁架下弦水平位置控制數(shù)據(jù)，而高度控制數(shù)據(jù)分別是構造線①與構造線④分別交于長、短軸主桁架下弦桿的相對標高。定位方案示意圖見圖4。

4.2 主桁架組裝

圖4 主桁架下弦管件定位方案示意圖

定位方案確定后，就可以根據(jù)方案在地面標記出控制點位，按設計要求進行胎架搭設。根據(jù)定位方案得出的數(shù)據(jù)，設置支撐點。胎架必須有足夠的剛度及穩(wěn)定性，還要確保桁架支撐點的受力均勻。胎架完成后，對胎架進行水平及垂直位置檢測，確保其精確度。下面進行到主桁架的安裝：將長軸主桁架中所有構件按施工圖控制尺寸，按照定位方案在胎架上完成拼裝。拼裝過程中，確保各桿件的相貫線應交匯于節(jié)點中心。這又顯示出鋼構件精細化制作、加工的優(yōu)勢所在，拼裝完畢，其驗收結果完全符合規(guī)范要求。

5 次桁架吊裝

次桁架采用支架法施工，即吊裝階段在殼體內設置胎架支撐作為構件空間定位的依托，并解決吊裝階段的結構穩(wěn)定。胎架支撐在桁架安裝全部完成后，再卸載，拆除支撐。吊裝順序采用以短軸主桁架為中心，向長軸兩邊對稱進行吊裝。吊裝時，吊點必須設在桁架三匯交節(jié)點上。起吊時離地50 cm時暫停，檢查無誤后再繼續(xù)起吊。安裝第一榀次桁架時，吊裝到位后，在松開吊鉤前進行初步校正，底部對準次桁架支座中心線或定位軸線就位，上部對接長軸主桁架，調整其垂直度，并檢查桁架側向彎曲。各項檢查完成后，不要松鉤，與長軸主桁架校正固定，跟著安裝部分檁條，與短軸主桁架固定。這樣，第一榀次桁架與主桁架形成一個具有空間剛度和穩(wěn)定的整體。接下來，以同樣的步驟吊裝剩余的次桁架。

在次桁架吊裝期間，應建立對主、次桁架整體外形復測的監(jiān)測記錄。主桁架整體外形及整體標高需定時定期復測，做好記錄，以確保整個殼體桁架安裝精度。在吊裝工程中，安排專人對胎架進行跟蹤檢查，確保施工安全與吊裝準確度。對胎架標高進行實時復查，避免由于胎架出現(xiàn)下沉、變形等問題而造成桁架安裝錯位的發(fā)生。

6 卸載

在鋼桁架全部安裝完成，所有連接節(jié)點及整體外形、標高經驗收合格后，方可進行卸載，卸載當天的風力不得大于4級。卸載應依據(jù)結構計算分析、一切考慮結構安全采取實時監(jiān)控的措施實行。卸載時，應注意幾組支點同步對稱下降，在下降過程中，幅度不要過大，應該是逐步按對稱分區(qū)分階段按比例下降，或者用每步不大于100 mm的等步下降法拆除支撐點。

卸載過程中應有安全員和安全監(jiān)控員全過程監(jiān)測胎架，發(fā)現(xiàn)異常情況及時報告。同時對鋼桁架控制點特別是主桁架的變形進行監(jiān)測記錄，最后與計算值進行對照。

7 結語

鋼桁架要滿足橢球面殼體屋面的造型獨特、在加工，制作及安裝等各方面較高的技術與工藝要求。通過對此項目的實施過程的分析研究，總結出在橢圓殼體鋼結構工程實施過程中要注意的關鍵節(jié)點，以及橢球殼體屋面空間的定位方法。

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