浠水縣雜技館鋼結(jié)構(gòu)球面網(wǎng)殼施工關(guān)鍵技術(shù)

金建勇，樓政權(quán)，徐閩濤，陸海濤

(中天建設(shè)集團(tuán)浙江鋼構(gòu)有限公司，浙江 杭州 310008)

?

浠水縣雜技館鋼結(jié)構(gòu)球面網(wǎng)殼施工關(guān)鍵技術(shù)

金建勇，樓政權(quán)，徐閩濤，陸海濤

(中天建設(shè)集團(tuán)浙江鋼構(gòu)有限公司，浙江 杭州 310008)

摘要：湖北省浠水縣雜技館項(xiàng)目外罩面是由矩形截面桿件構(gòu)成的球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)采用NΦN鼓式節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過方案比較，本工程搭設(shè)局部腳手架，采用小拼單元內(nèi)擴(kuò)高空散裝法對球面網(wǎng)殼進(jìn)行安裝施工。在此，詳細(xì)介紹該球面網(wǎng)殼的測量定位、小拼單元預(yù)拼裝、安裝及質(zhì)量控制等關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：球面網(wǎng)殼；安裝；小拼單元；測量定位

單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡潔，網(wǎng)格劃分靈活、造型美觀，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單、安裝方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，備受建筑師們的青睞。但是也存在整體穩(wěn)定性差、節(jié)點(diǎn)剛度要求大、施工控制難、對缺陷敏感等一系列問題，以致大大限制了該類網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展[1]。

浠水雜技館外罩面球殼跨度56 m，矢高32.33 m ，矢跨比約4/7，是典型的超半球單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。網(wǎng)殼由于矢跨比大，網(wǎng)架承載力降低，結(jié)構(gòu)曲面變化大，施工難度增大，技術(shù)處理上較復(fù)雜，因而在應(yīng)用方面較少見。本文對其空間三維坐標(biāo)控制、安裝方案等施工要點(diǎn)進(jìn)行了分析闡述，為以后類似工程施工提供一些經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

1工程概況

浠水雜技館位于湖北省浠水縣，建筑高度37.90 m，總建筑面積11 000 m2，鋼結(jié)構(gòu)部分包括外罩面球面網(wǎng)殼、中部鋼桁架演藝訓(xùn)練平臺及內(nèi)部懸掛馬道等。網(wǎng)殼頂標(biāo)高36.53 m，直徑56 m，頂部設(shè)有通風(fēng)井及吊頂，每個三向單元面層鋪設(shè)連接件，支撐外部三角錐形玻璃幕墻和鋁板。

整個球面網(wǎng)殼由NΦN鼓式節(jié)點(diǎn)和矩形鋼方管桿件組成，從基礎(chǔ)至頂部共分19環(huán)，由兩部分組成，其中一區(qū)(1至15環(huán))為葵花形三向網(wǎng)格體系，頂部二區(qū)(16至19環(huán))為加強(qiáng)的雙層組合網(wǎng)殼。球殼桿件截面尺寸為□150×8、□130×8，節(jié)點(diǎn)采用圓管φ351×16加上下蓋板(圖1)，均采用Q345-B鋼材。支座采用鉸接平板支座支承于下部主體結(jié)構(gòu)上，共72處，通過加強(qiáng)環(huán)向桿件與支座的連接，有效解決了下部主體剛度和溫度變化對單層球殼的影響問題。

球面網(wǎng)殼立面見圖2。

圖1　鼓式節(jié)點(diǎn)

圖2　網(wǎng)殼立面圖

2安裝方案選擇

2.1地面拼裝、高空吊裝法

需在網(wǎng)殼周邊設(shè)立4～6塊臨時拼裝場地，對拼裝場地進(jìn)行硬化加固處理，把整個網(wǎng)殼分成若干片，在周邊拼裝場地上設(shè)立專用胎架，進(jìn)行網(wǎng)殼分塊中拼，然后分塊吊裝。

2.2高空散裝法

高空散裝法是指網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的桿件和節(jié)點(diǎn)或事先拼成的小拼單元直接在設(shè)計(jì)位置總拼，拼裝時一般要搭設(shè)全支架，有條件時，可選用局部支架的懸挑法安裝，以減少支架的用量[2]。

全支架安裝法，一般是將面層按網(wǎng)殼曲面形狀搭成臺階狀，每層臺階按規(guī)定標(biāo)高鋪設(shè)腳手板，再用小型可調(diào)支承工具支承節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)殼在設(shè)計(jì)標(biāo)高一次拼裝完成[3]。

2.3方案比較

1)施工資源滿堂腳手架法只要有一般的起重機(jī)械和鋼管腳手架即可，無特殊要求。吊裝法不但對整個施工現(xiàn)場的施工道路、人員等有更高的要求，而且需投入大型吊裝機(jī)械。

2)工程進(jìn)度采用滿堂腳手架一次性投入較大，不利于立體交叉作業(yè)，進(jìn)度較慢。采用吊裝法，在拼裝場地先拼裝后吊裝合攏，工期較快。

3)經(jīng)濟(jì)性采用滿堂腳手架施工只是鋼管架的租賃費(fèi)及拆裝費(fèi)，比較便宜。采用吊裝法施工，每片重量較大，需采用200t汽車式起重機(jī)吊裝，起重機(jī)租賃費(fèi)和施工道路上都將投入較大。

4)質(zhì)量在滿堂腳手架工作平臺上作業(yè)，施工質(zhì)量容易控制。高空吊裝法對結(jié)構(gòu)的拼裝精度要求高，受構(gòu)件制作精度影響大，且容易產(chǎn)生施工安裝初應(yīng)力。

5)安全全支架法可采用通常的安全防護(hù)在高空作業(yè)。吊裝法在中拼單元就位和單元間拼接時的高空作業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、進(jìn)度、質(zhì)量、安全角度考慮，本工程決定采用高空散裝法進(jìn)行安裝。1～8層環(huán)網(wǎng)格采用局部支撐架+小單元拼裝進(jìn)行順做懸挑安裝，自下而上遞進(jìn)，合攏內(nèi)擴(kuò)施工；9～19層環(huán)網(wǎng)格采用全支架法安裝。

3施工技術(shù)及控制要點(diǎn)

3.1網(wǎng)殼安裝順序

測量定位放線→腳手架支撐架搭設(shè)→小單元預(yù)拼裝→小單元現(xiàn)場吊裝→全站儀測量定位→節(jié)點(diǎn)焊接→坐標(biāo)及焊縫檢測→整改驗(yàn)收→表面涂裝。

3.2支撐架設(shè)計(jì)

采用安全可靠的滿堂腳手架支撐作為主體支撐系統(tǒng)，其中第1～8環(huán)支撐架搭設(shè)在已施工完成的混凝土結(jié)構(gòu)上，采用局部滿堂腳手架；從第9環(huán)至網(wǎng)殼頂部采用滿堂腳手架，腳手架支撐搭設(shè)在已施工的桁架平臺樓面上。腳手架搭設(shè)剖面見圖3。

滿堂腳手架橫向間距1.2m×1.2m，步距為1.2m，腳手架最高搭設(shè)高度為12.200m。每層工作平臺的高度為每層鼓式節(jié)點(diǎn)下200～300mm。經(jīng)驗(yàn)算分析，桁架平臺樓面滿足設(shè)計(jì)及施工荷載要求。

我們借鑒腳手架U型支托并結(jié)合矩形鋼管截面，制作了專用的可調(diào)式支撐工具(圖4)，用以調(diào)節(jié)支撐并固定鋼結(jié)構(gòu)和腳手架之間的連接。該支撐工具構(gòu)造簡單、使用靈活，給鋼結(jié)構(gòu)的安裝定位帶來了較大的便利。

3.3網(wǎng)殼安裝順序

1)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)第一圈安裝：首先在地面進(jìn)行分塊預(yù)拼裝，每塊構(gòu)件包括一個鼓式節(jié)點(diǎn)和兩根桿件(徑向桿)，形成單個三角形。用小型汽車吊進(jìn)行吊裝就位，調(diào)節(jié)可調(diào)式支撐工具來調(diào)整就位位置。兩個相鄰的小拼單元吊裝完成后，安裝水平環(huán)向桿件。分2個班組，以此類推把總共72塊構(gòu)件安裝完成(圖5)。

2)從第二環(huán)開始，小拼單元擴(kuò)大，包括兩個鼓式節(jié)點(diǎn)和5根桿件(含4根徑向桿和1根水平桿)。吊裝完相鄰的擴(kuò)大小拼單元后，也要立即連接中間的水平環(huán)向桿件(圖6)。

3)本環(huán)焊接合攏，經(jīng)測量和檢驗(yàn)合格后按從下向上分段分區(qū)逐層安裝。

4)采用這種方法吊裝的優(yōu)點(diǎn)有：小單元重量較小，對吊裝機(jī)械設(shè)備的起重能力要求小，便于操作人員靈活安裝；測量和調(diào)整安裝單元時可以對每個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，保證將每個節(jié)點(diǎn)安裝的實(shí)際坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)誤差降到最低限度。

5)第3至13層環(huán)的安裝方法與第2層環(huán)相同(圖7)。

圖3　支撐架設(shè)計(jì)立面圖

圖4　可調(diào)支撐工具

圖5　首層環(huán)小單元吊裝

圖6　2層環(huán)小單元吊裝

圖7　第3～13層環(huán)小單元吊裝

6)第14層環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抽桿，安裝時，小拼單元也有所變化，每個小拼單元采用“個字形”小單元吊裝，即由一個鼓式節(jié)點(diǎn)和3根徑向桿件組成。安裝方法同上。

7)第16層環(huán)至19層環(huán)為網(wǎng)殼頂部通風(fēng)井，為雙層組合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，安裝采用高空散裝法。在全支架上滿鋪腳手板形成工作面，構(gòu)件到位后高空進(jìn)行拼裝(圖8)。

8)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)安裝完成后，形成閉合完成的球面網(wǎng)殼，便可進(jìn)行外圍檁條和鋁板、玻璃的安裝。

圖8　通風(fēng)井頂部小拼單元

3.4小單元拼裝關(guān)鍵技術(shù)

在鋼構(gòu)散件進(jìn)入拼裝現(xiàn)場之前，首先進(jìn)行拼裝場地平整度測量，使場地滿足拼裝要求；根據(jù)拼裝要求設(shè)置并校準(zhǔn)拼裝工作平臺。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖，在拼裝工作臺上測定出待拼裝鋼結(jié)構(gòu)在拼裝狀態(tài)下的水平投影，主要包括軸線、外廓線、節(jié)點(diǎn)大樣。在確定鋼結(jié)構(gòu)長度時要考慮溫度變形及其它因素產(chǎn)生變形的影響，并對長度值進(jìn)行相應(yīng)的修正。小拼單元CAD放樣圖見圖9。

網(wǎng)殼小單元拼裝控制數(shù)據(jù)主要為桿件長度、桿件與桿件夾角、桿件與鼓式節(jié)點(diǎn)角度。桿件長度通過鋼尺進(jìn)行測量；桿件之間夾角的測量通過從桿件與節(jié)點(diǎn)連接端開始，向另一端量取2m距離，做好標(biāo)記，最后測量兩個桿件標(biāo)記點(diǎn)之間距離(圖10)。與CAD放樣結(jié)果(圖9d))進(jìn)行比較，控制角度。桿件與鼓式節(jié)點(diǎn)角度，鼓式節(jié)點(diǎn)水平放置于胎架上，通過鋼尺測量桿件兩端高差，根據(jù)CAD放樣數(shù)據(jù)調(diào)整桿件水平度(圖11)。

拼裝結(jié)束后，要對拼裝體的幾何尺寸進(jìn)行驗(yàn)收測量，為最終安裝提供依據(jù)(圖13)。

圖9　小拼單元CAD放樣圖

圖10　桿件角度檢查

圖11　桿件與鼓式節(jié)點(diǎn)角度檢查

圖12　完成拼裝的單元組件

3.5安裝測量定位

1)復(fù)測網(wǎng)殼底部平板支座的位置標(biāo)高。當(dāng)有偏差時應(yīng)調(diào)整支座部件尺寸。

2)鼓式球節(jié)點(diǎn)定位控制及測量是本工程施工難度較大的工作，節(jié)點(diǎn)三維空間的位置精度直接影響整個建筑外觀效果。節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)測量工作主要有節(jié)點(diǎn)安裝定位測量、安裝矯正測量、焊接變形監(jiān)測、安裝完畢驗(yàn)收測量等。

3)安裝定位是通過測量鼓式節(jié)點(diǎn)球上蓋板中心的三維坐標(biāo)是否與設(shè)計(jì)值坐標(biāo)一致來實(shí)現(xiàn)的。測量具體操作如下：①根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙模型，計(jì)算出測站點(diǎn)、各鼓式節(jié)點(diǎn)球的三維坐標(biāo)；②在測站點(diǎn)架立全站儀，精確整平對中；③輸入測站點(diǎn)坐標(biāo)及高程、全站儀的儀高、后視點(diǎn)方位角，精確瞄準(zhǔn)后視點(diǎn)按設(shè)角鍵；④在鼓式節(jié)點(diǎn)中心點(diǎn)架立棱鏡，轉(zhuǎn)動全站儀對準(zhǔn)棱鏡，按坐標(biāo)測量鍵，獲取鼓式節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算實(shí)測坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)的差值，測量過程見圖13；⑤調(diào)整U型支托頂撐，使其調(diào)到預(yù)定的高度和水平位置，調(diào)整鼓式球節(jié)點(diǎn)的位置，直到球節(jié)點(diǎn)定位準(zhǔn)確；⑥重復(fù)以上過程，放樣出該測站點(diǎn)上的所有待放樣點(diǎn)。

4)為了避免放樣誤差的積累，安裝時必須對每個小拼單元鼓式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測量控制，每環(huán)結(jié)構(gòu)合攏后再進(jìn)行復(fù)核矯正測量。每環(huán)網(wǎng)格下節(jié)點(diǎn)焊接前，應(yīng)確保做到各鼓式節(jié)點(diǎn)徑向距離合格。出現(xiàn)的誤差要在每環(huán)安裝時消除，不得造成累積誤差。整體安裝后，作一次全面檢查和測量。

圖13　全站儀測量

3.6支撐系統(tǒng)卸載

當(dāng)雜技館所有節(jié)點(diǎn)焊接完畢并檢查合格后，進(jìn)行支撐系統(tǒng)的卸載，卸載采用由上而下、逐層拆卸支撐工具的方法。拆除過程中，檢測坐標(biāo)控制點(diǎn)的變化情況，當(dāng)變化值是在合理范圍內(nèi)時方可進(jìn)行下道支撐具的拆卸。

4質(zhì)量控制

質(zhì)量控制措施包括：

1)網(wǎng)殼施工中嚴(yán)格執(zhí)行《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 7—2010)》《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范(GB 50205—2001)》《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范(GB 50661—2011)》等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙施工。

2)對于購進(jìn)的矩形鋼管，必須有材料出廠合格證及原始的材料質(zhì)量保證書。并對材料的外觀及幾何尺寸等進(jìn)行檢測，檢驗(yàn)結(jié)果與質(zhì)保書規(guī)定相符時，方可辦理入庫手續(xù)。

3)桿件下料時，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙放樣，并預(yù)留焊接收縮量。

4)小拼單元拼裝胎架應(yīng)牢固穩(wěn)定，每榀單元拼裝前檢查胎架坐標(biāo)數(shù)據(jù)，避免拼裝誤差累計(jì)。

5)焊接必須嚴(yán)格按焊接工藝要求操作，按照對稱焊接的方法焊接，減少焊接變形和焊接應(yīng)力。

6)油漆材料、厚度和質(zhì)量要求必須達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定。

5結(jié)語

球面網(wǎng)殼主要是將加工好的網(wǎng)殼桿件通過高空散裝法從下往上安裝，形成穩(wěn)定、安全的網(wǎng)殼不變結(jié)構(gòu)，并且經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。本工程應(yīng)用了安裝支撐工具、小單元吊裝、全站儀測量等技術(shù)，確保了浠水縣雜技館這一高大新穎工程得以呈現(xiàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]葛金剛.強(qiáng)震作用下單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)倒塌機(jī)理及抗倒塌措施[D].天津:天津大學(xué)，2012.

[2]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 7—2010空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]卓新，董石麟.球面網(wǎng)殼順作懸挑法與全支架安裝法施工內(nèi)力特性及其對比分析[C]//第八屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文集.開封：中國土木工程學(xué)會橋梁及結(jié)構(gòu)工程學(xué)會空間委員會，1997:647-652.

收稿日期：2016-01-14

作者簡介：金建勇(1987—)，男，浙江青田人，工程師，從事建筑工程施工管理工作。

中圖分類號：TU758.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1008-3707(2016)03-0050-05

Construction Key Technology of the Steel Structure SphericalBraced Domes for the Circus in Xishui County

JIN Jianyong, LOU Zhengquan, XU Mintao, LU Haitao