曲面螺栓球節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的吊裝施工技術(shù)

呂建峰

中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 300350

近些年來，隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)以其強(qiáng)度高、韌性好、自重輕、抗震性能好以及裝配化程度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，在我國得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，尤其是在大跨度、體型復(fù)雜以及高層建筑等施工領(lǐng)域。相比傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)形式，鋼結(jié)構(gòu)輕巧靈活、成形美觀、便于施工等特點(diǎn)更是得到了進(jìn)一步凸顯。

在施工領(lǐng)域，鋼結(jié)構(gòu)施工主要包括鋼屋蓋施工、鋼連廊施工、鋼箱梁施工以及鋼桁架施工等，相關(guān)的研究論文也較多，涉及鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)、加工和制作、焊接工藝，深化設(shè)計(jì)技術(shù)，吊裝施工以及力學(xué)分析等方面。例如，單恒[1]介紹了建筑鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中普遍存在的誤區(qū)，根據(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)情況，提出了自己獨(dú)特的見解；吳澤忠[2]對(duì)一般性的多、高層建筑物鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加工制作工藝進(jìn)行了探討，包括工藝流程的選擇、放樣、號(hào)料、切割、矯正、制孔、端部加工、構(gòu)件組裝和鋼構(gòu)件預(yù)拼裝等，對(duì)從事相關(guān)工作的施工管理者具有一定的指導(dǎo)意義；達(dá)運(yùn)社等[3]介紹了鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品焊評(píng)的程序、優(yōu)化方法、注意事項(xiàng)以及常見的幾類問題，較為系統(tǒng)地闡述了焊接工藝的相關(guān)內(nèi)容；趙雅等[4]以深圳市當(dāng)代藝術(shù)館和城市規(guī)劃展覽館為例，從表皮鋼結(jié)構(gòu)桿件建模、彎扭構(gòu)件建模、雙向傾斜構(gòu)件圖紙表達(dá)、彎扭構(gòu)件深化圖紙表達(dá)、表皮鋼結(jié)構(gòu)分段及對(duì)表皮鋼結(jié)構(gòu)工藝的考慮等各方面出發(fā)，詳細(xì)闡述了深圳兩館復(fù)雜結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)技術(shù)；戴志杰[5]結(jié)合珠海橫琴星藝文創(chuàng)天地項(xiàng)目，從施工難點(diǎn)、施工工藝、施工關(guān)鍵技術(shù)等方面出發(fā)，對(duì)大型屋面鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)；黎德琳等[6]以南京四方現(xiàn)代藝術(shù)博物館為案例，著重探討了該館鋼結(jié)構(gòu)體系的受力特性，并應(yīng)用有限元軟件分析了整體結(jié)構(gòu)的靜力性能以及關(guān)鍵構(gòu)件、典型節(jié)點(diǎn)的受力性能。

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)的理論研究及現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)發(fā)展迅速，目前已形成較為成熟的理論和實(shí)踐應(yīng)用技術(shù)。本文結(jié)合安順婁湖生態(tài)濕地公園整體開發(fā)PPP項(xiàng)目，以其鋼結(jié)構(gòu)工程中的大型曲面屋面網(wǎng)架為切入點(diǎn)，闡述了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)均為高強(qiáng)螺栓連接形式的大型網(wǎng)架吊裝技術(shù)。針對(duì)這類不同于焊接球節(jié)點(diǎn)形式鋼結(jié)構(gòu)的網(wǎng)架安裝難題，介紹了所采取的對(duì)應(yīng)的創(chuàng)新措施和技術(shù)要點(diǎn)，為類似大型曲面鋼網(wǎng)架的施工提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

安順婁湖生態(tài)濕地公園整體開發(fā)項(xiàng)目位于貴州省安順市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，其中的水上藝術(shù)中心為婁湖生態(tài)濕地公園功能區(qū)之一。該中心位于婁湖生態(tài)公園南側(cè)，建筑面積4 710 m2，共7個(gè)場(chǎng)館。項(xiàng)目主體采用鋼結(jié)構(gòu)，外墻采用6 000 m2的玻璃幕墻，以18 000 m2的鋁單板封頂。水上藝術(shù)中心整體效果如圖1所示。

圖1 水上藝術(shù)中心整體效果圖

在7個(gè)鋼結(jié)構(gòu)場(chǎng)館中，1#—6#館網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式均為正方四角錐網(wǎng)架，7#館為1層鋼框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。1#—6#館采用螺栓球節(jié)點(diǎn)連接，周邊支承于鋼柱頂端，下弦支撐；設(shè)計(jì)抗震烈度為6度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震組為第一組；場(chǎng)地土類別為Ⅱ類。

圖2 場(chǎng)館劃分

2 施工難點(diǎn)

1）水上藝術(shù)中心項(xiàng)目作為安順市第七屆旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)觀摩項(xiàng)目，具有一定的社會(huì)影響和民眾關(guān)注度，在施工過程中對(duì)鋼網(wǎng)架吊裝、安裝的精確性要求較高。

2）本工程工期較短，涉及的相關(guān)專業(yè)較多，交叉施工也較多，與土建、水電、設(shè)備安裝等相關(guān)專業(yè)的協(xié)調(diào)配合，是確保按時(shí)竣工的關(guān)鍵。

3）網(wǎng)架吊裝安全及高空散裝的安全措施較難以實(shí)施，常規(guī)滿堂腳手架方案存在很多弊端，如何采取經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)措施來保證施工安全，是本工程的重中之重。

4）本工程節(jié)點(diǎn)采用高強(qiáng)螺栓連接，施工中需要注意協(xié)調(diào)同步措施，避免鋼結(jié)構(gòu)桿件產(chǎn)生應(yīng)力集中、受力不均等不良情況。其中的起步跨網(wǎng)架吊裝就位精度控制是施工中的一大難點(diǎn)。

5）本工程鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架采用起步跨整體吊裝，其跨度、長度、質(zhì)量均較大，在吊裝方法的選擇時(shí)，必須保證在技術(shù)上和安全上切實(shí)可行，同時(shí)方案還應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)適用、合理有效的原則，并杜絕由于發(fā)生安全質(zhì)量事故導(dǎo)致的工期延誤。

3 曲面網(wǎng)架吊裝關(guān)鍵技術(shù)

3.1 安裝場(chǎng)地加固

本工程鋼結(jié)構(gòu)吊裝質(zhì)量大，因此，吊車進(jìn)入場(chǎng)地前必須將工作區(qū)域的雜物清除。同時(shí)，視地面情況，必要時(shí)采用壓路機(jī)壓實(shí)，使地基承載力達(dá)到150 kN/m2，防止局部地基受力不均。施工時(shí)采用鋼板及枕木墊在吊車支撐腿下。

3.2 地面預(yù)拼裝方案

在鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)拼裝之前，應(yīng)對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行整平，并準(zhǔn)確地定位臨時(shí)支承架或支承平臺(tái)。當(dāng)構(gòu)件屬于大型或重型構(gòu)件時(shí)，應(yīng)對(duì)其臨時(shí)支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，使用落地平臺(tái)腳手架進(jìn)行臨時(shí)支撐。為安全考慮，結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝腳手架靜荷載為100 kg/m2，施工人員操作活荷載按照100 kg/m2考慮。

當(dāng)多層板疊合處采用高強(qiáng)度螺栓或普通螺栓連接時(shí)，可先用部分沖釘定位（至少為螺栓孔總數(shù)的10%），再緊固臨時(shí)螺栓。在同一組孔內(nèi)，臨時(shí)螺栓的數(shù)量應(yīng)至少達(dá)到螺栓孔數(shù)量的20%，且≥2個(gè)；預(yù)拼裝時(shí)的板層應(yīng)密貼。

3.3 網(wǎng)架安裝方案

根據(jù)本工程的具體情況，在充分研究圖紙后認(rèn)為，1#—6#館網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式及安裝方法基本一致，現(xiàn)以2#館為例進(jìn)行詳細(xì)安裝說明。本網(wǎng)架安裝決定采用地面首先拼裝2#館鋼柱周圈內(nèi)部網(wǎng)架桿件作為起步跨單元部分，拼裝完畢后利用汽車吊吊裝起步跨就位、調(diào)整、臨時(shí)固定，之后再進(jìn)行2#館周圈區(qū)域高空散拼的施工。其余5個(gè)館安裝方法相同，如圖3、圖4所示。

圖3 鋼柱周圈內(nèi)部網(wǎng)架區(qū)域

圖4 鋼柱周圈外部網(wǎng)架懸挑區(qū)域

網(wǎng)架安裝具體方案如下：

1）2#館網(wǎng)架起步安裝區(qū)域?yàn)闄E圓形，縱向長度31.177 m，橫向最大跨度19.090 m，質(zhì)量7.5 t。起步跨定于此范圍的理由有二：一是施工及車輛操作方便；二是減少施工場(chǎng)地，起步安裝、懸挑安裝質(zhì)量能得到控制。起步跨網(wǎng)架區(qū)域安裝首先在地面完成拼裝，吊裝半徑在10 m左右，主臂在30 m以內(nèi)，2臺(tái)50 t吊車停放在場(chǎng)館兩側(cè)，吊繩分兩端，每端分2點(diǎn)起吊，將鋼絲繩上端掛于吊車吊鉤上，下端分別綁扎于鋼網(wǎng)架下弦支座球的2個(gè)節(jié)點(diǎn)處，并保證4個(gè)點(diǎn)受力均衡。吊裝起步跨時(shí)，需在起步跨兩側(cè)設(shè)置纜風(fēng)繩，保持網(wǎng)架的穩(wěn)定性以防碰撞柱子，如圖5、圖6所示。

圖5 鋼網(wǎng)架起步跨吊裝示意,

圖6 鋼網(wǎng)架起步跨吊點(diǎn)示意

2）利用2臺(tái)50 t汽車吊同步提升鋼網(wǎng)架起步跨到柱頂上方約300 mm處就位，并大致調(diào)整好網(wǎng)架軸線及鋼柱中心線后進(jìn)行后續(xù)落位操作。落位過程要精心組織，設(shè)總指揮和分指揮分區(qū)把關(guān)整個(gè)落位過程。在總指揮統(tǒng)一指揮下進(jìn)行工作，操作人員要明確崗位職責(zé)，上崗后按指定位置對(duì)號(hào)入座，發(fā)現(xiàn)問題向所在地分指揮報(bào)告，由分指揮向總指揮報(bào)告，由總指揮統(tǒng)一處理。網(wǎng)架起步跨吊裝就位至指定位置并經(jīng)再次調(diào)整位置后，將支座過渡板四周進(jìn)行焊接臨時(shí)固定，防止滑動(dòng)、移位。

3）待起步跨吊裝完畢形成整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后，利用1臺(tái)25 t汽車吊進(jìn)行高空散裝。在進(jìn)行高空散裝時(shí)，可先在地面將用于高空散裝的網(wǎng)架桿件小拼單元組裝好。根據(jù)本工程的特點(diǎn)，將周圈懸挑部分網(wǎng)架劃分為8個(gè)部分作為后續(xù)吊裝單元，以每個(gè)單元質(zhì)量基本相同為宜，如圖7所示。

4）利用汽車吊通過吊鉤、鋼絲繩將地面事先拼裝好的網(wǎng)架單元吊至空中就位。操作時(shí)，在上弦的節(jié)點(diǎn)處布置4名人員，同時(shí)在下弦的節(jié)點(diǎn)處也布置4名人員，相關(guān)人員各自找準(zhǔn)相應(yīng)的桿件球孔，再迅速擰牢桿件與球之間的螺栓，完成拼裝。其余部分按上述方法進(jìn)行安裝，形成整體，如圖8所示。

3.4 鋼網(wǎng)架起步跨的地面拼裝流程

3.4.1 構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸

根據(jù)網(wǎng)架安裝的項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃，分批劃出安裝時(shí)需要的螺栓球以及構(gòu)件，并由鏟車機(jī)運(yùn)送到相應(yīng)的施工平臺(tái)處，以供網(wǎng)架施工用。

3.4.2 網(wǎng)架的拼裝方案

本工程網(wǎng)架的拼裝順序如下：施工前準(zhǔn)備→測(cè)量定 位→制作胎架→上弦與腹桿組裝→螺栓緊固→小單元網(wǎng)架校正→上弦與腹桿組裝→螺栓緊固→小單元網(wǎng)架校正。

3.4.3 起步跨的地面拼裝

在網(wǎng)架起步跨單元的地面拼裝及后續(xù)的高空散裝小拼單元安裝時(shí)，需要對(duì)位置進(jìn)行嚴(yán)格控制，同時(shí)為避免構(gòu)件出現(xiàn)松動(dòng)，應(yīng)組織相關(guān)人員對(duì)節(jié)點(diǎn)處螺栓進(jìn)行檢查，確保其牢固。

圖7 鋼網(wǎng)架懸挑部分劃分示意

圖8 高空散裝網(wǎng)架小拼單元桿件

起步跨的地面拼裝過程如圖9所示。首先在胎架上拼裝下弦平面網(wǎng)格。將起步跨間的支座及各下弦球臨時(shí)支撐點(diǎn)安放就位（支撐采用鋼結(jié)構(gòu)焊接支架），對(duì)好各下弦球中心，將各個(gè)支撐點(diǎn)的水平標(biāo)高利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行準(zhǔn)確控制，標(biāo)高誤差調(diào)整無誤后，再安裝起步跨之間的下弦球與桿件，并組合形成橫向、縱向的下弦平面網(wǎng)格。如有起拱要求時(shí)，應(yīng)在臨時(shí)支點(diǎn)上找出坡底。

在安裝網(wǎng)架時(shí)，應(yīng)對(duì)網(wǎng)架質(zhì)量進(jìn)行經(jīng)常性測(cè)量，檢查內(nèi)容主要包括：下弦網(wǎng)格的尺寸與對(duì)角線、上弦網(wǎng)格的尺寸與對(duì)角線，以及網(wǎng)架的縱、橫向長度與網(wǎng)格矢高。這些內(nèi)容均可在相應(yīng)的臨時(shí)支點(diǎn)拆除前進(jìn)行調(diào)整。在網(wǎng)架安裝的過程中，還應(yīng)對(duì)網(wǎng)架軸線是否偏離建筑基礎(chǔ)軸線的問題進(jìn)行檢查，且實(shí)時(shí)調(diào)整。另外，應(yīng)對(duì)網(wǎng)架上下弦尺寸進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證每個(gè)螺栓都已經(jīng)擰緊到位，從而確保網(wǎng)架整體撓度要求。應(yīng)對(duì)各個(gè)臨時(shí)支點(diǎn)的下沉情況進(jìn)行隨時(shí)檢查，下降時(shí)及時(shí)處理。

3.5 起步跨吊裝準(zhǔn)備

1）網(wǎng)架吊裝前一定要對(duì)所選吊點(diǎn)及網(wǎng)架起步跨對(duì)柱子的影響（包括側(cè)向力）進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算通過或者采取相應(yīng)的有效措施后，才可吊裝。同時(shí)，必須逐一檢查所用的吊裝器具。

2）在網(wǎng)架吊裝前應(yīng)設(shè)置警戒線，非施工人員禁止入內(nèi)，吊裝過程中在網(wǎng)架下方嚴(yán)禁站人或穿行，吊裝過程中應(yīng)由專人指揮，多臺(tái)吊車協(xié)同工作，保證同步提升。

3）每片網(wǎng)架地面拼裝完成后，用2臺(tái)汽車吊進(jìn)行吊裝，在吊點(diǎn)位置拴好吊繩掛鉤后，除吊裝指揮以外的所有施工人員撤出吊裝區(qū)域。

4）在吊裝之前進(jìn)行試吊，即先將網(wǎng)架整體提升300～500 mm并懸停，再觀察架體整體的可靠性。懸停過程中架體無明顯不穩(wěn)定現(xiàn)象后，才可以繼續(xù)向上提升架體。試吊不僅可以檢查吊裝設(shè)備的安全性，還能檢查各個(gè)吊點(diǎn)對(duì)網(wǎng)架剛度的影響情況。

5）試吊確認(rèn)安全可靠后，由起重指揮長指揮吊車將網(wǎng)架慢慢吊離地面，升至柱頂設(shè)計(jì)位置后緩緩落下。

6）網(wǎng)架支座調(diào)整到設(shè)計(jì)軸線落實(shí)固定后，方可落鉤。

3.6 高空對(duì)接的注意事項(xiàng)

施工時(shí)，需要先將網(wǎng)架于地面拼裝成組合件，再利用相應(yīng)機(jī)械將其吊至安裝部位，然后由施工人員在高空進(jìn)行拼裝。受高空作業(yè)所限，將組合件小拼單元安裝至指定位置的難度較大，故在施工過程中應(yīng)對(duì)工人的操作技術(shù)水平提出一定的要求。

圖9 起步跨的地面拼裝過程

網(wǎng)架的桿件和高強(qiáng)螺栓只承受軸向力，不允許在桿件上吊掛重物，防止網(wǎng)架桿件側(cè)向受力，發(fā)生變形。

4 方案的創(chuàng)新點(diǎn)

1）傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架吊裝方案，大都為高空散拼或整體提升的思路。高空散拼需搭設(shè)滿堂腳手架，施工工期較長，工作量大且安全隱患多，施工安全難以保證；而整體提升方案對(duì)提升器及其布置位置的要求較高，同時(shí)提升過程中的同步協(xié)調(diào)措施相當(dāng)嚴(yán)格。本工程創(chuàng)新地結(jié)合2種方案的優(yōu)點(diǎn)，采取部分整體提升，提升到位后再散拼懸挑構(gòu)件的方案，既保證了質(zhì)量，又節(jié)約了工期和費(fèi)用，綜合效益顯著。

2）本工程網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)為螺栓球形式，區(qū)別于焊接球網(wǎng)架，采用螺栓球網(wǎng)架具有施工便捷、造型美觀、質(zhì)量受控、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)。但螺栓球節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮桿件的角度，要求各個(gè)配件的精度達(dá)到一定要求。因此，本工程在螺栓球和桿件加工階段即嚴(yán)格控制參數(shù)精度，同時(shí)在吊裝過程中及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、調(diào)整，避免誤差累積導(dǎo)致應(yīng)力不均現(xiàn)象，從而有效地保證了施工質(zhì)量。

5 結(jié)語

曲面鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架因連接節(jié)點(diǎn)多、應(yīng)力和變形較復(fù)雜、造型不規(guī)則等原因，對(duì)安裝精度要求較高，導(dǎo)致吊裝施工的難度較大。對(duì)于本工程螺栓球節(jié)點(diǎn)的鋼網(wǎng)架而言，傳統(tǒng)滿堂腳手架或整體提升方案都存在不利因素，故項(xiàng)目部綜合考慮后決定采用部分提升后懸挑部分構(gòu)件散拼的方案，從而既保證了工程施工質(zhì)量，又縮短了鋼網(wǎng)架的吊裝工期，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

本文所采用的技術(shù)方案在一定程度中對(duì)既有施工方法進(jìn)行了創(chuàng)新，為類似的曲面鋼網(wǎng)架吊裝工程施工提供一條新的思路。