鹽城南洋國際機場 T2 航站樓大型鋼結(jié)構(gòu)安裝技術初探

陳士凱（浙江江南工程管理股份有限公司， 浙江 杭州 310013）

0 引 言

隨著 20 世紀 60 年代鋼材獲得突破性的發(fā)展，各種金屬建筑技術日益成熟，鋼結(jié)構(gòu)工程出現(xiàn)新的浪潮。接著從70 年代法國巴黎蓬皮杜文化中心的建成，到八九十年代英國斯文登雷諾汽車零件配送中心、中國香港匯豐銀行、日本大阪關西國際機場、加拿大多倫多天拱巨館等的相繼建成，鋼結(jié)構(gòu)工程技術水平被推上了一個新的高度。與此同時，大跨度鋼結(jié)構(gòu)技術也取得了長足發(fā)展。例如，1989年建成的多倫多天拱巨館為開合式穹頂體育場，結(jié)構(gòu)跨度為 205 m，能容納 7 萬人，屋蓋關合后可做全封閉有空氣調(diào)節(jié)的體育場，被譽為第三代鋼結(jié)構(gòu)體育場典范工程。近年來，我國城市化建設不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)工程建設十分迅猛，科技人員在新型鋼結(jié)構(gòu)的選型、穩(wěn)定性分析、理論計算、節(jié)點構(gòu)造、制作安裝和試制試驗等方面做了大量的技術性研究工作，取得了豐富的工作成果，彰顯出非凡的應用能力。特別是經(jīng)歷了 2008 年北京奧運會場館建設、2010 年上海世博園區(qū)場館建設，以及亞運會等超大型體育場館建設，鋼結(jié)構(gòu)工程的建設水平總體上趨于成熟。不可否認，與國外先進技術相比，我國的鋼結(jié)構(gòu)工程在結(jié)構(gòu)跨度、加工工藝和安裝技術等方面存有一定的差距，需進一步提高應用技能。本文依托鹽城南洋國際機場 T2 航站樓屋蓋工程所采用大型鋼結(jié)構(gòu)的施工案例，對大型鋼結(jié)構(gòu)安裝技術進行梳理、探討和研究。

1 工程概況

1.1 工程建設概況

鹽城國際南洋機場 T2 航站樓工程位于江蘇省鹽城市亭湖區(qū)南洋鎮(zhèn)境內(nèi)，按照“人文科技、綠色環(huán)保、現(xiàn)代簡潔”理念進行設計，外觀為大波浪、大懸挑、曲面空間造型。本工程建筑面積達 49 000 m2，為混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安全等級為一級。航站樓自上而下共設 3 個樓層，分別為出發(fā)層、到達層和地下層。航站樓的東南方位為機場空側(cè)機坪區(qū)，西北面則為陸側(cè)高架與航站樓的到、發(fā)層相銜接。航站樓的建筑高度為 27 m，東西長度為 183.6 m，南北寬度為 75.6 m；地上 2 層、局部地下 1 層，1 層柱距為 18 m×18 m，2 層柱距為 36 m×36 m；由錐形鋼管柱、單層網(wǎng)殼屋面、鋼雨棚等組成，鋼構(gòu)件材質(zhì)主要為Q345 B、Q390 B 和 Q390 C。

1.2 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)

屋蓋由 18 根直接焊接鋼管混凝土柱支承，材質(zhì)為Q390 B，縱向為 3 列、橫向為 6 列，通過柱頂?shù)某善枫q支座與鋼柱相連。屋蓋單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由縱橫向桁架、天窗及封邊梁等組成。屋蓋桁架主要由圓管組成，采用相貫焊連接，桁架間通過圓管支撐連接而成。屋蓋分布 9 個天窗，單個重量約為 22 t，設計成雙層結(jié)構(gòu)：下層為焊接箱型梁，上層為H 型鋼組成的類似菱形結(jié)構(gòu)，拼裝后整體吊裝。

1.3 外露單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

外露單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為 Q390 C 焊接箱型梁，位于鋼屋蓋西北側(cè)，總重超過 1 000 t，單根最重為 18 t，外形為大跨度、大波浪、大懸挑、曲面空間造型，單層網(wǎng)殼體由 4 個斜撐通過自身平滑曲線斜向延伸通過地面成品鉸支座與承臺相連，單層殼體桿件之間的節(jié)點均為剛接。

2 工程重難點分析及對策

（1）由于屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工程的空間造型復雜，現(xiàn)場安裝桿件定位難度大，需要在深化設計圖中反映出各節(jié)點的定位坐標，對深化建模的精度要求高。

（2）單層網(wǎng)殼主要構(gòu)件為箱型梁。由于箱型梁截面大，構(gòu)件重量重，且為大跨度、大波浪、大懸挑的曲面空間造型，安裝難度較大。

（3）桁架最大跨度為 36 m，最高處為 27 m，空間跨度大，高度高，桿件分布范圍廣、變化大；焊接形式有立焊、平焊、仰焊和斜焊，對電焊人員的技術水平提出很高要求。

考慮到深化建模精度要求高，采用 Tekla Structures專用設計軟件進行模型設計。同時，密切關注深化設計，嚴格執(zhí)行相關規(guī)范，確保連接節(jié)點深化設計的準確性。由于現(xiàn)場安裝難度大，采取分段安裝，即在分段位置設置支撐胎架，胎架之間用桁架連接形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，用全站儀進行測量定位以確保安裝定位準確?？紤]到現(xiàn)場焊接難度大、質(zhì)量要求高，對焊工資格證及其操作技能進行審查，并組織現(xiàn)場焊接工藝考試評定，合格后方可上崗施焊。

3 開工前的施工準備

3.1 做好施工圖紙的會審

施工圖紙是對工程質(zhì)量進行控制的直接依據(jù)，圖紙會審則是保障完成建設目標的重要手段。對施工圖紙進行會審，不僅能及時發(fā)現(xiàn)圖紙中的相關問題并加以解決，還能幫助各參建單位熟悉圖紙、領會設計意圖、掌握工程重難點，而且有利于節(jié)約工程成本和縮短工期。在會審中應注重以下幾點：圖紙是否齊全，深化圖與結(jié)構(gòu)圖中軸線位置是否一致，標高、尺寸是否標注清楚，大樣節(jié)點是否準確齊全，是否存在違反強制性條文規(guī)定等情形。會審后將審查問題整理成稿，由設計單位簽署回復意見，作為現(xiàn)場施工依據(jù)。

3.2 嚴格做好方案的編審

根據(jù)深化設計圖紙、招標文件和驗收規(guī)范，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，編制屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工程專項施工方案。經(jīng)反復對比與論證，參考目前國內(nèi)機場屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝方案，采取分區(qū)施工、分步安裝的原則進行編制：首先分段安裝主次桁架，其次安裝天窗和單層網(wǎng)殼，最后安裝零散構(gòu)件。方案編制完成后，組織人員進行技術性審核：結(jié)合現(xiàn)場情況及圖紙要求，重點對涉及施工段的劃分、異型構(gòu)件的制作、三維結(jié)構(gòu)的定位、構(gòu)件組裝的對接、焊接工藝的控制、大型吊裝設備的選型、安全技術措施的控制等進行審核?？紤]到施工風險大、難點多等因素，組織專家對施工方案進行可行性論證，經(jīng)修改確認后用于指導施工。

4 施工工藝的技術控制

4.1 流水段劃分及桁架編號

屋蓋鋼結(jié)構(gòu)主桁架長度為 216 m，寬度為 108 m，柱距為 36 m×36 m?？紤]到構(gòu)件需長途運輸且安裝便利，桁架出廠前被分成若干段，每段長約 18 m，在現(xiàn)場拼裝后進行吊裝施工。為方便安排組織施工，根據(jù)屋蓋桁架結(jié)構(gòu)，將整個屋蓋結(jié)構(gòu)由東至西分為 3 個施工流水段（1 區(qū)、2 區(qū)、3 區(qū)），并按縱橫 2 個方向?qū)ξ菝骅旒苓M行劃分編號，其中橫向主桁架編號為 ZHJ-1、ZHJ-2、ZHJ-3，縱向主桁架編號為 ZHJ-4、ZHJ-5、ZHJ-6 （左右對稱）。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)測量工程控制

隨著屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桁架及單層網(wǎng)殼發(fā)生曲線變化，拼裝構(gòu)件上的節(jié)點標高也相應發(fā)生變化。因此，正確進行標高控制顯得至關重要。由于桁架和網(wǎng)殼采取分段拼裝和分段組裝的方式，對每段都必須做好節(jié)點的三維坐標控制。根據(jù)分段情況，節(jié)點定位作為控制依據(jù)，參照土建的建筑軸線網(wǎng)，選定定位軸線作為控制基線，在此基線上通過解析法找出控制節(jié)點的投影與基線的交點，然后分別將相關交點投測到平臺上，并與上下弦桿中心投影線相交，可得到上下弦控制節(jié)點在水平面上的投影點。通過下弦節(jié)點投影調(diào)節(jié)上弦節(jié)點，可控制構(gòu)件的精確定位。

4.3 支撐胎架的設置

根據(jù)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的安裝要求，主桁架、懸挑及封邊梁的安裝需設置臨時胎架作為支撐體系，而胎架支撐體系由格構(gòu)柱、水平橫支撐及纜風繩組成。胎架設置應根據(jù)屋蓋設計、分段重量和安裝高度進行確定，設置位置應偏離主拱節(jié)點一定距離，以滿足安裝及現(xiàn)場焊接的要求。胎架與混凝土結(jié)構(gòu)上的預埋件進行牢固連接?？紤]到鹽城地區(qū)的高頻風荷載，為了滿足胎架體系的整體穩(wěn)定，在每根胎架的四周設置 4 根纜風繩。當桁架懸挑長度≥12 m 時，位于懸挑 2/3 位置需設置胎架，以防桁架受力變形。

4.4 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝技術控制

4.4.1 屋蓋管桁架預拼裝

預拼裝主要目的是檢驗桁架的加工制作精度，以便對誤差及時進行調(diào)整和消除，從而確保不規(guī)則的大型構(gòu)件在現(xiàn)場組裝時能順利對接，從而減少高空安裝過程中對構(gòu)件的調(diào)整次數(shù)。由于管桁架為不規(guī)則曲線結(jié)構(gòu)，對構(gòu)件的加工制作精度提出了極高要求，出廠前需做好預拼裝。通過對大型桁架的預拼裝，能夠及時掌握桁架的加工制作精度，及時分析產(chǎn)生超標部位的原因并組織調(diào)整，以便在后續(xù)的加工過程中為滿足安裝精度要求而作必要的調(diào)整與控制。確定預拼裝準確無誤后，對每個預拼裝的接頭做好安裝標記，然后焊接安裝耳板。

4.4.2 屋蓋管桁架現(xiàn)場拼裝

屋蓋管桁架現(xiàn)場拼裝前需對場地的地面進行找平，然后采用機械分層碾壓至密實，再澆筑厚度為 100 mm 的素混凝土作為拼裝場地，以滿足桁架拼裝所需的平整度和強度。拼裝采取多段地面連續(xù)臥拼方式，將待安裝的上下弦分段桿件依次放入拼裝場地，拼裝定位時要控制弦桿端口處的坡口間隙尺寸和對接桿件管口的邊差，調(diào)整好桿件位置后即可連接耳板，用相應規(guī)格的安裝螺栓擰緊，然后進行點焊定位。在上下弦桿件拼裝定位完成后，進行弦桿間的腹桿拼裝，腹桿定位拼裝與弦桿定位要求相同，在拼裝準確后即可焊縫焊接，從中間焊縫開始，依次向外側(cè)進行對稱焊接。

4.4.3 屋蓋管桁架安裝

在錐形柱內(nèi)的混凝土澆筑、成品支座安裝以及區(qū)段桁架拼裝完成后，即可進入屋蓋管桁架的吊裝安裝環(huán)節(jié)。安裝的順序：先安裝縱、橫向主桁架，再安裝次桁架，最后安裝零散件?？紤]到主桁架最大重量 30 t、吊裝高度 36 m、吊裝半徑 18 m，選用 2 臺 250 t 履帶吊進行吊裝；考慮到懸挑桁架吊裝最大半徑 10 m、吊裝高度 35 m、最大起吊重量10 t，選用 130 t 履帶吊進行吊裝。根據(jù)現(xiàn)場施工條件，首先安裝 1 區(qū)（從 ZHJ-6 向 ZHJ-4 方向進行安裝），接著安裝 2 區(qū)，最后安裝 3 區(qū)。在安裝主桁架時，由于無側(cè)向支撐，當主桁架就位后在桁架兩側(cè)設置 2 道纜風繩，從桁架的上弦桿拉設，下端固定在鋼柱柱頂?shù)牡醵?，跨?2 道纜風繩也從桁架上弦桿拉設，且必須牢固固定，在縱橫主桁架焊接完成并形成穩(wěn)定體系后方可拆除纜風繩。

4.4.4 屋面天窗安裝

屋面天窗的形狀與菱形相似，為雙層上下結(jié)構(gòu)，下層為焊接箱型梁，上層為 H 型鋼組成的菱形結(jié)構(gòu)，上下兩層通過天窗柱連接，箱型梁整體分成 4 段，其形狀呈“7”字形。天窗的安裝方法：在 4 段“7”字形箱型梁焊接完成并運輸至現(xiàn)場后，拼裝成下層菱形天窗，采用汽車吊進行整體吊裝，四角通過端板與次桁架鋼管焊接相連，待下層焊接箱型梁吊裝焊接完成、上層 H 型鋼單元與天窗柱在地面拼裝完成后，再進行整體吊裝及焊接作業(yè)。

4.4.5 外露單層網(wǎng)殼安裝

外露單層網(wǎng)殼由箱型方管鋼梁焊接而成的方格網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成，網(wǎng)殼寬度 180 m、高度 22.1 m，最大單根箱型鋼梁截面尺寸為 1 200 mm×600 mm×25 mm×25 mm，分段后最大單根鋼梁重約 17.966 t，單層網(wǎng)殼底部連接處有4 個“V”字形柱腳支座支撐，頂部與桁架下部相連，形成穩(wěn)定的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系?？紤]到單層網(wǎng)殼寬度達 180 m，為提高施工效率和避免累計誤差，可采用 100 t 汽車吊和采取“設置支撐胎架，散件原位吊裝，由中間向兩側(cè)、由底部向頂部”的施工順序進行單層網(wǎng)格的安裝施工。

4.5 鋼結(jié)構(gòu)焊接技術控制

焊接技術是鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量控制極為重要的環(huán)節(jié)，根據(jù)工程特點，考慮到焊接質(zhì)量、焊接速度、焊接環(huán)境和抗風能力等因素，確定采取 3 種焊接方式：實芯焊絲二氧化碳氣護焊、藥芯焊絲二氧化碳氣護焊和焊條電弧焊。實芯焊絲二氧化碳氣護焊主要用于地面焊接以及可搭設防風設施的焊接，藥芯焊絲二氧化碳氣護焊主要用于仰焊、受風影響的焊縫和返修焊接，焊條電弧焊主要用于點焊、零星焊接和自動焊難焊部位的焊接。施焊前應重點檢查焊接件的空間定位和接縫質(zhì)量，并且將焊縫部位的污垢、銹跡等清除干凈，使溝槽露出金屬光澤。施焊時可安排 2 名焊工圍繞焊縫采取分段對稱焊接，以減少焊縫應力；焊接參數(shù)應保持一致，每個接頭必須連續(xù)施焊，直至焊接完畢。對于焊縫容易產(chǎn)生未熔合、咬邊、焊瘤、氣孔、夾渣和裂紋等質(zhì)量問題，應選擇適當?shù)碾娏鲄?shù)和焊接速度，并保持一定的電弧長度。焊條應加強焊前預熱、焊后熱處理等技術控制措施，對不用的焊條應烘干并保溫貯存。

5 結(jié) 語

綜上所述，鹽城南洋國際機場 T2 航站樓屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工程外觀為大波浪、大懸挑，結(jié)構(gòu)跨度大，曲面造型復雜，三維空間定位難，構(gòu)件制作標準高，現(xiàn)場安裝難度大。在開工前，對工程施工重難點進行了反復分析與研究，提出了確實可行的施工技法。同時在施工過程中加強了各道工序的技術控制，取得了理想的工作成果，為復雜工況環(huán)境下實現(xiàn)大型屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工程安裝提供了有益經(jīng)驗。相信未來在國家發(fā)展節(jié)能建筑政策指引下，鋼結(jié)構(gòu)工程必將有更大的發(fā)展延伸空間。