大跨度傘狀不銹鋼結(jié)構(gòu)群施工關(guān)鍵技術(shù)

羅仁軼 王兆東 員浩陽(yáng) 馬運(yùn)強(qiáng) 陳俊杰

1. 中國(guó)建筑第八工程局有限公司 上海 201204；

2. 南京筑新建筑工程有限公司 江蘇 南京 211000

1 工程概況

江蘇省園藝博覽會(huì)未來(lái)花園植物園項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)采用S31603不銹鋼材料，整體為傘狀結(jié)構(gòu)，共有42把傘連成一體（圖1），不銹鋼結(jié)構(gòu)表面采用4K鏡面，造型視覺富有沖擊力，國(guó)內(nèi)乃至世界范圍內(nèi)均無(wú)類似案例。傘狀結(jié)構(gòu)中不銹鋼桿件形式有矩形管、橢圓管、異形漸變橢圓管。結(jié)構(gòu)形式獨(dú)特、新穎，國(guó)內(nèi)無(wú)類似結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和案例供參考。鋼結(jié)構(gòu)工程中有新材料、新型構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)等應(yīng)用。

圖1 傘狀結(jié)構(gòu)BIM模型

2 工程重、難點(diǎn)

1）本項(xiàng)目采用的S31603不銹鋼材料為奧氏體不銹鋼，具有熱導(dǎo)率低、線膨脹系數(shù)大、無(wú)磁性、耐腐蝕等特性。奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)大約只有低碳鋼的一半，而線膨脹系數(shù)很大，焊接后接頭部位會(huì)產(chǎn)生較大的焊接內(nèi)應(yīng)力，表現(xiàn)為容易出現(xiàn)焊接裂紋和焊接局部收縮。

2）傘狀不銹鋼結(jié)構(gòu)群橫向長(zhǎng)度348 m，最終效果要求是整體不留溫度收縮縫，結(jié)構(gòu)整體的熱脹冷縮量非常大，溫度應(yīng)力顯著，施工中的溫度應(yīng)力是施工分析模擬的重點(diǎn)研究對(duì)象。要求施工過(guò)程中假設(shè)的在初始溫度情況下傘狀結(jié)構(gòu)之間的施工應(yīng)力最小。需要分析考慮設(shè)置合理的施工過(guò)程中的溫度收縮縫，預(yù)留的溫度收縮縫需要在合理的溫度情況下進(jìn)行合攏。

3）不銹鋼結(jié)構(gòu)焊接收縮變形量大，需要通過(guò)分析計(jì)算進(jìn)行安裝焊接順序模擬，計(jì)算分析出最合理的桿件安裝焊接順序，從而既保證焊接施工過(guò)程中產(chǎn)生的桿件內(nèi)部應(yīng)力不大于設(shè)計(jì)的使用要求，同時(shí)又能有效控制桿件的焊接變形量[1-2]。

4）本項(xiàng)目位于廢棄的礦坑中，地況復(fù)雜，礦坑地勢(shì)高低起伏，需要充分合理地考慮施工機(jī)械設(shè)備及路線選擇。

5）不銹鋼結(jié)構(gòu)上部為覆水屋面，需要保證覆水屋面的平面度，因此對(duì)結(jié)構(gòu)整體精度要求非常高，不但要重視其空間絕對(duì)位置精度，更要精確控制各施工環(huán)節(jié)中桿件安裝的相對(duì)精度，以保證后續(xù)安裝定位的準(zhǔn)確性。

6）項(xiàng)目采用滿堂格構(gòu)柱和腳手架，造成視野不通透，在礦坑內(nèi)無(wú)法實(shí)施測(cè)量，因此需要將全站儀架設(shè)在輔助高架或者礦坑邊緣位置，并需要高空架設(shè)儀器和棱鏡，安裝測(cè)量難度大。

7）傘狀不銹鋼結(jié)構(gòu)既作為結(jié)構(gòu)件又作為裝飾件，加工工藝復(fù)雜，對(duì)加工精度及表面效果要求高。不銹鋼構(gòu)件加工涉及圓管多曲相貫線切割、厚板折彎、大截面厚方管折彎、激光切割、拼焊、4K拋光等多個(gè)復(fù)雜的工藝。構(gòu)件的加工精度會(huì)直接影響傘狀樹的拼裝精度和外觀效果，甚至影響42棵傘狀樹整體的體系結(jié)構(gòu)安全。

8）對(duì)焊接焊縫的質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求高，大量的現(xiàn)場(chǎng)焊縫要求為一、二級(jí)焊縫。焊接焊縫要求打磨、拋光后幾乎看不出來(lái)有焊縫的痕跡。

3 施工工藝

現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接順序?yàn)椋簶渲骼摺猸h(huán)桿件→次肋→外環(huán)交叉桿→中環(huán)交叉桿→ 內(nèi)部斜桿（圖2）。

圖2 不銹鋼傘狀結(jié)構(gòu)安裝步驟

3.1 施工模擬與試驗(yàn)

1）施工模擬包括了施工現(xiàn)場(chǎng)地況、路網(wǎng)、主體鋼結(jié)構(gòu)、施工器械的BIM動(dòng)態(tài)施工模擬（圖3），以及施工過(guò)程中主體鋼結(jié)構(gòu)施工應(yīng)力的仿真分析模擬（圖4）。做到合理、高效地制定人員、機(jī)械投入計(jì)劃，并有效控制施工過(guò)程安全與質(zhì)量，確定施工過(guò)程監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)內(nèi)容。

圖3 BIM施工模擬

圖4 有限元仿真計(jì)算分析

2）鋼結(jié)構(gòu)工程中有新材料、新型構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)應(yīng)用時(shí)，采用設(shè)計(jì)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證是國(guó)內(nèi)工程中的通行方式，也是

后續(xù)各種審查和專家論證時(shí)的必要技術(shù)條件。試驗(yàn)最終目的是和設(shè)計(jì)分析、相關(guān)規(guī)范共同構(gòu)成完整設(shè)計(jì)，達(dá)到結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、施工可行且滿足建筑效果的目的?；谝陨显?，不銹鋼結(jié)構(gòu)需要做相應(yīng)的試驗(yàn)。不銹鋼結(jié)構(gòu)承載力試驗(yàn)共分為三部分：1∶3整體承載力試驗(yàn)、1∶1局部節(jié)點(diǎn)承載力試驗(yàn)、變截面異形橢圓交叉管承載力試驗(yàn)。

3.2 下料加工

不銹鋼結(jié)構(gòu)加工包括下料、拼裝、焊接、矯正、打磨拋光等工序。用先進(jìn)的設(shè)備依據(jù)三維模型進(jìn)行數(shù)控下料加工，避免人工放樣，按照工藝參數(shù)嚴(yán)格控制焊接、打磨工藝，開發(fā)構(gòu)件定位、定形尺寸的模具，將復(fù)雜異形的構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化裝配（圖5）。

圖5 構(gòu)件加工定位工裝

3.3 構(gòu)件預(yù)拼裝

每棵傘狀樹傘冠部位的加工桿件出廠前應(yīng)先進(jìn)行預(yù)拼裝，預(yù)拼裝時(shí)發(fā)現(xiàn)有問題的桿件應(yīng)整改合格后再出廠。采用整個(gè)傘冠倒扣的預(yù)拼裝方式，預(yù)拼裝桿件之間臨時(shí)點(diǎn)焊固定，拼裝過(guò)程中注意成品保護(hù)，應(yīng)避免磕碰和劃擦。

預(yù)拼裝工藝要求：

1）根據(jù)構(gòu)件的特點(diǎn)，在廠內(nèi)用枕木、鋼板等搭建預(yù)拼裝場(chǎng)地，并進(jìn)行水平校正，使所有基準(zhǔn)點(diǎn)在同一平面上。

2）在場(chǎng)地上畫出基準(zhǔn)線、中心線及各節(jié)點(diǎn)位置。

3）預(yù)拼裝檢查合格后，拆除構(gòu)件，準(zhǔn)備裝運(yùn)。

4）對(duì)預(yù)拼裝過(guò)的桿件做相應(yīng)的標(biāo)記。

3.4 樹柱安裝

在傘狀樹安裝過(guò)程中，樹柱中心定位精度的控制為質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)之一。樹干中心點(diǎn)定位由全站儀現(xiàn)場(chǎng)放線和柱底板激光刻線搭配控制。樹干垂直度由激光水平儀和經(jīng)緯儀控制。樹柱先進(jìn)行初步就位，將樹柱底部柱底板上螺栓孔與預(yù)埋螺栓進(jìn)行對(duì)孔，根據(jù)全站儀和水平儀調(diào)整螺栓在一個(gè)平面上，然后讓樹柱的柱底板落在調(diào)平螺栓上，下一步再固定上部的螺栓。固定螺栓時(shí)注意絕緣套筒和絕緣墊片的設(shè)置，同時(shí)在樹柱安裝時(shí)應(yīng)檢查水電管線是否安裝到位。樹柱中心點(diǎn)位置的精確確定至關(guān)重要，其既是工程安裝的開始點(diǎn)，也是傘狀樹主次肋軸線正確、樹間完美對(duì)接的保證。根據(jù)圖紙?zhí)峁┑膫銧顦湮恢?，輸出中心點(diǎn)坐標(biāo)，在礦坑現(xiàn)場(chǎng)使用全站儀進(jìn)行放樣，放樣點(diǎn)要非常準(zhǔn)確。根據(jù)放樣后確定的中心點(diǎn)，畫直徑為1 200 mm的圓，粗略作為樹干吊裝時(shí)底板的邊緣線。根據(jù)圖紙輸出每棵樹軸線與底板邊緣的交點(diǎn)坐標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)放樣后作為樹干安裝的精確定位。

柱底板在工廠內(nèi)除了開螺栓孔與中心孔外，還需根據(jù)三維模型進(jìn)行如圖6所示的激光刻線。其中，作為與樹干矩形管精確對(duì)接的保證，矩形管輪廓線在工廠內(nèi)加工時(shí)只需將樹干與線對(duì)齊，即可保證樹干中心與底板中心重合。

圖6 柱底板定位標(biāo)記線

垂直度與水平檢測(cè)：樹干吊裝時(shí)，在混凝土基座周圍非直線地布置2臺(tái)激光水平儀，通過(guò)2臺(tái)激光水平儀的垂直線粗略確定樹干垂直度，同時(shí)在附近布置經(jīng)緯儀，精確測(cè)量樹干矩形管垂直度?？傮w思路為先粗略再精確，既保證安裝速度，又保證安裝精確性。

3.5 纜風(fēng)繩安裝

在樹柱安裝調(diào)整以后，通過(guò)相互垂直的4根纜風(fēng)繩進(jìn)行固定，在纜風(fēng)繩固定過(guò)程中需要對(duì)樹柱垂直度進(jìn)行再次復(fù)測(cè)。垂直度的復(fù)測(cè)采用2臺(tái)呈90°夾角的全站儀進(jìn)行測(cè)量觀察。保證纜風(fēng)繩的設(shè)置不影響樹柱垂直度。

3.6 支撐塔架及腳手架安裝

根據(jù)Midas軟件模擬分析施工過(guò)程中最易變形、最薄弱的點(diǎn)位，布置相應(yīng)的支撐塔架，為傘狀結(jié)構(gòu)桿件的安裝提供一個(gè)穩(wěn)定的支撐。同時(shí)，傘狀結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，故搭設(shè)盤扣式腳手架，便于結(jié)合結(jié)構(gòu)特性作出適應(yīng)性的變化。

3.7 樹冠安裝

傘狀不銹鋼結(jié)構(gòu)樹冠采用高空散拼的方式安裝，樹冠桿件眾多，單個(gè)傘冠面積約350 m2，含108根桿件。每根桿件的測(cè)量定位難度大，輔助格構(gòu)柱比較多，視野不通透，影響在礦坑內(nèi)的測(cè)量。對(duì)安裝后節(jié)點(diǎn)中心偏差要求高，焊接完成后桿件允許偏差限值為±20 mm。

樹冠部分的安裝需要保證空間定位的準(zhǔn)確性，通過(guò)將復(fù)雜的空間定位轉(zhuǎn)化為平面定位與高程定位這2種簡(jiǎn)單的定位方式來(lái)解決。平面控制方式由主、次肋軸線在格構(gòu)柱頂工作平臺(tái)的豎直投影組成，用于限定樹冠水平位置；高程控制方式由樹干頂部高程控制點(diǎn)組成。由于所有樹頂?shù)慕^對(duì)高程一致，故可通過(guò)在樹干頂確定高程控制點(diǎn)，進(jìn)而控制整個(gè)樹冠的高程。

3.7.1 主肋安裝

采用汽車吊或塔吊安裝主肋。主肋一端由樹干頂部弧形構(gòu)件承托，另外一端和中部分別采用主肋工裝支撐固定，主肋工裝由機(jī)械螺桿千斤頂和可調(diào)節(jié)夾具組合而成，千斤頂進(jìn)行主肋高度調(diào)整，可調(diào)夾具進(jìn)行主肋水平位移調(diào)整和角度調(diào)整，并可對(duì)主肋進(jìn)行完全固定（圖7）。

圖7 主、次肋末端定位點(diǎn)

由于次肋首端與主肋首端不在同一平面，主肋首端只需要對(duì)齊樹干矩形管頂部，次肋則需要根據(jù)樹干頂部的高程控制點(diǎn)往下移動(dòng)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，在粗略對(duì)準(zhǔn)后，用激光水平儀的豎直激光線對(duì)準(zhǔn)格構(gòu)柱工作臺(tái)上的軸線，調(diào)整主、次肋，使主、次肋的中心點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)激光線，即可保證主、次肋水平軸線方向的定位。在與軸線對(duì)準(zhǔn)后，再調(diào)整主、次肋末端位置。格構(gòu)柱上通過(guò)全站儀進(jìn)行主、次肋末端定位點(diǎn)放線，將五線激光水平儀放置在該點(diǎn)，通過(guò)頂部的十字交叉激光線定位主、次肋在軸線方向上的位置。主、次肋高程上的位置可用水平儀借助樹干頂部高程控制點(diǎn)確定，從而實(shí)現(xiàn)主、次肋末端在空間上的精確定位。

3.7.2 環(huán)肋安裝

環(huán)肋定位與主、次肋定位方法一致，通過(guò)在格構(gòu)柱工作平臺(tái)上進(jìn)行環(huán)肋水平面投影線的放樣，安裝時(shí)將環(huán)肋中心線對(duì)準(zhǔn)投影線，輔以水平儀控制高程即可（圖8）。

圖8 環(huán)肋安裝支撐結(jié)構(gòu)

3.7.3 次肋安裝

次肋在主肋安裝完成后，采用汽車吊或塔吊安裝。次肋一端與樹干臨時(shí)固定，另外一端和中部分別采用次肋工裝支撐固定，次肋工裝由機(jī)械螺桿千斤頂和可調(diào)節(jié)夾具組合而成，千斤頂進(jìn)行次肋高度調(diào)整，可調(diào)夾具進(jìn)行次肋水平位移調(diào)整和角度調(diào)整，并可對(duì)次肋進(jìn)行完全固定。

3.7.4 交叉桿安裝

亞克力安裝的支撐桿定位在不銹鋼傘狀樹交叉桿的中心點(diǎn)，考慮到受力分布的均勻性與支撐桿長(zhǎng)度的不變性，交叉桿中心點(diǎn)需要定位準(zhǔn)確。交叉桿構(gòu)件兩側(cè)在場(chǎng)內(nèi)根據(jù)模型進(jìn)行精確激光切割，能夠較好匹配主、次肋。在前2步精確定位安裝主、次肋后，在安裝交叉桿件時(shí)，由于主、次肋夾角與交叉桿切割后出現(xiàn)一邊大一邊小的形狀，將交叉桿放置在主、次肋之間就可粗略定位。然后通過(guò)全站儀對(duì)交叉桿中心進(jìn)行測(cè)量微調(diào)，即可較好地保證交叉桿安裝的高度與坐標(biāo)。中間桿件的安裝可采取如圖9所示的輔助構(gòu)件，桿件末端通過(guò)繩索綁定木板搭設(shè)在主、次肋上，起到臨時(shí)固定的作用。交叉位置需要定位準(zhǔn)確，定位方法與定位主、次肋相似，在格構(gòu)柱頂部放樣確定桿件交叉點(diǎn)處的水平位置，通過(guò)五線激光水平儀進(jìn)行定位。同時(shí)在交叉點(diǎn)處粘貼反光片，通過(guò)全站儀進(jìn)行精確復(fù)測(cè)與定位。

圖9 交叉桿安裝輔助措施布置

3.8 測(cè)量

測(cè)量控制網(wǎng)應(yīng)遵循先整體、后局部，高精度控制低精度的原則建立。測(cè)量控制網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)要選在通視條件良好、安全、易保護(hù)的地方。相應(yīng)等級(jí)基準(zhǔn)點(diǎn)的埋設(shè)不能低于規(guī)范的要求。測(cè)量控制網(wǎng)建立后要做好測(cè)量控制網(wǎng)的協(xié)同維護(hù)工作。

本工程平面控制網(wǎng)分兩級(jí)布設(shè)，第1級(jí)四邊形邊角網(wǎng)作為整體控制，第2級(jí)主軸線控制網(wǎng)直接用于施工放樣。

由于2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)都位于礦坑頂部的路面上，故在礦坑中進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可采用后方交會(huì)法，方便傘狀樹測(cè)量，且能自由建站，不需要進(jìn)行設(shè)站點(diǎn)的硬化與固定。可同時(shí)采用多個(gè)全站儀進(jìn)行建站測(cè)量，加快測(cè)量進(jìn)度。

3.9 不銹鋼結(jié)構(gòu)焊接

傘狀不銹鋼結(jié)構(gòu)焊接主要采用GTAW（鎢極惰性氣體保護(hù)焊）＋GMAW（手工電弧焊）結(jié)合的方式進(jìn)行。異形構(gòu)件無(wú)法在焊縫根部設(shè)置襯墊，通過(guò)GTAW打底，有效確保焊縫根部成形質(zhì)量；采用GMAW焊接中間層，提高焊接成形效率；采用GTAW蓋面，控制焊縫余高及表面成形質(zhì)量，減少后續(xù)打磨拋光工作量。

3.10 表面打磨拋光

打磨拋光工藝流程：表面檢查→（焊縫及兩側(cè)）粗磨→半精磨→精磨→拋光→擦亮。

打磨拋光質(zhì)量控制：材質(zhì)表面不允許有雜質(zhì)點(diǎn)、砂孔；后道工序須消除前道工序打磨痕跡；制定成品保護(hù)方案，避免產(chǎn)品二次受損，不允許有夾傷、壓痕、擦花。

3.11 結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

本項(xiàng)目的傘柱狀結(jié)構(gòu)采用不銹鋼作為主材，且結(jié)構(gòu)造型新穎，不僅作為植物園罩棚的支承結(jié)構(gòu)，還承載自重和亞克力板上部水荷載，施工過(guò)程中的安裝方案也較為復(fù)雜。傘柱狀結(jié)構(gòu)空間定位難度大，施工過(guò)程復(fù)雜，結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的主要受力構(gòu)件與一些關(guān)鍵部位的內(nèi)力、位移等參數(shù)的變化情況以及結(jié)構(gòu)卸載期間的受力狀態(tài)是否與初始設(shè)計(jì)相符，是否仍處于容許范圍以內(nèi)，成為一個(gè)不可忽視的問題。這就要求本工程在施工階段對(duì)鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.12 注意事項(xiàng)

1）不銹鋼焊接收縮變形量大，焊接工人應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝評(píng)定中規(guī)定的參數(shù)施焊，嚴(yán)格控制焊接電流、電壓和焊接速度。焊工需經(jīng)考試合格后持證上崗。

2）不銹鋼桿件在出廠前應(yīng)進(jìn)行打磨、拋光處理，以減少現(xiàn)場(chǎng)打磨拋光的工作量，現(xiàn)場(chǎng)安裝、焊接完成后需要對(duì)所有構(gòu)件進(jìn)行二次打磨拋光，以避免不同時(shí)期打磨拋光造成的表面明顯色差。

3）溫度收縮縫處理應(yīng)嚴(yán)格控制在25 ℃±2 K的情況下閉合施焊，旁邊放置測(cè)溫計(jì)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。若在一天中25 ℃±2 K的時(shí)段內(nèi)未完成閉合施焊，應(yīng)停止施焊，待第2天繼續(xù)在25 ℃±2 K的時(shí)段完成施焊。

4 結(jié)語(yǔ)

在傘狀樹不銹鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，通過(guò)采取BIM模擬施工、仿真分析計(jì)算、關(guān)鍵控制部位健康檢測(cè)等措施，傘狀不銹鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度、焊接質(zhì)量、表觀效果等均得到了良好的控制。在此基礎(chǔ)上，編制形成了不銹鋼結(jié)構(gòu)施工的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和不銹鋼結(jié)構(gòu)焊縫探傷標(biāo)準(zhǔn)，為不銹鋼作為主受力結(jié)構(gòu)在建筑工程中的推廣應(yīng)用奠定了相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)。