首都博物館東館梭形鋼柱體系施工技術(shù)

閻中鈺 武文濤 唐志超 胡雨 鄭奇星

0 引言

首都博物館東館項目位于北運(yùn)河畔，由主樓和市民共享大廳兩部分組成，宛如“運(yùn)河之舟”，喻義深遠(yuǎn)（如圖1）。首都博物館東館定位為智慧型綜合博物館，建成后將充分利用北京豐富的歷史文化資源，向參觀者展現(xiàn)出一個北京文化遺產(chǎn)與自然遺產(chǎn)的寶庫，成為提升城市副中心文化軟實(shí)力的重要陣地和展示城市發(fā)展的生動窗口，為參觀者帶來文化熏陶與情感共鳴，進(jìn)一步滿足市民的文化休閑需求。

圖1 “運(yùn)河之舟”效果圖

1 梭形鋼柱體系施工概況

梭形鋼柱體系包含球鉸支座、梭形鋼柱、人字形鋼梁、連接梭形鋼柱與人字形鋼梁的銷軸、弧形鋼梁等組成（如圖2）。梭形鋼柱與混凝土基礎(chǔ)通過球鉸支座進(jìn)行連接，球鉸支座下支座板與上支座板分別與基礎(chǔ)預(yù)埋件和梭形鋼柱焊接連接。梭形鋼柱通過銷軸與主樓屋面的人字形鋼梁連接，起到支撐作用?；⌒武摿号c人字形鋼梁焊接連接，經(jīng)過節(jié)點(diǎn)設(shè)計優(yōu)化，弧形鋼梁與人字形鋼梁連接節(jié)點(diǎn)位于銷軸后面，達(dá)到突出梭形鋼柱的建筑效果。

圖2 梭形鋼柱體系三維模型

梭形鋼柱體系是首都博物館東館項目施工中的重點(diǎn)、難點(diǎn)。梭形鋼柱體系位于主樓鋼屋面北側(cè)結(jié)構(gòu)。為了營造高低錯落的船帆形象，梭形鋼柱體系內(nèi)的6 根梭形鋼柱不僅重量、長度不同，梭形鋼柱的傾斜角度和指向各不相同。同時，梭形鋼柱與人字形鋼梁連接的銷軸耳板的高度、人字形鋼梁兩肢的標(biāo)高、弧形鋼梁的跨度和兩端的設(shè)計標(biāo)高等數(shù)值均存在一定的差異，每個梭形鋼柱體系的施工過程數(shù)據(jù)無法共享。主樓屋面鋼結(jié)構(gòu)的6 個梭形鋼柱體系需要分別進(jìn)行施工數(shù)據(jù)的計算分析。借助有限元分析技術(shù)，使用Midas 軟件計算整個鋼屋面結(jié)構(gòu)體系在施工過程中的應(yīng)力應(yīng)變具體數(shù)值，指導(dǎo)施工過程。

2 梭形鋼柱體系施工技術(shù)要點(diǎn)

2.1 球鉸支座施工技術(shù)

梭形鋼柱體系內(nèi)共有6 個球鉸支座，球鉸支座與梭形鋼柱相對應(yīng)，呈弧形放射狀排布，傾斜角度范圍為27～30。球鉸支座上部連接梭形鋼柱，下部連接混凝土基礎(chǔ)預(yù)埋件（如圖3）。預(yù)埋件材質(zhì)與梭形鋼柱保持一致，便于進(jìn)行球鉸支座焊接工藝評定。球鉸支座安裝前先安裝預(yù)埋件，調(diào)整加固后再安裝焊接球鉸支座，最后澆筑預(yù)埋件下混凝土。安裝預(yù)埋件時，預(yù)先在預(yù)埋件下混凝土柱內(nèi)設(shè)置埋件支架，澆筑混凝土柱時將埋件支架固定在混凝土中，用于預(yù)埋件安裝校正與固定。

圖3 球鉸支座連接示意圖

球鉸支座結(jié)構(gòu)的上、下支座板采用鑄鋼材質(zhì)，在與梭形鋼柱焊接施工時，需提前進(jìn)行焊接工藝評定，采用科學(xué)合理的焊接工藝，保證球鉸支座的焊接質(zhì)量。焊接時嚴(yán)格按照焊接工藝施焊，避免因焊縫不均勻收縮引起結(jié)構(gòu)變形和其他焊縫質(zhì)量問題。球鉸支座與混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)埋件焊接時，采取先焊接、后澆筑的施工順序，即先將球鉸支座與預(yù)埋件之間的焊縫焊接完成，待其探傷合格后，再進(jìn)行預(yù)埋件的澆筑。在澆筑混凝土之前對球鉸支座進(jìn)行方位調(diào)整，保證球鉸支座安裝精度。本工程預(yù)埋件下部混凝土采用灌漿料，首次澆筑混凝土?xí)r澆筑標(biāo)高低于預(yù)埋件，待球鉸支座焊接完成后，使用灌漿料將預(yù)埋件完全包裹，避免先澆筑后焊接造成預(yù)埋件下混凝土過熱開裂，影響結(jié)構(gòu)安全性。

2.2 梭形鋼柱施工技術(shù)

球鉸支座安裝校正、焊接完成，埋件下混凝土強(qiáng)度達(dá)到梭形鋼柱按安裝強(qiáng)度以后進(jìn)行梭形鋼柱的安裝。考慮車輛運(yùn)輸限制及吊裝便利性將梭形鋼柱分為4 段，在加工廠進(jìn)行加工，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場后先在地面拼裝，分兩段進(jìn)行吊裝。減少高空拼裝作業(yè)，一方面降低高空作業(yè)風(fēng)險，一方面在地面拼裝有利于提高梭形鋼柱整體直線度與安裝精度。梭形鋼柱安裝采用高低分布的臺階式支撐胎架（如圖4），利用高、低兩個胎架安裝上、下兩段梭形鋼柱，安裝完成校正后將兩段梭形柱進(jìn)行焊接。焊接時嚴(yán)格按照焊接工藝所述的焊接方法進(jìn)行，避免產(chǎn)生焊接質(zhì)量問題。

圖4 臺階型高低胎架支撐梭形鋼柱

梭形鋼柱安裝前先安裝支撐胎架，采用標(biāo)準(zhǔn)型支撐胎架，可增加胎架周轉(zhuǎn)利用次數(shù)。在施工前對支撐胎架和梭形鋼柱的安裝進(jìn)行有限元分析，利用有限元分析技術(shù)得出的支撐胎架和梭形鋼柱的變形數(shù)據(jù)，調(diào)整梭形鋼柱的施工，合理選用標(biāo)準(zhǔn)型支撐胎架。臺階型布置高低胎架相較于龍門型布置胎架，節(jié)省胎架用量將近一半，但胎架整體結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度有所降低，采用熱軋H 型鋼對高低胎架進(jìn)行連接加固，并提前在建筑結(jié)構(gòu)上預(yù)埋鋼埋件，使用熱軋H 型鋼將胎架焊接連結(jié)于建筑結(jié)構(gòu)上，同時拉設(shè)纜風(fēng)繩，提高胎架整體抗變形能力。在胎架頂部設(shè)置調(diào)節(jié)段，對梭形鋼柱進(jìn)行標(biāo)高的調(diào)整。

梭形鋼柱安裝前，通過有限元分析計算得出梭形鋼柱的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，確定梭形鋼柱預(yù)起拱數(shù)值，應(yīng)用到施工測量數(shù)據(jù)中，避免梭形鋼柱在卸載后出現(xiàn)下?lián)?。在安裝前，利用有限元分析技術(shù)得出的數(shù)據(jù)確定吊裝吊點(diǎn)的位置與選用的鋼絲繩規(guī)格，利用Tekla Structures 建立三維模型，確定吊裝時鋼絲繩的長度。梭形鋼柱傾斜角度為27～30，主吊點(diǎn)位置設(shè)置在吊裝構(gòu)件的重心靠上位置，承擔(dān)構(gòu)件的主要重量，為便于對梭形鋼柱的安裝角度進(jìn)行調(diào)整，在構(gòu)件底部設(shè)置輔助吊點(diǎn)，用于對梭形鋼柱的安裝角度進(jìn)行調(diào)整（如圖5）。

圖5 梭形鋼柱吊裝示意圖

梭形鋼柱采用350t 履帶吊進(jìn)行吊裝，在吊裝時提前進(jìn)行調(diào)整，首先布置好吊裝鋼絲繩，將梭形鋼柱提升至離地面300mm，待吊裝構(gòu)件穩(wěn)定后，檢查梭形鋼柱安全無誤后，將梭形鋼柱提升至設(shè)計位置并進(jìn)行校正，調(diào)整胎架調(diào)節(jié)段的高度，對梭形鋼柱進(jìn)行標(biāo)高調(diào)節(jié)。由于6 根梭形柱長度、重量各不相同，在分析計算和建立模型時需分別進(jìn)行，得到不同的數(shù)據(jù)，施工數(shù)據(jù)不可復(fù)制，但施工順序相同。為了避免梭形鋼柱下?lián)?，對梭形鋼柱進(jìn)行反向起拱，所以吊裝完成后，梭形鋼柱的空間坐標(biāo)位置與設(shè)計坐標(biāo)位置有所出入。在梭形鋼柱安裝完成后，測量梭形鋼柱的實(shí)際位置坐標(biāo)，計算梭形鋼柱銷軸耳板與屋面南側(cè)鋼梁接口處的空間距離，為人字形鋼梁的地面拼裝提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 人字形鋼梁施工技術(shù)

“人”字形鋼梁一端與屋面鋼梁焊接連接，一端通過銷軸與梭形鋼柱相連?？紤]加工與運(yùn)輸?shù)谋憷?，人字形鋼梁采用分段加工運(yùn)輸，現(xiàn)場拼裝，整體吊裝的施工方法進(jìn)行安裝。人字形鋼梁與屋面鋼梁連接一端的標(biāo)高低于銷軸處標(biāo)高，整體由南向北呈向上姿態(tài)，帶有一定的傾斜角度，安裝時需進(jìn)一步控制。采取地面拼裝方法，降低高空作業(yè)難度與高空作業(yè)時間，有利于控制施工成本，降低施工安全風(fēng)險。

人字形鋼梁位于主樓屋面鋼梁北段，在屋面南側(cè)鋼梁與梭形鋼柱安裝完成之后安裝人字形鋼梁。人字形鋼梁分段運(yùn)輸至施工現(xiàn)場后，在地面制作胎架，先進(jìn)行拼裝，拼裝完成后整體吊裝。由于運(yùn)輸車輛的限制人字形鋼梁分三段進(jìn)行加工，每段鋼梁需在組裝焊縫處留6mm 的間隙。人字形鋼梁安裝前，首先對屋面鋼梁與梭形鋼柱銷軸耳板進(jìn)行三維坐標(biāo)測量，測量得出的數(shù)據(jù)反饋到使用Tekla Structures 建立的三維模型中，得出人字形鋼梁的實(shí)際總長度。人字形鋼梁構(gòu)件長度超出測量得到的梭形鋼柱與屋面南側(cè)鋼梁的凈空距離，調(diào)整人字形鋼梁構(gòu)件長度，使其滿足構(gòu)件設(shè)計要求，并使其契合施工現(xiàn)場的安裝需要。

人字形鋼梁安裝時采用四點(diǎn)吊裝，人字形鋼梁向上傾斜一定的角度。利用有限元分析技術(shù)和Tekla Structures 三維模型技術(shù)，確定吊裝吊點(diǎn)的位置與選用的鋼絲繩規(guī)格長度，根據(jù)鋼絲繩的長度調(diào)整人字形鋼梁仰角（如圖6）。將人字形鋼梁吊裝離地300mm，待人字形鋼梁構(gòu)件穩(wěn)定后，對其傾斜仰角進(jìn)行檢查調(diào)整，使其能夠順利插入梭形鋼柱銷軸耳板。選用鋼絲繩的規(guī)格需要經(jīng)過有限元分析計算，保證人字形鋼梁吊裝過程中鋼絲繩承受最大拉力時的安全性。

圖6 人字形鋼梁吊裝示意圖

人字形鋼梁一端通過直徑300mm 銷軸與梭形鋼柱連接，梭形鋼柱上設(shè)計銷軸耳板。人字形鋼梁與梭形鋼柱銷軸耳板的銷軸孔直徑僅比銷軸直徑大2mm，在安裝時控制人字形鋼梁與梭形鋼柱的精度十分重要。人字形鋼梁安裝前測量人字形鋼梁設(shè)計位置的三維坐標(biāo)，確定人字形鋼梁的安裝位置，合理控制人字形鋼梁構(gòu)件加工長度?？刂迫俗中武摿焊鳂?gòu)件組裝時的焊縫間隙，最后組裝人字形鋼梁，保證銷軸順利貫穿的同時，提高人字形鋼梁的安裝精度，保證人字形鋼梁焊接端的焊接工藝要求。為營造屋面起伏的建筑效果，梭形鋼柱銷軸耳板設(shè)計高度各不相同，與之對應(yīng)的人字形鋼梁銷軸耳板及人字形鋼梁仰角也各不相同，在施工時，需分別進(jìn)行過程分析得出相對應(yīng)的施工數(shù)據(jù)，正確引導(dǎo)施工。

2.4 弧形梁施工技術(shù)

弧形鋼梁位于兩個梭形鋼柱和人字形鋼梁單元中間，起穩(wěn)固結(jié)構(gòu)體系和營造建筑形象作用?；⌒瘟何恢孟鄬τ谒笮武撝笠?，人字形鋼梁銷軸耳板后部設(shè)置牛腿與弧形梁連接，人字形鋼梁銷軸端標(biāo)高各不相同，弧形梁兩端標(biāo)高也不相同，弧形梁跨度37.5m。根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸情況將弧形梁分為三段在加工廠進(jìn)行加工，為避免弧形梁下?lián)?，在加工時預(yù)先起拱，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場后，在地面布置拼裝胎架，拼裝完成后進(jìn)行整體吊裝。

弧形梁在拼裝前，首先測量連接弧形梁兩端人字形鋼梁牛腿的凈空距離。確定弧形梁的空間尺寸數(shù)據(jù)，根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)，對分為三段的弧形梁進(jìn)行調(diào)整，焊接時嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，降低焊接收縮變形對弧形梁整體的影響?；⌒瘟喊惭b時在梁跨中間位置設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)支撐胎架，胎架頂部設(shè)置調(diào)節(jié)段，控制弧形梁吊裝過程中的下?lián)献冃魏突⌒瘟簶?biāo)高，為鋼結(jié)構(gòu)屋面后續(xù)構(gòu)件的安裝提供安全保障，待鋼構(gòu)件全部安裝完畢后和梭形鋼柱下的支撐胎架同步卸載。

弧形梁由于跨度較大，需要對吊裝過程進(jìn)行有限元分析，選擇合適的吊點(diǎn)，避免弧形梁在吊裝過程中產(chǎn)生較大的下?lián)献冃巍＞C合考慮弧形梁的自重與有限元分析結(jié)果，采取四點(diǎn)吊裝，兩吊點(diǎn)選擇在弧形梁中間位置，剩余兩吊點(diǎn)選擇在弧形梁兩端，梁中兩吊點(diǎn)的距離考慮350t 履帶吊吊鉤的尺寸確定（如圖7）。根據(jù)有限元分析的結(jié)果，建立吊裝三維模型，弧形梁兩端吊點(diǎn)連接鋼絲繩用于承擔(dān)吊裝職能的同時，還可利用鋼絲繩的長度調(diào)整弧形梁兩端的標(biāo)高?；⌒瘟喊惭b到位后先采用安裝螺栓，調(diào)整校正完成后，使用扭剪型高強(qiáng)度螺栓替換安裝螺栓，扭剪型高強(qiáng)度螺栓終擰后外露絲扣不應(yīng)少于2 扣，最后進(jìn)行焊接作業(yè)，焊縫探傷合格后，再行安裝梭形鋼柱體系之間的剩余構(gòu)件。

圖7 弧形梁吊裝示意圖

3 結(jié)語

博物館類建筑通常承載一定的歷史文化特色，常設(shè)計較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式與建筑形象，在施工過程中實(shí)現(xiàn)設(shè)計意圖具有一定的難度。施工過程中對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)自重荷載與屋面荷載，避免卸載后的其他施工過程引起結(jié)構(gòu)下?lián)?。通過本文的敘述，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工重難點(diǎn)進(jìn)行拆分，鋪陳施工方法，借助有限元分析技術(shù)，總結(jié)此類博物館建筑的施工過程與方法，給以后類似博物館建筑的施工提供借鑒。