“玉蘭”造型展館鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工技術(shù)研究

王 偉，艾宇航，王龍飛

(中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100070)

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)輕巧、安裝拆卸簡便、施工速度快、空間范圍大、相同荷載能夠擁有更大的跨度的特點，因此在展館、體育館、工程以及機場等大型建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著建筑業(yè)的發(fā)展和冶鋼技術(shù)的推進，鋼結(jié)構(gòu)吊裝技術(shù)與鋼材的質(zhì)量近年來穩(wěn)步提升，為鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)與應(yīng)用經(jīng)驗。近年來，建筑鋼結(jié)構(gòu)逐步呈現(xiàn)出向高強度、大跨度方向發(fā)展的趨勢，對施工方案的專業(yè)性和可靠性都提出了更高的要求。展館這類公共建筑對空間的需求較大，通常采用大跨度的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得屋蓋結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性成了決定展館建筑項目質(zhì)量與安全的關(guān)鍵因素。本文以連云港市“玉蘭”造型展館為例，對屋蓋結(jié)構(gòu)吊裝施工與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工技術(shù)進行了分析研究，在主要考慮施工條件與結(jié)構(gòu)受力的前提下，綜合考量施工效率與工程效益，通過將各種鋼結(jié)構(gòu)施工方法結(jié)合，實現(xiàn)了安全、高效拼裝。

1 工程概況

1.1 工程概況

本工程位于連云港市云臺農(nóng)場范圍內(nèi)，西起現(xiàn)狀道路，北至規(guī)劃新建東路。建筑總面積約60 661.62 m2，其中，主展館工程總建筑面積26 714 m2，總用地面積11 759 m2。建筑總高度為30 m，地上地下共兩層，局部中庭采用雙層混凝土結(jié)構(gòu)。建筑整體造型擷取玉蘭花開意向，在秦漢建筑敞頂重檐的形體特征上進行了抽象簡化，在兼顧外觀的同時規(guī)劃塑造三維內(nèi)部空間，使建筑呈現(xiàn)出了位置中正的端莊形態(tài)。建筑效果圖如圖1所示。

圖1 主展館效果圖

1.2 工程特點與施工難點

這類大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)件多，桿件受力復(fù)雜，應(yīng)力難度較大，一般為了確定桿件的應(yīng)力情況或預(yù)測形變需要用模擬軟件進行系統(tǒng)的分析計算，從而確定最合適吊點布置方案。在本項目的施工過程中，采用了分區(qū)施工的方式，分區(qū)劃分需要能實現(xiàn)部分整體獨立拼裝而后吊裝拼接成整體。

其次，展館類工程在工程結(jié)構(gòu)尚未成型的初期，一般需要搭建臨時支撐結(jié)構(gòu)，因為此時的部分結(jié)構(gòu)還不能負(fù)擔(dān)自重，這種臨時支撐結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)承載結(jié)構(gòu)自重和施工中產(chǎn)生的暫時壓力負(fù)荷。展館工程跨度大且分為上下兩層，因此所需的臨時結(jié)構(gòu)數(shù)量較多而且分布復(fù)雜，設(shè)置時候精度要求相對更高。[1]這種臨時結(jié)構(gòu)會使得結(jié)構(gòu)附件的應(yīng)力增加，這部分在一般的施工計算中有時候會被忽略，導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)力損壞。在鋼結(jié)構(gòu)進行拼裝的過程中，部分臨時支撐結(jié)構(gòu)需要拆卸，使得建筑結(jié)構(gòu)符合原始設(shè)計，此時鋼結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)發(fā)生變化，容易出現(xiàn)短時間內(nèi)局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，影響構(gòu)件承載能力。因此，臨時支撐拆卸過程需要謹(jǐn)慎考慮結(jié)構(gòu)體系的變化以及桿件的受力情況，保證整體結(jié)構(gòu)安穩(wěn)成型、承載能力不受損傷[2]。

2 總體施工思路

本工程占地面積大、施工工期緊、涉及專業(yè)多，將出現(xiàn)同一施工區(qū)多個專業(yè)共同施工的現(xiàn)象，且材料、機械、設(shè)備投入量大。為了充分保證施工進度、減少相關(guān)專業(yè)施工之間的干擾，需要精心規(guī)劃各階段的施工總平面布置以及交通組織。

本工程鋼結(jié)構(gòu)依據(jù)結(jié)構(gòu)施工流向，同時結(jié)合單體平面分布情況及施工工作量情況，施工區(qū)域劃分為屋面鋼結(jié)構(gòu)施工區(qū)、中庭鋼結(jié)構(gòu)吊裝區(qū)、景觀墻面鋼結(jié)構(gòu)施工區(qū)、入口桁架鋼結(jié)構(gòu)4個施工區(qū)，各施工分區(qū)相互獨立，分區(qū)施工，分區(qū)管理。具體分區(qū)如圖2所示。

圖2 展館分區(qū)結(jié)構(gòu)圖

3 鋼結(jié)構(gòu)加工技術(shù)

“玉蘭”造型展館鋼結(jié)構(gòu)工程需要加工的構(gòu)件主要為H型鋼、管桁架結(jié)構(gòu)以及鋼管柱等。其中，工程屋面鋼結(jié)構(gòu)框架柱采用方管柱，鋼梁為成品H型鋼梁，桁架為圓管，材質(zhì)均為Q355B。鋼柱規(guī)格為Φ500×16、鋼梁的規(guī)格為：HM 588×300×12×20、HN 300×150×6.5×9、HN 400×200×8×13；中心橢圓鋼結(jié)構(gòu)及南北主入口采用鋼管規(guī)格主要為：Φ180×6、Φ102×4、Φ76×4；裝飾墻鋼結(jié)構(gòu)采用箱型柱及箱型梁，規(guī)格為：Φ400×8、Φ300×8、Φ200×5、Φ150×4、矩500×300×10。主要加工構(gòu)件箱型柱和桁架鋼管下料貫口。

3.1 H型鋼加工制作

H型鋼主要通過焊接法制作，制作規(guī)則器件采用數(shù)控直條切割機，制作不規(guī)則器件采用自動控制切割機，H型鋼兩側(cè)同時垂直地面下料，現(xiàn)場采用自動火焰切割機對腹板進行切割，而后氣焊定位。在保證焊縫之間有充足的距離的基礎(chǔ)上進行組立。[3]焊接時焊至一半以上時候進行反面清根，而后自60°的另一側(cè)進行二次焊，翻轉(zhuǎn)后完成焊接。對于重要的焊接接頭應(yīng)采用開坡口的焊縫，防止因未焊透而產(chǎn)生應(yīng)力集中。焊接完成的部件多數(shù)需要進行矯正，具體矯正方法見表1。

表1 矯正原則表

3.2 箱型構(gòu)件加工制作

本項目中箱型構(gòu)件加工制作采用常規(guī)加工流程，預(yù)處理后進行矯平，下料切割后進行二次矯平，面板定位后組裝隔板與腹板，安裝隔板采用電渣焊，箱體本身采用電弧焊，銑平之后部件按照標(biāo)準(zhǔn)進行合格檢測。

3.3 桁架構(gòu)件加工制作

桁架構(gòu)件加工制作過程中，相貫線切割的質(zhì)量好壞是決定構(gòu)件質(zhì)量的關(guān)鍵內(nèi)容，本項目中鋼管的相貫面的切割只采用圓管數(shù)控相貫線切割機——數(shù)控六維相貫線切割機進行切割。此設(shè)備操作方便，加工精度高，切割全程可自動化控制，單次操作即可完成坡口切割，可以同時實現(xiàn)構(gòu)件的內(nèi)外定位[4]。

4 鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

“玉蘭”造型展館工程的鋼結(jié)構(gòu)主要用于主展館幕墻支撐，總工程量為2 500 t，施工分區(qū)如圖2所示。項目的主要施工內(nèi)容集中在屋面鋼結(jié)構(gòu)部分，其余部分內(nèi)容包括中庭、入口與景觀墻結(jié)構(gòu)的施工。

4.1 屋面鋼結(jié)構(gòu)吊裝

4.1.1 工藝流程

施工準(zhǔn)備→軸線復(fù)測→鋼柱吊裝→主梁吊裝→次梁吊裝→結(jié)構(gòu)焊接穩(wěn)固→懸挑主梁吊裝→懸挑次梁吊裝→結(jié)構(gòu)焊縫補焊收尾。

4.1.2 施工方法

屋面構(gòu)件為箱型柱及方管鋼梁相結(jié)合，下方為樓面結(jié)構(gòu)，吊機只能在外側(cè)及中庭位置站位吊裝，鋼梁自重最大的為約1.8 t，鋼柱最大自重為2.5 t，具體鋼結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 屋面鋼結(jié)構(gòu)示意圖

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工后在現(xiàn)場進行施工準(zhǔn)備，吊裝到應(yīng)有的位置后在空中進行拼裝，屋面結(jié)構(gòu)按照既定順序流水施工。由于屋面的施工過程中并不完全獨立，因此需要與其他的施工單元進行配合。施工過程中，對于吊塔幅度60 m以內(nèi)的鋼柱采用塔吊進行吊裝，其余中庭周圍的鋼柱均在塔吊吊裝幅度外，鋼柱采用50 t汽車吊在中庭位置吊裝[5],如圖4所示。

圖4 吊裝布置示意圖

經(jīng)過核算，邊緣鋼柱自重2.5 t，中心區(qū)軸線間鋼柱為1.2 t。工程塔吊在60 m幅度內(nèi)最小吊裝能力為1.5 t。邊緣鋼柱均在塔吊40 m幅度內(nèi)，配套塔吊幅度40 m，吊裝能力2.67 t，均可滿足吊裝要求。

本工程吊裝難度最大的構(gòu)件為跨中軸的主梁，此梁處于跨中位置，吊裝半徑大，自重最重。此梁長度為10 500 mm，自重為1.6 t。采用塔吊吊裝，安裝遵循“先下后上、先里后外、先主后次、先長后短”的安裝順序，吊裝時采用開孔吊裝，吊裝就位后立即夾好連接板。

鋼柱安裝前需要首先設(shè)置預(yù)埋件，而后利用調(diào)節(jié)螺母矯正標(biāo)高，安裝鋼柱時，將鋼柱的中心線與基礎(chǔ)放線中心線對齊，將偏差控制在允許范圍內(nèi)。鋼柱的吊裝按照預(yù)定順序進行，根據(jù)箱式原則優(yōu)先采用能夠快速形成框架的安裝方案，安裝后需要及時矯正，確保標(biāo)高、垂直度等指標(biāo)在合格范圍內(nèi)，以保證安裝的準(zhǔn)確度[6]。

4.2 中庭鋼結(jié)構(gòu)吊裝

4.2.1 工藝流程

施工準(zhǔn)備→軸線復(fù)測→桁架地面拼裝→桁架吊裝→桁架間水平桁架及吊裝→支撐吊裝→結(jié)構(gòu)焊縫補焊收尾。

4.2.2 施工方法

中庭構(gòu)件部分主要由立面桁架和平面桁架和必要的支撐部分共同構(gòu)成，本部分采用整體吊裝法，桁架均在地面拼裝成型利用汽車吊吊裝。這種方式適合于中庭這種矢高不大、跨度適中的曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，由于地面進行總拼網(wǎng)格，與屋面鋼結(jié)構(gòu)采用的分塊吊裝法相比，施工速度更快、拼裝質(zhì)量更高[7]。

經(jīng)過工程核算，桁架最大自重1.8 t，50 t汽車吊工作半徑為20 m、主臂42.7 m的工況下吊裝能力為4 t，可以滿足吊裝要求。吊裝立面圖如圖5所示。

圖5 中庭吊裝立面圖

中庭的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在地面進行拼裝時選擇就地拼裝，主要采用立柱錯位拼裝法。這主要是考慮到吊裝設(shè)施的承載問題，由于中庭處于施工場地中心位置，機械運載需要多方配合難度較大，且處于定點吊塔的施工范圍之外。網(wǎng)格進行提升的時候，需要進行平移或者轉(zhuǎn)動，距離為2 m以內(nèi)，而后才下降完成就位，這主要是因為柱是穿插在網(wǎng)格當(dāng)中的，梁但凡是與柱連接的部分均需要斷開，等到吊裝完成后再進行施工焊接框架梁。在本項目中，汽車吊裝首先完成第一榀桁架的吊裝，而后吊裝相應(yīng)的支撐件，保證吊裝部分與土建結(jié)構(gòu)形成可靠的連接，加強結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性。吊裝第二榀桁架后就開始拼接吊裝桁架間支撐輔助件，逐步形成穩(wěn)定體系，最終形成完整的吊裝結(jié)構(gòu)[8]。

4.3 景觀墻與入口鋼結(jié)構(gòu)吊裝

4.3.1 工藝流程

施工準(zhǔn)備→軸線復(fù)測→立柱吊裝→連墻構(gòu)件安裝→桁架地面拼裝→桁架吊裝→桁架間水平桁架及吊裝→支撐吊裝→雨棚桁架吊裝→結(jié)構(gòu)焊縫補焊收尾。

4.3.2 施工方法

景觀墻與入口的鋼結(jié)構(gòu)的桁架結(jié)構(gòu)與支撐較為類似，如圖6所示，兩個分區(qū)可采取相同的吊裝方法。這兩部分結(jié)構(gòu)承載力主要依靠結(jié)構(gòu)本身，因此主要需要克服桁架結(jié)構(gòu)的自身重力。這種結(jié)構(gòu)特征決定了此類安裝部分適合采取折疊展開式的吊裝施工法。桁架在地面臥式拼裝。

圖6 景觀墻(a)與入口(b)鋼結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過受力核算，桁架最大自重為5.5 t，50 t汽車吊工作半徑為12 m，主臂42.7 m的工況下吊裝能力為7.8 t，可以滿足吊裝要求。支撐為單根構(gòu)件最大自重小于1 t,則選擇用6015塔吊吊裝。

施工過程中主要在地面安裝大部分的組件，但與傳統(tǒng)的組裝不同之處在于需要設(shè)置平行于母線的縱線，將需拼裝的結(jié)構(gòu)劃分成幾個區(qū)域，各部分之間不進行連接組裝，而是用鉸鏈連接起來，然后利用吊裝設(shè)施進行提升，最后進行部件的配裝和添補工作。提升的過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)部可能會產(chǎn)生一定的附加作用力，因此在吊裝前設(shè)置了6根定位的臨時拉索，用來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的定位控制，防止其發(fā)生水平位移和形變。景觀墻與入口處的跨度都不大，因此可以采用對吊裝拉桿添加預(yù)應(yīng)力的方式來消除結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水平位變。

5 鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場焊接

項目中涉及的鋼材主要為合金鋼材，鑄成鋼管桁架構(gòu)成主體桿結(jié)構(gòu)，由于“玉蘭”造型展館鋼結(jié)構(gòu)規(guī)模較大，整體桿構(gòu)件數(shù)量導(dǎo)致現(xiàn)場焊接的工程量相當(dāng)可觀，現(xiàn)場焊接鋼管的拼裝焊接和對接焊接為主要工作內(nèi)容，需要保證焊接質(zhì)量。

焊接過程中，焊接點處的熱被周圍介質(zhì)吸收傳導(dǎo)會導(dǎo)致溫度快速下降，小范圍應(yīng)力快速集中，導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生裂紋，造成材質(zhì)破壞，在進行定位焊的時候，需要提高預(yù)定的加熱溫度。本項目采取在焊接點的背面相對位置進行電加熱的預(yù)加熱方式，取得了良好的預(yù)防效果。為進一步避免冷介質(zhì)的影響，施工過程中需要控制周圍環(huán)境的因素，增長焊縫長度，加大焊腳的尺寸[6]。

焊接過程中，將各層之間的焊接溫度維持在220 ℃上下，一般采用自動控溫示溫裝置來調(diào)節(jié)溫度，對溫度進行核對。焊后需要較長時間對部件進行強度和完整性檢測，保證焊接構(gòu)件滿足工程要求[8]。

6 結(jié)束語

本文以“玉蘭”造型展館項目為例，詳細(xì)介紹了此類大跨度展館鋼結(jié)構(gòu)的施工過程中采用的施工方案與施工技術(shù)。

(1) 介紹了該工程鋼結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)特征與施工的全過程，從構(gòu)件制作、分區(qū)吊裝和整體焊接三個方面介紹了施工工藝以及質(zhì)量控制方法。

(2) 介紹了屋面、中庭、景觀墻和入口的吊裝施工流程和具體的工藝方法，對不同的吊裝方案進行了側(cè)面的對比分析，器械吊裝能力進行了核算，對類似鋼結(jié)構(gòu)吊裝提供了實踐經(jīng)驗。

(3) 該工程鋼結(jié)構(gòu)安裝與施工技術(shù)的良好運用是“玉蘭”造型展館順利竣工的基礎(chǔ)，實現(xiàn)了良好的經(jīng)濟效益，為其他類似工程的施工方案的制定提供了參考。