雙曲面大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架施工技術(shù)分析

王文彬

建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平是一個國家整體經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技實(shí)力的體現(xiàn)，而作為現(xiàn)代建筑工程施工中最常用的一種鋼結(jié)構(gòu)形式，雙曲面大跨度鋼結(jié)構(gòu)是建筑施工技術(shù)創(chuàng)新的代表[1]。其不僅延續(xù)了鋼結(jié)構(gòu)體系受力支撐效果良好的優(yōu)點(diǎn)，同時也完善了建筑鋼結(jié)構(gòu)的形態(tài)，采用曲面重力分擔(dān)方式來提升鋼結(jié)構(gòu)的受力水平，為進(jìn)一步創(chuàng)新建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用方式提供了新的突破點(diǎn)和方向[2]。

在實(shí)際施工過程中應(yīng)用雙曲面大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架施工技術(shù)，首先需要構(gòu)建雙曲面大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工模型，然后在此基礎(chǔ)上分析該模型的力學(xué)穩(wěn)定性和可能存在的施工風(fēng)險，最后安裝桁架。

1 雙曲面大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架理論分析

1.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特征

從結(jié)構(gòu)上來講，雙曲面是一種對稱的三維形狀，是通過繞對稱軸旋轉(zhuǎn)而成[3]。在實(shí)際的建筑工程中，雙曲面大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架可以對傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化改造，以擴(kuò)大傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的受力面積，提升其支撐效果。一般來說，雙曲面大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架在建筑工程中都是作為主要的承重部分使用的，能夠有效分解建筑物主體的承載力，并提升建筑物的穩(wěn)定性和牢固性[4]。

從實(shí)際應(yīng)用效果來看，雙曲面大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架具有以下2 個特征：第1，靈活性強(qiáng)，可以采用單元式拼裝方式使得雙曲面大跨度鋼結(jié)構(gòu)不易受到外部鋼結(jié)構(gòu)框架的影響，大大提升了建筑施工方案的靈活性；第2，兼容性高，建筑工程中應(yīng)用雙曲面大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架時，還可以結(jié)合工程項(xiàng)目建設(shè)需求對網(wǎng)架進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

1.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分析

在實(shí)際的建筑工程中，雙曲面大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架由內(nèi)部網(wǎng)架和外部桁架兩部分組成，其中內(nèi)部網(wǎng)架是對建筑工程內(nèi)部結(jié)構(gòu)體的拼裝組合，起著襯托鋼結(jié)構(gòu)體系和連接各部分結(jié)構(gòu)的作用[5]。外部桁架通常采用高空散拼裝的方式和內(nèi)部網(wǎng)架組成一個有機(jī)整體，并同時和鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部的曲面球支撐桿相連。

2 雙曲面大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架施工技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 工程概況

洛寧縣全民健身體育活動中心項(xiàng)目是由中國電建市政建設(shè)集團(tuán)有限公司承包，該工程位于洛寧縣福寧大道以南，濱河大道以北，東臨延壽路，西鄰長虹路。項(xiàng)目規(guī)劃總占地面積為127780 m2，總投資約3.5 億元，總建筑面積約41052.09 m2，建設(shè)內(nèi)容包含4000 人體育館和6000 人體育場，包含的建筑單體子項(xiàng)有游泳館、全民健身館、體育館、體育場看臺及室外平臺。體育館設(shè)計(jì)為地上三層，游泳館及全民健身館設(shè)計(jì)為地上三層和地下兩層，體育場看臺設(shè)計(jì)為地上兩層。

2.2 施工難點(diǎn)

由于本項(xiàng)目的屋蓋為大跨度雙曲面鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，場地狹小受限，無法一次拼裝完成整個空間雙層雙曲面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，不宜采用整體頂升、散拼等安裝方法[6]。為保證鋼結(jié)構(gòu)工程安裝精度和施工安全，針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種大跨度雙曲面網(wǎng)架分段提升施工方法，利用此工藝方法順利安裝完成了項(xiàng)目焊接球鋼網(wǎng)架工作。

2.3 施工技術(shù)優(yōu)勢

首先，解決了因場地受限無法采用整體提升法或整體頂升法的鋼結(jié)構(gòu)焊接球網(wǎng)架項(xiàng)目[7]。其次，該施工技術(shù)方案采用四邊格構(gòu)式支撐架，材質(zhì)為Q335B，強(qiáng)度高，能夠保證穩(wěn)定性。最后，該技術(shù)解決了大跨度雙曲面網(wǎng)架安裝過程中小拼單元易變形、支座處節(jié)點(diǎn)連接不準(zhǔn)確的問題，與其他安裝方案相比，符合綠色施工要求，能夠節(jié)約施工成本。

2.4 雙曲面大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架施工技術(shù)要點(diǎn)分析

首先，在地面進(jìn)行網(wǎng)架小拼單元的焊接拼裝，利用由提升架、電動葫蘆、集成控制箱組成的提升系統(tǒng)，分段提升到預(yù)定高度。其次，分段提升過程中，保證各個提升點(diǎn)受力均勻，以防小拼單元變形。最后，網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)采用分段焊接[8]。

2.4.1 鋼網(wǎng)架拼裝

現(xiàn)場架設(shè)全站儀，根據(jù)測量控制點(diǎn)進(jìn)行焊接球定位。為減少誤差及焊接應(yīng)力，應(yīng)從網(wǎng)架中心向四周進(jìn)行拼裝。臨時支座安裝完成后，將下弦球及上弦球的中心線放樣至地面，作為拼裝下弦及上弦球的控制線[9]。完成小拼單元焊接后，利用球和桿之間的相互定位逐漸向外擴(kuò)展拼裝，復(fù)核焊接球的位置，無誤后，進(jìn)行滿焊施工作業(yè)。焊接完成后，進(jìn)行無損探傷檢測，合格后，進(jìn)行刷漆處置。鋼網(wǎng)架拼裝流程如圖1 所示。

圖1 鋼網(wǎng)架拼裝流程（來源：作者自繪）

2.4.2 提升架安裝

提升架均采用四邊格構(gòu)式支撐架。平面尺寸為1.5 m×1.5 m，節(jié)間高度為2.5 m，支撐架立桿則采用了140.0 mm×4.5 mm 的方管，腹桿采用了L63 mm×5 mm 的角鋼，頂部轉(zhuǎn)換平臺鋼梁采用了HN300 mm×150 mm×6 mm×9 mm 的H 型鋼。

根據(jù)網(wǎng)架分塊模型設(shè)置吊點(diǎn)，安放提升架位置，并計(jì)算所需提升架的數(shù)量。計(jì)算可知需要12 組格構(gòu)式提升架，每組提升架頂端需要配置4 只10 t 電動葫蘆，由于體育館焊接球網(wǎng)架為雙曲面結(jié)構(gòu)，因此結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，將格構(gòu)式提升架設(shè)置的高度分別為27、24、21 m。在開展提升作業(yè)過程中，需要先固定提升架的位置，并將該位置作為控制網(wǎng)架的參照點(diǎn)，安排技術(shù)人員在網(wǎng)架提升過程中對網(wǎng)架和網(wǎng)架桿之間的水平間距進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，以避免在提升過程中出現(xiàn)較大的偏差[10]。此外，在開展提升作業(yè)前，應(yīng)在提升架上張貼相關(guān)的標(biāo)尺，如果在網(wǎng)架提升過程中出現(xiàn)了較大的偏差，必須立即修正。

2.4.3 吊點(diǎn)設(shè)置

在吊點(diǎn)設(shè)置時，應(yīng)用計(jì)算機(jī)有限元計(jì)算分析軟件，順序模擬提升施工中的各種工況，結(jié)合工程設(shè)計(jì)狀況，通過計(jì)算分析確定最佳提升吊點(diǎn)位置和提升吊點(diǎn)所需要的提升力[11]。電動葫蘆和鋼網(wǎng)架之間采用Ф20 mm 的鋼絲繩連接，將鋼絲繩一端與網(wǎng)架的下弦球節(jié)點(diǎn)捆扎牢固，并用卡環(huán)固定，在另一端則要固定在電動提升葫蘆的吊鉤上。

2.4.4 鋼網(wǎng)提升

網(wǎng)架拼裝、焊接完成后，需要檢查網(wǎng)架的尺寸及焊接質(zhì)量，經(jīng)第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測合格后，便可進(jìn)行提升工作，具體步驟為：

1）試吊。在中心區(qū)拼裝網(wǎng)架、安裝提升架、開啟控制柜電源，使網(wǎng)架同步提升200 ～300 mm 時停止起吊，放置12 h，認(rèn)真檢查提升架、基礎(chǔ)、吊具及索具等是否存在異常。

2）確認(rèn)試吊無誤后，可以正式起吊。首先將網(wǎng)架姿態(tài)調(diào)整到原設(shè)計(jì)位置，姿態(tài)調(diào)整提升方式為按排逐步提升的方式。

3）北邊第1 排3 個提升架同時提升，提升時間155 s，按電動葫蘆提升速度0.45 m/min 計(jì)算，提升的高度為1163 mm。過程中隨時觀察提升架和鏈條受力狀態(tài)，如有問題立即停止提升，排除異常后才能繼續(xù)。

4）6 組提升架同時工作，在提升到2.5 m 時，測量網(wǎng)架坐標(biāo)，用手拉葫蘆調(diào)整位置，確認(rèn)坐標(biāo)無誤后，增設(shè)臨時支撐，繼續(xù)擴(kuò)展安裝到第3 排提升架位置。

5）同步提升到5.5 m 標(biāo)高，擴(kuò)展安裝到第4 排提升架位置，安裝好提升架，繼續(xù)提升到9.6 m 標(biāo)高，擴(kuò)展安裝1 次。再次提升至16 m 標(biāo)高，擴(kuò)展安裝，繼續(xù)提升至支座位置，安裝支座部位桿件，完成吊裝作業(yè)。

2.4.5 鋼網(wǎng)架變形監(jiān)測

變形監(jiān)測的作用是驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性及結(jié)構(gòu)和安裝過程的安全性[12]。采用全站儀對鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架進(jìn)行三維變形觀測。觀測點(diǎn)選擇跨中下弦球，即跨中1/4 下弦球位置。鋼網(wǎng)架吊裝就位后，再進(jìn)行撓度監(jiān)測，確保鋼網(wǎng)架安裝質(zhì)量。鋼網(wǎng)架變形監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2 所示。

圖2 鋼網(wǎng)架變形監(jiān)測點(diǎn)布置（來源：作者自繪）

2.4.6 焊接質(zhì)量控制

首先，焊接材料在使用前，應(yīng)按其產(chǎn)品說明書及焊接工藝文件的規(guī)定進(jìn)行烘焙和存放。其次，持證焊工必須在其焊工合格證書規(guī)定的認(rèn)可范圍內(nèi)施焊，嚴(yán)禁無證焊工施焊。再次，施工單位應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行焊接工藝評定，根據(jù)評定報告確定焊接工藝，并進(jìn)行全過程質(zhì)量控制。最后，焊縫內(nèi)部缺陷的無損檢測應(yīng)符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.4.7 安全措施

安裝工人須為專業(yè)人員且有高空作業(yè)施工經(jīng)驗(yàn)。高空作業(yè)前，應(yīng)配置雙扣安全帶，并將安全帶扣件扣在已經(jīng)穩(wěn)定的網(wǎng)架桿件上，且安全帶應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，有合格證書。吊裝作業(yè)之前，應(yīng)明確起重吊裝安全技術(shù)要點(diǎn)。

動火作業(yè)前，由安全員向項(xiàng)目部安環(huán)部門申請相應(yīng)動火證。焊割人員要隨身攜帶動火證，并嚴(yán)格按照動火證要求執(zhí)行，一證不準(zhǔn)多用和重復(fù)使用，如果作業(yè)中發(fā)現(xiàn)意外情況，應(yīng)立即停止焊割動火。嚴(yán)禁在氣瓶漏氣的情況下進(jìn)行焊割作業(yè)，發(fā)現(xiàn)氣瓶漏氣后，要查找原因，及時采取整改措施。

3 結(jié)語

不同建筑工程的作業(yè)條件存在很大的差別，因此在應(yīng)用雙曲面大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架施工技術(shù)的過程中，需要結(jié)合建筑工程的施工條件進(jìn)行系統(tǒng)分析，找出施工中存在的技術(shù)難點(diǎn)，并對雙曲面大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架施工技術(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化。