橢圓球體結(jié)構(gòu)支撐體系施工技術(shù)研究

李賀龍 馬得銀 王 輝 周 建 剡江偉

結(jié)構(gòu)支撐體系是建筑工程結(jié)構(gòu)的主要支撐系統(tǒng)，用于承受和傳遞結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、外部荷載和內(nèi)力，確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性[1]。目前，建筑物的功能逐漸多樣化，以休閑、娛樂和購物功能為核心的公共建筑，愈加注重公共空間的開闊性和建筑外觀的藝術(shù)性，因此衍生出不同的建筑形態(tài)及其結(jié)構(gòu)支撐體系。其中，橢圓球體是劇院、體育館、圖書館、商業(yè)綜合體以及工業(yè)廠房等大型建筑較為常見的結(jié)構(gòu)支撐體系。該體系的施工過程涉及諸多子工程，包括前期平面與高程控制、基坑工程、模板工程、混凝土工程以及支撐體系施工等。為提高施工質(zhì)量，需要研究各環(huán)節(jié)的施工技術(shù)和施工要點(diǎn)。

1 橢圓球體結(jié)構(gòu)支撐體系的優(yōu)勢(shì)和施工難點(diǎn)

在其他造型的結(jié)構(gòu)支撐體系中，呈直線布置的地下連續(xù)墻會(huì)受到橫向的主動(dòng)與被動(dòng)土壓力。為了平衡力矩并約束墻體位移，必須將地下連續(xù)墻插入基坑底面以下的堅(jiān)硬土壤中，插入深度由土壤性質(zhì)及墻體支護(hù)方式確定，約為開挖后墻體露出土壤高度的0.3 ～0.6 倍[2]。然而，橢圓球體結(jié)構(gòu)支撐體系不承受彎矩，地下連續(xù)墻僅受到周圍土壤產(chǎn)生的壓應(yīng)力，無須插入基坑底面，也不需要設(shè)置水平方向支護(hù)，因此該體系在大型公共建筑中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

橢圓球體結(jié)構(gòu)支撐體系是大型公共建筑中常見的結(jié)構(gòu)支撐體系，外形為橢圓球體，內(nèi)部空間較大，在施工方面存在以下難點(diǎn):

1）相較于常規(guī)結(jié)構(gòu)支撐體系，該體系的建筑空間結(jié)構(gòu)和跨度更大，存在空間定位難度大和平面與高程控制難度大等問題；

2）該體系的結(jié)構(gòu)平面復(fù)雜，存在許多曲線墻體和多曲面弧形墻體，增加了施工難度[3]。

2 橢圓結(jié)構(gòu)頂板的支撐架形式

橢圓結(jié)構(gòu)頂板支撐架的立桿尺寸為Φ60 mm×3.2 mm 的鋼管，材質(zhì)為Q355，步距為1500 mm 或1000 mm。橫桿為Φ48 mm×2.5 mm 的鋼管，材質(zhì)為Q235，圓殼體中部的橫桿縱向間距為900 mm，橫向間距為600 mm，圓殼體兩端球體部分的橫桿縱向以及橫向間距均為600 mm。

立面斜桿采用Φ48 mm×2.5 mm的鋼管，材質(zhì)為Q195。支模部位情況和參數(shù)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 支模部位情況表 單位/m

3 橢圓球體結(jié)構(gòu)支撐體系的施工流程

橢圓構(gòu)件的鋼板面施工是橢圓球體結(jié)構(gòu)支撐體系的施工難點(diǎn)：橢圓構(gòu)件眾多、類型各異，鋼筋混凝土結(jié)合鋼板面施工，鋼板面模板單件質(zhì)量較大，焊接精度要求較高。橢圓球體結(jié)構(gòu)支撐體系為盤扣式腳手架，結(jié)構(gòu)整體為2 m 厚的頂板，給橢圓球體的定位放線帶來較大困難，具體為：

1）在施工前應(yīng)做好定位放線工作，確保各橢圓構(gòu)件的安裝點(diǎn)位。例如，對(duì)于橢圓球體的底部支座，應(yīng)通過各種測(cè)量方法反復(fù)校核標(biāo)高位置，確保符合設(shè)計(jì)要求。

2）橢圓構(gòu)件應(yīng)該按照先經(jīng)管后緯管的順序逐層安裝，采用基點(diǎn)生根法配合水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀逐一安裝經(jīng)管并調(diào)整垂直度，然后利用十字定位法精準(zhǔn)定位橢圓球體的長(zhǎng)軸和短軸，以點(diǎn)焊的方法焊接固定經(jīng)管對(duì)接節(jié)點(diǎn)。

3）在經(jīng)管之間穿插安裝緯管，利用連接卡環(huán)將緯管臨時(shí)固定在經(jīng)管上，利用水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀調(diào)整緯管的位置及標(biāo)高，確保緯管安裝點(diǎn)位正確。安裝緯管同樣要遵循逐層安裝的順序，由頂部向底部逐層安裝和固定。

3）現(xiàn)場(chǎng)焊接橢圓球體結(jié)構(gòu)支撐體系中的構(gòu)件。由于考慮到體系中構(gòu)件的焊縫眾多，并且焊接易導(dǎo)致構(gòu)件變形，因此在焊接構(gòu)件時(shí)應(yīng)該采取防變形措施。例如，在現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)應(yīng)采用對(duì)稱焊接法，即在橢圓球體對(duì)稱的分區(qū)如東西分區(qū)或南北分區(qū)同時(shí)進(jìn)行焊接工作，能夠抵消焊接產(chǎn)生的應(yīng)力，從而有效控制支撐體系的變形。

4 橢圓球體結(jié)構(gòu)支撐體系的主要施工技術(shù)

4.1 測(cè)量工程

橢圓球體結(jié)構(gòu)支撐體系施工中涉及許多曲線墻體和多曲面弧形墻體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拼裝和焊接要求高，定位難度大，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的放樣測(cè)量精度提出了更高要求。

4.1.1 平面控制

平面控制是指在施工現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)工程性質(zhì)、場(chǎng)地大小和地形環(huán)境等，建立科學(xué)合理的平面控制網(wǎng)，目的是為施工放樣和平面測(cè)量提供依據(jù)。橢圓球體結(jié)構(gòu)支撐體系施工的平面控制需要根據(jù)建筑設(shè)計(jì)方案的形狀和平面圖布設(shè)十字主控線，在十字主控線的基礎(chǔ)上加密，構(gòu)建縱橫交錯(cuò)的平面控制方格網(wǎng)。利用平面控制網(wǎng)和設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行護(hù)坡樁與地下連續(xù)墻的現(xiàn)場(chǎng)定位和放樣，并構(gòu)建施工現(xiàn)場(chǎng)的自定義坐標(biāo)體系。

4.1.2 高程控制

高程控制是施工現(xiàn)場(chǎng)土方開挖和內(nèi)部柱基礎(chǔ)施工等工程的重要施工技術(shù)。在施工前，需要根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的首級(jí)高程控制網(wǎng)向?qū)嶋H施工作業(yè)面導(dǎo)引標(biāo)高，精準(zhǔn)測(cè)量施工作業(yè)面的高程。在施工時(shí)，由結(jié)構(gòu)作業(yè)面向各曲線墻體和多曲面弧形墻體作業(yè)面導(dǎo)引和傳遞標(biāo)高，并通過控制網(wǎng)檢核各作業(yè)面的標(biāo)高[4]。

4.2 基坑工程

基坑工程是橢圓球體結(jié)構(gòu)支撐體系施工的基礎(chǔ)工程。相較于其他結(jié)構(gòu)支撐體系，該體系跨度大、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜且基坑深度較小，基坑要挖成鍋底形狀，同時(shí)做好軸線標(biāo)高復(fù)核工作。

4.3 模板工程

4.3.1 曲線構(gòu)件的主龍骨和次龍骨

橢圓球體結(jié)構(gòu)支撐體系中包含曲線墻體和曲線樓板等曲線構(gòu)件，不同的曲線構(gòu)件需要采用不同的主龍骨和次龍骨。曲線墻體的主龍骨采用槽鋼彎曲成型，以鋼面板作為模板，為達(dá)到墻體的弧度要求，在相應(yīng)位置加設(shè)不同厚度的楔形木墊塊。曲線墻體的施工必需充分考慮墻體的曲率和曲率半徑等參數(shù)，可以選用曲線半徑可調(diào)的鋼模板體系，以提高曲率半徑的可調(diào)節(jié)性[5]。

4.3.2 搭設(shè)安裝模板支撐體系

橢圓球體結(jié)構(gòu)支撐體系的支撐架受力復(fù)雜，且頂板支撐設(shè)計(jì)難度較大，因此可以選用滿堂架作為橢圓球體屋面的支撐體系。搭設(shè)支撐體系的步驟為現(xiàn)場(chǎng)龍骨安裝、模板拼裝、鋼筋綁扎以及混凝土澆筑。

在安裝龍骨時(shí)，要先固定斜撐及緯度方向的主龍骨，再固定經(jīng)度方向的龍骨，最后調(diào)整龍骨的結(jié)構(gòu)順序。龍骨安裝完成后，需要在龍骨結(jié)構(gòu)內(nèi)外拼裝模板。模板拼裝應(yīng)分片進(jìn)行，安裝前要在滿堂架上固定好模板圓心，以免在安裝過程中出現(xiàn)偏移。

此外，外模板支設(shè)時(shí)需要設(shè)置澆筑口和振搗口，便于澆筑填充混凝土，進(jìn)而加固模板。架體搭設(shè)時(shí)，施工人員需要同步進(jìn)行鋼筋綁扎和焊接作業(yè)，從底部自下而上澆筑自密實(shí)混凝土，完成模板支撐體系的搭設(shè)安裝[6]。

4.4 鋼管混凝土柱施工

鋼管混凝土柱是橢圓球體結(jié)構(gòu)支撐體系的重要支柱，其施工過程存在諸多難點(diǎn)，例如鋼管樁無法統(tǒng)一放樣、吊裝精度要求高以及梁部分縱筋貫穿鋼管等。

在施工過程中需要分層安裝鋼管柱，根據(jù)施工圖紙組裝鋼管柱體以及連接管，并焊接內(nèi)襯接口處。焊接完成后，在鋼管柱外圍包裹特定材質(zhì)的保溫材料，一方面可以保護(hù)鋼管柱不受損壞，另一方面還可以提高混凝土的保溫性能。

此外，為了提高鋼管柱的安裝質(zhì)量，可以采用方木柱箍固定鋼管柱，并用調(diào)節(jié)托局部調(diào)節(jié)鋼管柱的垂直度。針對(duì)鋼管柱吊裝的精度要求，在施工過程中可以利用全站儀、水準(zhǔn)儀和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全球定位（Global Positioning System-Real Time Kinematic，GPSRTK）技術(shù)等，包括精準(zhǔn)定位和測(cè)定鋼管柱的三維坐標(biāo)，從而為調(diào)整鋼管柱的垂直度和水平位置提供精準(zhǔn)的定位數(shù)據(jù)[7]。

4.5 混凝土勁性柱施工

混凝土勁性柱是由型鋼外面包裹混凝土組成的結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量和截面較大，會(huì)增加施工難度。同時(shí)，混凝土勁性柱內(nèi)分布有密集的型鋼，箍筋工藝比較復(fù)雜，并且與其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在大量交疊，增加了柱內(nèi)型鋼處理的復(fù)雜程度。

在施工過程中，可以根據(jù)混凝土勁性柱的節(jié)數(shù)采用不同的施工技術(shù)。例如，對(duì)于第1 節(jié)混凝土勁性柱，可采用鋼板支墊在型鋼下部安裝和固定柱內(nèi)型鋼，并利用螺栓局部微調(diào)型鋼的垂直度；對(duì)于第2 節(jié)及以上的混凝土勁性柱，可以采用大磁力線墜控制型鋼的垂直度，用螺栓固定型鋼并在十字形四角方位進(jìn)行焊接。

針對(duì)混凝土勁性柱與其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件相交的問題，可以采用焊接工藝降低鋼筋處理的復(fù)雜度。例如，當(dāng)混凝土勁性柱的型鋼與梁的縱向鋼筋相交時(shí)，要保留梁的縱向鋼筋并將其焊接在柱內(nèi)型鋼表面；當(dāng)混凝土勁性柱的型鋼與梁的縱向鋼筋垂直時(shí)，可以在型鋼上開孔并嚴(yán)格控制孔徑的大小，確?？v向鋼筋能夠穿過型鋼，鋼筋穿過孔洞后要焊接封閉開孔處，從而避免混凝土勁性柱和梁縱向鋼筋的結(jié)構(gòu)性能下降。

4.6 鋼拱梁和鋼環(huán)梁施工

4.6.1 鋼拱梁施工

鋼拱梁施工分可為地面拼裝和高空吊裝2 個(gè)步驟：

1）在地面拼裝時(shí)，首先利用全站儀和水準(zhǔn)儀等標(biāo)定鋼拱梁拼裝時(shí)的地面點(diǎn)位。

然后，在鋼拱梁運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)后，利用胎架和前期標(biāo)定的拼裝點(diǎn)位，以側(cè)臥的方式拼裝鋼拱梁。

其次，在正式焊接前利用水準(zhǔn)儀對(duì)鋼拱梁進(jìn)行找平，確保不同節(jié)的鋼拱梁位于同一水平面上。

最后，焊接鋼拱梁。采用立焊、平焊和仰焊的順序，能夠有效避免焊接時(shí)鋼拱梁的變形問題。

2）高空吊裝時(shí)，采用履帶式起重機(jī)將鋼拱梁提升至特定位置和高度，利用水準(zhǔn)儀調(diào)控鋼拱梁的水平位置和垂直度，調(diào)整鋼拱梁的角度并與中心環(huán)焊接固定。

4.6.2 鋼環(huán)梁施工

鋼環(huán)梁為月牙彎型圓環(huán)管，在施工過程中存在定位難和安裝角度調(diào)控難等問題，因此在鋼環(huán)梁施工前，可以利用計(jì)算機(jī)軟件精準(zhǔn)定位鋼環(huán)梁在鋼拱梁腹板上的具體位置，通過全站儀和水準(zhǔn)儀在施工現(xiàn)場(chǎng)的鋼拱梁腹板上定位放樣。然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)定位安裝鋼環(huán)梁，并利用手拉葫蘆等設(shè)施動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)鋼環(huán)梁的安裝角度，根據(jù)施工方案調(diào)整鋼環(huán)梁與水平面的夾角，并在校核定位以及角度之后方可進(jìn)行焊接固定。

5 結(jié)語

4.7 卸載中心環(huán)、鋼拱梁和球鉸支座

在所有焊縫測(cè)試完畢且合格后進(jìn)行卸載，千斤頂?shù)捻斏叨戎恍枳屼摿好撾x墊鐵即可，具體步驟為：首先，卸載前要在米字形鋼拱梁接近中心環(huán)的位置和鋼拱梁中間位置貼上反光片，便于測(cè)量卸載前后的鋼結(jié)構(gòu)架體，精準(zhǔn)把握卸載后的變化。其次，在卸載中心環(huán)之前，要先拆除球鉸支座底部的限位固定板，并用全站儀觀測(cè)支座坐標(biāo)的變化[8]。最后，拆除第2 d 開始卸載鋼拱梁的支撐架體并測(cè)量數(shù)據(jù)，應(yīng)該先拆除支撐架體的對(duì)角位置再卸載中心環(huán)，在中心環(huán)下部的米字梁上放置千斤頂，在千斤頂頂部做好測(cè)量標(biāo)高的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，抽取墊鐵卸載中心環(huán)，卸載后狀態(tài)如圖1 所示。

圖1 卸載后狀態(tài)（來源：網(wǎng)絡(luò)）

橢圓球體結(jié)構(gòu)支撐體系是大型公共建筑中常見的結(jié)構(gòu)支撐體系，其外形獨(dú)特，為橢圓球體，內(nèi)部空間較大而且空曠，在施工方面存在跨度大、空間定位難度大、平面與高程控制難度大、結(jié)構(gòu)平面復(fù)雜以及拼裝困難等一系列問題，這些問題都會(huì)影響施工質(zhì)量。

在施工前應(yīng)根據(jù)工程性質(zhì)、場(chǎng)地大小和地形環(huán)境等，建立合理的平面控制網(wǎng)和首級(jí)高程控制網(wǎng)，為施工放樣和平面及高程測(cè)量提供依據(jù)。在施工期間，應(yīng)該高度重視曲線模板的調(diào)節(jié)、鋼管混凝土柱的分層安裝及垂直度調(diào)節(jié)、混凝土勁性柱的內(nèi)型鋼相交處理等，以便滿足施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，切實(shí)提高施工質(zhì)量，保證結(jié)構(gòu)支撐體系的穩(wěn)定性和安全性。