球幕影院鋼網(wǎng)殼安裝關(guān)鍵技術(shù)

李國(guó)誠(chéng)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在眾多建設(shè)項(xiàng)目上都得到了廣泛應(yīng)用，包括在一些大跨度結(jié)構(gòu)[1]、高層建筑、工業(yè)建筑、輕鋼結(jié)構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)以及抗震要求高的結(jié)構(gòu)體系。尤其在一些大型的場(chǎng)館，為建設(shè)球幕影院等設(shè)施，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更是倚重。

1 工程概況

甘肅省科技館項(xiàng)目，主要由主體建筑和球幕影院兩部分組成，其中球幕影院內(nèi)、外殼均為單層鋼網(wǎng)殼，外殼直徑為33 m，內(nèi)殼直徑為27.7 m，外殼主要桿件采用300 mm×150 mm×8 mm、200 mm×200 mm×8 mm 的薄壁矩形管，節(jié)點(diǎn)采用轂節(jié)點(diǎn)；內(nèi)殼采用局部加斜桿的肋環(huán)型網(wǎng)格，桿件采用102 mm×5 mm、89 mm×5 mm的圓鋼管，節(jié)點(diǎn)采用焊接空心球。

2 球幕影院鋼網(wǎng)殼安裝施工方案及難點(diǎn)分析

2.1 鋼網(wǎng)殼安裝施工方案

球幕影院鋼結(jié)構(gòu)施工采用“先內(nèi)殼再外殼、分層施工”總體施工思路。

1）內(nèi)殼分層施工：吊裝前，搭設(shè)滿堂腳手架作為支撐體系，同時(shí)用作安裝操作平臺(tái)。搭設(shè)高度比球節(jié)點(diǎn)標(biāo)高低500 mm。再在需要支撐的球節(jié)點(diǎn)下部搭設(shè)腳手架支撐立桿，將球節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)定位。下層網(wǎng)殼以所選擇軸線為起點(diǎn)，分東西半球同時(shí)施工，每個(gè)吊裝單元安裝就位后將球節(jié)點(diǎn)與下部支撐進(jìn)行點(diǎn)焊固定，安裝推進(jìn)逐步形成完整的環(huán)形。環(huán)形形成后進(jìn)行每個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置的調(diào)整，再進(jìn)行焊接，最后形成整體穩(wěn)定連接，然后開(kāi)始上層網(wǎng)殼的施工。

2）外殼分層施工：分塊吊裝+高空散裝[2]。外殼分為赤道以下、赤道以上及頂環(huán)三部分。赤道以下部分先進(jìn)行施工，施工順序同內(nèi)殼相同，形成環(huán)形穩(wěn)定體系。然后進(jìn)行赤道以上部分的施工。赤道以上部分以選擇軸線向兩側(cè)進(jìn)行施工，最終形成環(huán)形，調(diào)整焊接后進(jìn)行球頂環(huán)的施工。

2.2 鋼網(wǎng)殼安裝施工難點(diǎn)分析

2.2.1 拼裝精度控制要求高

在地面拼裝成多個(gè)吊裝單元，然后分塊吊裝，施工完成后為兩個(gè)單層球殼。要求整體球形平滑，拼裝精度要求非常高。應(yīng)對(duì)措施：根據(jù)場(chǎng)地、分片重量及起吊、落位的受力狀態(tài)，將內(nèi)外殼進(jìn)行吊裝單元?jiǎng)澐?；利用AutoCAD 輔助進(jìn)行拼裝轉(zhuǎn)換，將吊裝單元的3 個(gè)角點(diǎn)確定的平面作為XOY面，原點(diǎn)設(shè)在其中一個(gè)角點(diǎn)上，量取其它節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值作為定位坐標(biāo)來(lái)設(shè)置拼裝胎架。

2.2.2 支撐架上部定位措施設(shè)置的難度較大

內(nèi)、外殼均為單層網(wǎng)殼，分塊吊裝落位后變形較大，故利用下部支撐進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)定位。內(nèi)外殼節(jié)點(diǎn)下部的支撐架定位難。外殼節(jié)點(diǎn)為轂節(jié)點(diǎn)，且其指向圓心，所以外殼支撐架頂部與轂節(jié)點(diǎn)的連接定位措施設(shè)置難度大。

應(yīng)對(duì)措施：根據(jù)內(nèi)殼節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)搭設(shè)作為內(nèi)殼承重支撐及安裝操作平臺(tái)的滿堂腳手架。先將腳手架根據(jù)球面的形狀搭設(shè)至球節(jié)點(diǎn)下部500 mm 位置，搭設(shè)完畢后，再根據(jù)每個(gè)球節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，在球節(jié)點(diǎn)的下部搭設(shè)4管撐，下插至掃地桿與滿堂腳手架連接，并設(shè)置剪刀撐；球節(jié)點(diǎn)下部設(shè)置球節(jié)點(diǎn)支托。

外殼鋼結(jié)構(gòu)支撐采用鋼支撐架[3]。支撐架在結(jié)構(gòu)內(nèi)外部設(shè)置，立桿選用300 mm×10 mm 方鋼管，立桿環(huán)向支撐接觸面為斜面。外殼徑向主桿為300 mm×150 mm×8 mm 矩形鋼管，外殼轂節(jié)點(diǎn)指向球心。外殼徑向主桿落位在立桿的環(huán)向支撐接觸面上。在支撐架立桿及立桿的環(huán)向支撐上設(shè)置兩塊立板，立板上表面與外殼徑向主桿焊接固定。

3 球幕影院鋼網(wǎng)殼安裝工況

3.1 內(nèi)外殼吊裝單元拼裝

3.1.1 吊裝單元的劃分

內(nèi)殼劃分共18 個(gè)拼裝單元，其中內(nèi)殼吊裝單元根據(jù)設(shè)計(jì)分為2個(gè)類型。內(nèi)殼吊裝單元類型示意圖如圖1所示。

圖1 內(nèi)殼吊裝單元類型示意圖（來(lái)源：作者自繪）

外殼以經(jīng)線劃分為12 個(gè)第1 類型吊裝單元（圖2a）、12 個(gè)第2 類型吊裝單元（圖2b）和8 個(gè)第3 類型吊裝單元（圖2c），其他桿件高空散裝［4］。外殼吊裝單元類型示意圖如圖2所示。

圖2 外殼吊裝單元類型示意圖（來(lái)源：作者自繪）

3.1.2 胎架搭設(shè)

每榀吊裝單元成弧形，拼裝難度大效率低，每拼一榀后胎架都需調(diào)整，設(shè)置2 塊拼裝場(chǎng)地，各場(chǎng)地設(shè)2 副胎架交替拼裝[5]。考慮到小拼（圖2a）單體重量約8 t，每個(gè)轂節(jié)點(diǎn)旁邊設(shè)置支撐架立桿，每支撐架立桿下方鋪設(shè)鋼板，支撐架立桿和牛腿采用H 鋼或槽鋼，并用角鋼將支撐架和鋼板連成一整體，提高支撐架的穩(wěn)定性。拼裝立面圖如圖3 所示。

圖3 拼裝立面圖（來(lái)源：作者自繪）

3.1.3 拼裝胎架搭設(shè)要求

根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化后的X、Y 投影點(diǎn)來(lái)鋪設(shè)鋼板，相互連接形成一剛性平臺(tái)，然后，放X、Y 投影線、標(biāo)高線、檢驗(yàn)線及支點(diǎn)位置[6]，形成田字形控制網(wǎng)，然后拼裝胎架立桿并設(shè)置斜撐。

3.2 固定鉸抗震鋼球支座安裝

應(yīng)先對(duì)土建預(yù)埋的埋件按照?qǐng)D紙位置及定位尺寸進(jìn)行復(fù)測(cè)，確定無(wú)誤后，再進(jìn)行固定抗震鋼球支座與預(yù)埋件的固定。另外鉸支座固定后應(yīng)采取防銹措施，安裝過(guò)程中保持上頂板與下底盆的連接固定，安裝完成后拆除連接板。

3.3 內(nèi)殼安裝

內(nèi)殼空心球節(jié)點(diǎn)多、桿件多，經(jīng)小拼后吊裝至高空定位再結(jié)合散件安裝，最終完成總拼。內(nèi)殼網(wǎng)架為肋環(huán)形網(wǎng)殼，每一圈節(jié)點(diǎn)均位于同一水平緯線上。用全站儀對(duì)節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo)定位以確保整個(gè)球殼外形尺寸。

3.3.1 支座頂部半球安裝及第一環(huán)網(wǎng)架分塊吊裝

根據(jù)球鉸支座頂面彈出的定位線放置支座頂部半球，焊牢固定后進(jìn)行第一環(huán)網(wǎng)架的吊裝。就位后，利用手拉葫蘆精確調(diào)整，將每個(gè)吊裝單元最下端桿件與支座半球焊接。吊裝單元的球節(jié)點(diǎn)與球節(jié)點(diǎn)支托焊接固定。第一網(wǎng)架施工以選擇軸線依次對(duì)稱安裝。分塊吊裝完成后，進(jìn)行每個(gè)分塊單元之間的桿件安裝，形成一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)形結(jié)構(gòu)。

3.3.2 第二環(huán)網(wǎng)架分塊吊裝

將拼裝完成的第二環(huán)吊裝單元，吊裝至設(shè)計(jì)標(biāo)高，利用手拉葫蘆精確調(diào)整[7]。調(diào)整完成后，吊裝單元下端球節(jié)點(diǎn)及上端球節(jié)點(diǎn)與球節(jié)點(diǎn)支托焊接固定。第二環(huán)網(wǎng)架分塊吊裝完成后，進(jìn)行每個(gè)吊裝單元中間的桿件安裝，形成環(huán)形結(jié)構(gòu)。

3.3.3 第一環(huán)與第二環(huán)網(wǎng)架間的補(bǔ)檔施工及頂環(huán)桿件施工

第一環(huán)和第二環(huán)網(wǎng)架安裝完成后進(jìn)行其之間桿件與頂環(huán)桿件的散裝施工。施工前應(yīng)對(duì)第一環(huán)頂部的球節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo)和第二環(huán)底部及頂部球節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)測(cè)。

3.4 外殼安裝

先進(jìn)行支撐架搭設(shè)，然后進(jìn)行吊裝單元吊裝，每個(gè)吊裝單元先定位好下面位置，在把上面搭在支撐架上事先確定好的位置，再把吊裝單元落位至設(shè)計(jì)位置，和支撐架上邊的楔形板固定牢靠；安裝結(jié)束后，進(jìn)行單根桿件高空散裝；最終達(dá)到總拼單元。

3.4.1 支撐架搭設(shè)

為增大看臺(tái)板承載力，在支撐點(diǎn)的投影位置加設(shè)轉(zhuǎn)換梁，首先根據(jù)轉(zhuǎn)化梁位置設(shè)置，在混泥土梁位置打入100 mm 的膨脹螺絲與埋板固定牢靠，轉(zhuǎn)換梁與埋板接觸部分進(jìn)行圍焊。立桿坐落于轉(zhuǎn)換梁上采用坡口熔透焊接，待立桿高度調(diào)整好，環(huán)梁與立桿最上端坡口熔透焊接，與立桿之間連接的環(huán)梁盡量擬合成圓弧型環(huán)梁，待環(huán)梁和立桿連接完成，每個(gè)環(huán)梁下部設(shè)置反向支撐。

3.4.2 支撐架承載力驗(yàn)算

安裝外殼結(jié)構(gòu)單元時(shí)，需要搭設(shè)環(huán)形支撐架[8]。經(jīng)計(jì)算，最重的一片吊裝單元自重荷載，傳遞到環(huán)梁上為9 KN。環(huán)形支撐架直徑為12 m，下部支撐柱落位于傾斜的混凝土看臺(tái)上。在每片吊裝單元環(huán)向支撐點(diǎn)，布置方管構(gòu)成下部支撐，環(huán)形梁和鋼柱均為方管。經(jīng)計(jì)算可知，環(huán)形支撐架，變形較小，應(yīng)力比較小，滿足設(shè)計(jì)和施工要求。結(jié)構(gòu)外圈搭設(shè)單管支撐，頂部搭設(shè)在赤道環(huán)向以下，構(gòu)件就位后與外殼赤道以下分塊單元徑向桿件固定，底部與土建澆筑的混凝土基礎(chǔ)的埋件固定。

3.4.3 吊裝單元吊裝

支撐架設(shè)置好后，采用100 t 汽車吊將第一榀吊裝單元進(jìn)行脫胎，同時(shí)采用25 t 汽車吊配合，通過(guò)兩個(gè)吊點(diǎn)設(shè)置手拉葫蘆調(diào)節(jié)重心，使吊裝單元處于落位形態(tài)，將第一榀吊裝就位。就位后，上部及下部進(jìn)行點(diǎn)焊臨時(shí)固定，采用手拉葫蘆進(jìn)行節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的調(diào)整。調(diào)整后，將底部與下片的吊裝單元的轂節(jié)點(diǎn)焊接，上端節(jié)點(diǎn)位置與支撐架立板焊接固定，將吊裝單元與支撐立桿、支撐環(huán)向桿上部設(shè)置的立板焊接固定，使連接節(jié)點(diǎn)形成固定約束，確保下部支撐系統(tǒng)只承受豎向荷載。隨后進(jìn)行第二榀小拼的吊裝。

3.4.4 散件高空散裝

吊裝單元就位牢靠后，進(jìn)行散件的補(bǔ)檔。吊裝單元之間相鄰的散件根據(jù)與節(jié)點(diǎn)連接位置，連接好。頂端的散件補(bǔ)空，應(yīng)在支撐架環(huán)梁頂端上加設(shè)刀板支撐。因轂節(jié)點(diǎn)和上下桿件相連之后，兩端距離只有25 mm，故支撐架環(huán)梁及刀板設(shè)置在頂環(huán)靠外，避開(kāi)轂節(jié)點(diǎn)，與桿件進(jìn)行固定。

3.4.5 外殼支撐架拆除

先進(jìn)行頂環(huán)支撐架的拆除，然后進(jìn)行內(nèi)部環(huán)向支撐架的拆除，最后進(jìn)行球外側(cè)支撐架的拆除。胎架拆除時(shí)采用“氣割”的方法將每個(gè)支撐架頂部設(shè)置的立板進(jìn)行分級(jí)割除。每次割除20 mm，并觀察結(jié)構(gòu)是否脫胎。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)球幕影院鋼網(wǎng)殼施工方案的選擇和難點(diǎn)分析，采用的“先內(nèi)殼再外殼、分層施工”思路，以及“分塊吊裝+高空散裝”相結(jié)合的施工方法[9]，并因地制宜的利用技術(shù)手段解決了拼裝精度控制要求高、支撐架上部定位措施難度大等難題，成功完成了球幕影院建設(shè)，取得顯著成效。