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“嶺南明珠”體育館屋蓋鋼結構制作與施工技術

作者：志明等    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要：本文介紹了佛山“嶺南明珠”體育館屋蓋鋼結構工程的節(jié)點深化設計、構件制作、整體拼裝與施工安裝全過程，重點闡述了該工程鋼結構制作與施工中所采取的工藝措施及相應的技術方案。
    摘 要：本文介紹了佛山“嶺南明珠”體育館屋蓋鋼結構工程的節(jié)點深化設計、構件制作、整體拼裝與施工安裝全過程，重點闡述了該工程鋼結構制作與施工中所采取的工藝措施及相應的技術方案。工程實踐表明，通過對鋼結構制作施工方案的合理制定與正確實施，能夠較好地實現(xiàn)此類異形空間結構的設計與施工目標。
    關鍵詞：深化設計 節(jié)點制作 分層 整體提升

    一.工程概況
    “嶺南明珠”體育館位于廣東省佛山市禪城區(qū)季華五路（電視塔北側），毗鄰規(guī)劃中的城市景觀軸，占地22.3公頃，總建筑面積約75182m2（其中地下室建筑面積約23640 m2，地上建筑面積約51612 m2）。項目包括6000個座位的綜合體育館以及附屬體育館、全民健身廣場、地下停車場等。主體建筑結構體系由一個主館和兩個副館（訓練館和大眾館）組成，主體育館直徑為128.4m，建筑高度為35.48m，地上4層；訓練館和大眾館直徑為78.4m，建筑高度約26.4m。主館與副館通過3個穹頂連為一體，優(yōu)美的圓弧外形如同一顆熠熠生輝的明珠，其結構圖如圖1所示。作為佛山市的標志性建筑，該體育館自2005年建成以來，承擔了廣東省第12屆運動會的閉幕式及籃球、體操比賽等重大文體活動。
    本工程構造獨特，結構設計靈感來源于中國古老的建筑形式－斗拱，是世界首例真正大跨度空間結構。鋼結構總重量10,000余噸，包含5000多個復雜節(jié)點，20600多根桿件。

    二.鋼結構深化設計與節(jié)點、構件加工制作
    本工程主體鋼結構的桿件數(shù)量達22000多根，節(jié)點數(shù)量5000多個?？紤]工程獨特的結構形式，大部分節(jié)點采用H型鋼直接交匯節(jié)點或板節(jié)點，部分采用了鑄鋼節(jié)點，主體結構總用鋼量為12500噸，附屬結構重約1400多噸。在工程中大量采用的H型鋼直接交匯節(jié)點構造非常新穎，如5、6根平面加空間扭曲的H型鋼構件直接交匯的節(jié)點做法等，在國內外同類工程中尚屬罕見；部分典型節(jié)點形式如圖2所示。結構構件、節(jié)點數(shù)量繁多，構造復雜，加工制作難度大，是本工程深化設計與鋼結構制作的最大特點。

    1.各工序制作難度
    1）.結構深化設計難度
    正確詳盡的鋼結構深化設計是結構構件精確加工的先決條件。本工程鋼結構施工詳圖的制作流程是先將設計圖形轉化為空間模型，通過不同工作面對空間模型進行切割、投影，將將其轉化為適宜于構件加工的平面尺寸。建立工程的空間模型之前，需經過多次校核以確保構件截面尺寸及軸線的正確性。由于本工程構件種類、數(shù)量多，此項工作顯得尤為重要和繁雜。針對本工程的結構特點，在中央穹頂大球和小球的過渡位置，部分工作點不能通過圖紙來確定。因此，在建立模型之前，通過對照MIDAS計算模型進行多次的CAD模型校對，確定最終的整體空間模型，保證各工作點的位置精準。
    由于本工程節(jié)點構造較為復雜，特別是H型鋼斜向交匯處鋼板的厚薄度處理措施比較復雜，容易出現(xiàn)間隙導致裝配不能緊貼，達不到理想的焊接質量；需要進行多次放樣，以求達到較好的效果。如某些節(jié)點匯交了12根桿件，桿件數(shù)目較多，節(jié)點受力復雜，節(jié)點設計難度較大。為此，在空間模型建立后，需對各種類型的節(jié)點進行匯總，與設計方協(xié)商確定做進一步分析驗算的節(jié)點及受力工況；經ANSYS驗算后，對不滿足規(guī)范要求的節(jié)點重新設計出圖。
    2）.放樣難度
    由于結構是空間任意的穹頂結構，圖紙標注尺寸均僅能反映平面投影尺寸，很難反映構件的真實外形尺寸，就必須通過計算機放樣，各個構件節(jié)點都必須通過CAD實體建模，然后根據(jù)實體模型繪制出各零件圖。特別是H鋼斜交于H鋼上鋼板厚薄度處理比較復雜，稍處理不當，就會出現(xiàn)間隙，裝配不能緊帖，達不到理想的焊接質量。
    3）.胎架制作
    所有構件節(jié)點均為空間不規(guī)則布置，每個節(jié)點在組裝前必須找準安裝基準面，并且按此基準面將其余桿件坐標轉換成該基準面同一坐標系。在地面上彈出該節(jié)點的相關底線，然后搭設臨時組裝胎架上，以便于裝配定位。
    2.節(jié)點與構件制作
    所有零件均通過計算機精確放樣，下料采取數(shù)控精密切割。腹板及其連接板孔群加工采用數(shù)控鉆孔鉆制。節(jié)點采用空間定位，每個零件組裝時，須根據(jù)圖紙上所反映的長度和角度進行吊線定位。為精確定位，定位點選2個以上；每個零件定位，須測量8個甚至更多數(shù)據(jù)。零件定位時，還應根據(jù)構件的特點選擇裝配和焊接的順序，避免焊縫操作空間小和焊縫收縮不均勻的情況。結構裝配完后進行整體測量，對不符合要求的零件采用火焰矯正方法進行矯正。典型構件節(jié)點的制作流程如下。
    1）.環(huán)向桁架上弦節(jié)點A制作工藝流程
    為便于控制節(jié)點連接的斷面尺寸，該節(jié)點上、下環(huán)板制作時分為3段進行下料。將對應各段的上、下環(huán)板分別與其腹板組裝成部件，組裝中嚴格控制斷面尺寸精度及腹板垂直度要求。為便于結構的組裝和測量，結構裝配前先在鋼管上劃出裝配線，并將鋼管置于可旋轉滾輪胎架上進行定位。鋼管定位后按裝配線進行部件Ⅰ的裝配，裝配時嚴格控制其空間角度與位置關系。接著依次進行部件Ⅱ和部件Ⅲ的裝配，同時嚴格控制環(huán)板對接錯邊量。組裝完成后進行焊接時，先焊環(huán)板對接焊縫，再焊接腹板角焊縫。焊后經復測、矯正后裝配斜向撐桿、連接腹板及加強環(huán)加勁板。復測所有連接腹板空間角度關系并矯正，裝配下側撐桿并焊接；對于結構重點焊縫要求進行超聲波檢測。主要制作流程如圖3所示。

    2）.環(huán)向桁架下弦節(jié)點制作工藝流程
    結構裝配前先在劃線平臺上標記連接腹板定位線。在H型鋼自動組立機上進行H型鋼組裝，采用埋弧自動焊在H型自動埋弧焊機上進行焊接。焊后進行矯正，裝焊腹板加勁板、封板；依次分步裝焊中間兩側的連接節(jié)點、部件，裝配時要嚴格控制組裝間隙。焊接時從中間向外側退焊施工，并要求上、下對稱施焊。組裝、焊接中間連接節(jié)點時重點控制節(jié)點空間夾角及其斷面尺寸精度，除結構空間狹小位置采用手工焊外，其它部位均采用二氧化碳氣體保護焊進行焊接。為控制連接節(jié)點端口斷面尺寸精度，將外端連接節(jié)點組裝成部件后再整體與節(jié)點主體進行裝焊，組裝中嚴格控制其空間夾角。連接節(jié)點焊接時要求雙數(shù)焊工對稱施焊，以防止產生過大的焊接變形。主要制作流程如圖4所示。

    圖3 環(huán)向桁架上弦節(jié)點A制作工藝流程圖
    3）.環(huán)向桁架上弦節(jié)點B制作工藝流程
    結構裝配前，先在劃線平臺上劃出連接腹板及加強結構裝配定位線。在工裝平臺上進行組裝，該平臺需滿足組裝平面度要求。按定位線組裝縱向連接腹板并嚴格控制其垂直度。裝配兩側加強勁板并完成其焊接，加勁板采取退裝法從中間向兩側依次裝焊并要求對稱施工，以減小焊接變形。依次裝焊中間兩側的垂直、斜向連接部件；組裝完后進行連接節(jié)點的焊接時，要求雙數(shù)焊工對稱施焊以防止產生過大的焊接變形。主要制作流程如圖5所示。

    3. 焊接質量控制措施
    本工程的構件與節(jié)點連接基本采用焊接形式，焊接工作量大，焊接質量直接影響整個工程的施工質量。在構件制作及現(xiàn)場施工中，主要采取了如下的焊接工藝控制措施：
    預熱溫度一般控制在200～250℃之間，為了保持該溫度，要求厚板焊接時一次焊接連續(xù)作業(yè)完成；當構件較長時，焊后應立即蓋上保溫板，防止焊接區(qū)域溫度過快冷卻。
    在厚板進行定位焊時，為防止定位焊處的溫度被周圍“冷卻介質”很快冷卻，造成局部應力集中而引發(fā)裂紋產生，須提高預加熱溫度、加大定位焊縫長度和焊腳尺寸。
    實踐表明，在焊縫周圍的鋼板表面四處敲擊的引弧方法對厚板的危害很大。在厚板焊接過程中，嚴格禁止此種不規(guī)范行為的發(fā)生，不允許在焊區(qū)以外的母材上引弧和熄弧。重要的對接接頭和T形接頭的兩端均應裝焊引弧板和熄弧板。
    為防止由擺寬道造成的母材對焊縫拘束應力過大、焊縫強度相對較弱所帶來的焊縫開裂或延遲裂紋的產生，須堅持采用多層、多道焊縫，利用前道焊縫對后道焊縫的“預熱”以及后道焊縫對前道焊縫的“后熱”處理，以有效改善焊接過程中的應力分布狀態(tài)。
    為控制板件角變形，采用合理的焊接施工順序。采用翻身焊接時先焊正面的部分焊道，然后翻轉工件，清根后焊反面的焊縫，如此往復，以盡可能減少焊接變形及焊縫內應力。
    因為施焊過程時間較長，需要加強焊接過程中的檢查，以便及時發(fā)現(xiàn)問題、及時處理。
    三.鋼結構吊裝施工
    1.安裝方案的確定
    本工程是真正的空間鋼結構,從結構特點不難看出,安裝階段的空間剛度與結構形成整體后的空間剛度相差會十分懸殊,所以在安裝過程中構件內力的變化、結構安裝的穩(wěn)定性、結構的變形等都難以控制，如果這樣，對于安裝時空間座標的測控、安裝精度控制、安裝誤差的消除等將會產生非常大的影響；另外，本工程安裝受現(xiàn)場條件的限制，吊裝區(qū)域面積大，吊裝半徑最大達65米，吊裝難度較大。
    針對上述難點，采用以下安裝方案來解決本工程結構的安裝。
    主體育館第一至九層環(huán)向桁架，訓練館和大眾館第一至七層環(huán)向桁架進行合理分段后采用大型履帶吊車(1臺250噸，2臺150噸)進行分段吊裝；
    主體育館十一至十五層，大眾館、訓練館第八層至十層所有結構采用在體育館內投影位置處整體拼裝，然后采用液壓同步提升的方法進行整體安裝。
    主體育館第十層，大眾館、訓練館第七層環(huán)向分段采用分段吊裝最后吊裝，另外局部構件（外層拉桿等）均以汽車吊進行散件安裝。
    2、施工要點及主要施工技術
    1）.安裝用支撐胎架的設置
    根據(jù)本工程的安裝方案，下部采用大型履帶吊機分單元吊裝，上部穹頂采用整體提升的方法安裝。臨時支撐的設置是保證整個結構安裝質量的關鍵，而合理的支撐形式將確保工程的安裝精度與進度。根據(jù)本工程吊裝要求，環(huán)形桁架吊裝需設置臨時支撐以便構件就位。通過結構施工過程計算，確定臨時支架采用框架體系，經過深入的研究探討，決定采用下圖所示的支撐體系（圖6、圖7）：


    三個館中呈放射狀的支撐用于下部環(huán)向桁架吊裝單元支撐用，并設置環(huán)向聯(lián)系桁架及隅撐等，以確保支撐體系的穩(wěn)定。支承在混凝土樓板上的鋼支撐，均要設置支撐一層一層傳遞到地下室的基礎底板上。如下圖8所示

    2）.鋼構件的現(xiàn)場拼裝
    構件地面拼裝過程質量的好壞將直接影響結構高空分段吊裝施工的質量與效率。根據(jù)擬定的吊裝方案，先按環(huán)向桁架的吊裝要求進行合理分段，在現(xiàn)場進行環(huán)向桁架的分段地面拼裝。拼裝采用正造立體拼裝的形式和“5+1”連續(xù)拼裝的方法進行，即主桁架第一次多段（分6段）拼裝后，留下最后一個分段，并以其為基準再進行第二次主桁架的分段拼裝，以此保證施工安裝時分段間的連接節(jié)點準確。另一方面，針對現(xiàn)場地基較軟，結構易產生變形的特點，拼裝胎架采用重型路基箱制作。由于現(xiàn)場拼裝焊縫比較集中，易造成焊接收縮變形，在施工過程中采取了預放焊接收縮余量和保證胎架剛度的方法進行控制。
    拼裝施工的技術難點之一是構件空間定位問題。在桁架分段組裝胎架制作前，先運用計算機三維空間模型技術進行精確放樣，以確保節(jié)點空間位置正確。組裝胎架時，以控制節(jié)點作為胎架基準面并輔以弦桿空間線型進行制作。根據(jù)計算機放樣坐標點，采用激光經緯儀測量進行節(jié)點定位，定位完成后用臨時工裝加固。桁架下側撐桿組裝時，先與上節(jié)點連接定位，再與節(jié)點下側加勁板裝配。上、下弦桿按從中間向兩邊順序進行組裝，以控制分段整體尺寸精度。桿件對接時先用沖釘固定腹板，再對接上、下翼緣板。分段整體吊裝前應標明節(jié)段重心位置，以防止空中吊裝時失穩(wěn)。
    結構的高精度拼裝須依靠高質量的工程檢測做保障，拼裝階段對各工序的施工測量、跟蹤檢測工作貫穿于上述各工序的始末。
    構件拼裝是將工廠制作完成的節(jié)點和零部件組裝成吊裝單元。我們在現(xiàn)場配置了4臺龍門行車，并在龍門行車下設置了滿鋪的水平胎架（圖9），以滿足原計劃的吊裝需要。水平胎架采用較小截面的H型鋼作為豎向支撐桿件，槽鋼、角鋼作為水平方向聯(lián)系桿件。胎架平面距離地面1.5m，以滿足拼裝拉桿節(jié)點的空間需要。

    零部件組裝時，為便于施工，采取將吊裝單元翻轉180°的方法進行組裝及焊接（圖10），即：吊裝單元上部結構平面擱置在水平的拼裝胎架上，而下部支撐桿件朝上。拼裝完成后由龍門行車吊至待運輸區(qū)進行涂裝作業(yè)，經檢驗合格后由平板汽車運輸至指定區(qū)域進行吊裝作業(yè)。
    相比較而言，吊裝單元正做的方法要搭設的胎架高度較高，則所需的胎架材料增加，且頭重腳輕不穩(wěn)定，需要設置更多的支撐保證其拼裝過程中的整體穩(wěn)定。經實踐檢驗，倒做的拼裝方法節(jié)省胎架材料、拼裝周期短、拼裝難度低、質量可以保證，不失為經濟實用的做法。
    3）.吊裝施工
    吊裝施工作業(yè)主要由吊裝單元高空安裝法及整體提升法組成。
    吊裝單元高空安裝法主要需注意安裝順序的選擇，如何合理安排吊車作業(yè)，做到物盡其用，是關鍵所在。
    采用吊裝的方法是主館和2個副館同時吊裝，主館采用250t履帶吊機進行安裝，2個副館各采用1臺150t吊機進行安裝。3臺吊機圍繞各自場館的圓周方向往復吊裝，在構件充分滿足現(xiàn)場安裝需要的前提下，最大程度的提高了吊機的使用率，是使工程得以提前完工的保障。

    三個場館的中心穹頂均采用了液壓裝置進行整體提升的安裝方法。
    主館的穹頂結構重量約292噸，2個副館的穹頂結構重量各約91噸。根據(jù)提升重量、設備能力以及技術經濟性方面考慮，并配合組裝胎架的平面布置位置，主館從豎向支撐體系中選取了9根支撐胎架作為整體提升用，2個副館各選取了4根。


    液壓提升過程中，穹頂鋼結構需要與環(huán)向三角桁架進行多點對接作業(yè)，對安裝精度要求很高。同時，為防止提升過程中穹頂結構變形過大，對構件造成永久破壞，液壓同步提升控制應滿足兩個要求：
    保證各個提升點均勻受載；
    保證各個提升點保持一定程度的同步（同步精度±5mm）。
    為滿足以上要求，制定有如下的控制策略：
    (1) 將9個提升點沿圓周方向均勻分為三組，每組3個液壓提升器并聯(lián)；
    (2) 將其中一組設定為主令吊點A，其余兩組分別設定為從令吊點B、C；
    (3) 在計算機同步控制系統(tǒng)的控制下從令吊點B、C以高差來跟蹤主令吊點A，保證每個提升點在提升過程中始終保持同步。通過三點確定一個平面的原理，保證穹頂結構在整個提升過程中的整體穩(wěn)定和平衡。

    4）. 臨時支撐的拆除
    臨時支撐的拆除則根據(jù)變形協(xié)調、卸載均衡的原則，通過其上可調節(jié)點支承裝置的多次循環(huán)微量下降實現(xiàn)。拆除工作按照從由中間向四周、中心對稱的順序進行。由于在支撐拆除過程中無法做到絕對同步，各支撐點卸載先后次序不同，必然造成其反力增減不均。本工程施工過程中，根據(jù)設計要求及施工模擬計算的結果，嚴格控制循環(huán)卸載時的每一級高程控制精度，在關鍵支撐點部位放置檢測裝置，全程檢測支撐的軸力變化，確保支撐的拆除安全。
    四.結 語
    佛山“嶺南明珠”體育館屋蓋鋼結構工程結構形式新穎，構件種類、數(shù)量繁多，節(jié)點構造復雜，制作與施工難度都很大。本文較全面地敘述了該鋼結構工程的深化設計、節(jié)點與構件加工制作的難點與采取的相應工藝措施，結構現(xiàn)場拼裝與吊裝施工過程的特點與對應的技術解決方案等內容。希望通過對此類大跨度鋼結構工程的成功建設實踐，為類似異形空間結構的設計、制作與施工積累寶貴的工程經驗。
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