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        “嶺南明珠”體育館屋蓋鋼結(jié)構(gòu)制作與施工技術(shù)
        
                                  
                    
        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(jié)構(gòu)工程的節(jié)點深化設(shè)計、構(gòu)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(jié)構(gòu)制作與施工中所采取的工藝措施及相應(yīng)的技術(shù)方案。				
        				
        

               
        
               
          
				摘 要：本文介紹了佛山“嶺南明珠”體育館屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工程的節(jié)點深化設(shè)計、構(gòu)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(jié)構(gòu)制作與施工中所采取的工藝措施及相應(yīng)的技術(shù)方案。工程實踐表明，通過對鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工目標。
          
關(guān)鍵詞：深化設(shè)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(cè)），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(jié)構(gòu)體系由一個主館和兩個副館（訓(xùn)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(xùn)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(jié)構(gòu)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(dān)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(gòu)造獨特，結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)總重量10,000余噸，包含5000多個復(fù)雜節(jié)點，20600多根桿件。
          

          

          
二.鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計與節(jié)點、構(gòu)件加工制作
          
本工程主體鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)總用鋼量為12500噸，附屬結(jié)構(gòu)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(gòu)造非常新穎，如5、6根平面加空間扭曲的H型鋼構(gòu)件直接交匯的節(jié)點做法等，在國內(nèi)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(jié)構(gòu)構(gòu)件、節(jié)點數(shù)量繁多，構(gòu)造復(fù)雜，加工制作難度大，是本工程深化設(shè)計與鋼結(jié)構(gòu)制作的最大特點。
          

          

          
1.各工序制作難度
          
1）.結(jié)構(gòu)深化設(shè)計難度
          
正確詳盡的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計是結(jié)構(gòu)構(gòu)件精確加工的先決條件。本工程鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖的制作流程是先將設(shè)計圖形轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為適宜于構(gòu)件加工的平面尺寸。建立工程的空間模型之前，需經(jīng)過多次校核以確保構(gòu)件截面尺寸及軸線的正確性。由于本工程構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)造較為復(fù)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(fù)雜，容易出現(xiàn)間隙導(dǎo)致裝配不能緊貼，達不到理想的焊接質(zhì)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(fù)雜，節(jié)點設(shè)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(shè)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(jīng)ANSYS驗算后，對不滿足規(guī)范要求的節(jié)點重新設(shè)計出圖。
          
2）.放樣難度
          
由于結(jié)構(gòu)是空間任意的穹頂結(jié)構(gòu)，圖紙標注尺寸均僅能反映平面投影尺寸，很難反映構(gòu)件的真實外形尺寸，就必須通過計算機放樣，各個構(gòu)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(fù)雜，稍處理不當(dāng)，就會出現(xiàn)間隙，裝配不能緊帖，達不到理想的焊接質(zhì)量。
          
3）.胎架制作
          
所有構(gòu)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(zhuǎn)換成該基準面同一坐標系。在地面上彈出該節(jié)點的相關(guān)底線，然后搭設(shè)臨時組裝胎架上，以便于裝配定位。
          
2.節(jié)點與構(gòu)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(yīng)根據(jù)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)的組裝和測量，結(jié)構(gòu)裝配前先在鋼管上劃出裝配線，并將鋼管置于可旋轉(zhuǎn)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(guān)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(jīng)復(fù)測、矯正后裝配斜向撐桿、連接腹板及加強環(huán)加勁板。復(fù)測所有連接腹板空間角度關(guān)系并矯正，裝配下側(cè)撐桿并焊接；對于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(cè)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(cè)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(jié)構(gòu)裝配前，先在劃線平臺上劃出連接腹板及加強結(jié)構(gòu)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(cè)加強勁板并完成其焊接，加勁板采取退裝法從中間向兩側(cè)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(cè)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(chǎn)生過大的焊接變形。主要制作流程如圖5所示。
          

          

          
3. 焊接質(zhì)量控制措施
          
本工程的構(gòu)件與節(jié)點連接基本采用焊接形式，焊接工作量大，焊接質(zhì)量直接影響整個工程的施工質(zhì)量。在構(gòu)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(yù)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(dāng)構(gòu)件較長時，焊后應(yīng)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(zhì)”很快冷卻，造成局部應(yīng)力集中而引發(fā)裂紋產(chǎn)生，須提高預(yù)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)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(yù)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(yīng)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(zhuǎn)工件，清根后焊反面的焊縫，如此往復(fù)，以盡可能減少焊接變形及焊縫內(nèi)應(yīng)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(jié)構(gòu)吊裝施工
          
1.安裝方案的確定
          
本工程是真正的空間鋼結(jié)構(gòu),從結(jié)構(gòu)特點不難看出,安裝階段的空間剛度與結(jié)構(gòu)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(gòu)件內(nèi)力的變化、結(jié)構(gòu)安裝的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(jié)構(gòu)的安裝。
          
主體育館第一至九層環(huán)向桁架，訓(xùn)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(xùn)練館第八層至十層所有結(jié)構(gòu)采用在體育館內(nèi)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(xùn)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(gòu)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(shù)
          
1）.安裝用支撐胎架的設(shè)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(shè)置是保證整個結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量的關(guān)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(shè)置臨時支撐以便構(gòu)件就位。通過結(jié)構(gòu)施工過程計算，確定臨時支架采用框架體系，經(jīng)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(shè)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(shè)置支撐一層一層傳遞到地下室的基礎(chǔ)底板上。如下圖8所示
          

          

          
2）.鋼構(gòu)件的現(xiàn)場拼裝
          
構(gòu)件地面拼裝過程質(zhì)量的好壞將直接影響結(jié)構(gòu)高空分段吊裝施工的質(zhì)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(jié)構(gòu)易產(chǎn)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(yù)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(shù)難點之一是構(gòu)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(shù)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(jīng)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(cè)撐桿組裝時，先與上節(jié)點連接定位，再與節(jié)點下側(cè)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(yīng)標明節(jié)段重心位置，以防止空中吊裝時失穩(wěn)。
          
結(jié)構(gòu)的高精度拼裝須依靠高質(zhì)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(gòu)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(shè)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(zhuǎn)180°的方法進行組裝及焊接（圖10），即：吊裝單元上部結(jié)構(gòu)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(jīng)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(shè)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(shè)置更多的支撐保證其拼裝過程中的整體穩(wěn)定。經(jīng)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(zhì)量可以保證，不失為經(jīng)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(guān)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(fù)吊裝，在構(gòu)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(jié)構(gòu)重量約292噸，2個副館的穹頂結(jié)構(gòu)重量各約91噸。根據(jù)提升重量、設(shè)備能力以及技術(shù)經(jīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變形過大，對構(gòu)件造成永久破壞，液壓同步提升控制應(yīng)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(shè)定為主令吊點A，其余兩組分別設(shè)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(jié)構(gòu)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(diào)、卸載均衡的原則，通過其上可調(diào)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(shè)計要求及施工模擬計算的結(jié)果，嚴格控制循環(huán)卸載時的每一級高程控制精度，在關(guān)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(jié) 語 
          
佛山“嶺南明珠”體育館屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)形式新穎，構(gòu)件種類、數(shù)量繁多，節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜，制作與施工難度都很大。本文較全面地敘述了該鋼結(jié)構(gòu)工程的深化設(shè)計、節(jié)點與構(gòu)件加工制作的難點與采取的相應(yīng)工藝措施，結(jié)構(gòu)現(xiàn)場拼裝與吊裝施工過程的特點與對應(yīng)的技術(shù)解決方案等內(nèi)容。希望通過對此類大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程的成功建設(shè)實踐，為類似異形空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制作與施工積累寶貴的工程經(jīng)驗。
                    
		  
          				
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