吉林市人民大剧院空间异形双曲面焊接球网架分块安装方法.doc

吉林市人民大剧院空间异形双曲面焊接球网架分块安装方法.doc

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吉林市人民大剧院空间异形双曲面焊接球网架分块安装方法

邓良波刘立刚胡洪明付瑞桃

（浙江精工钢结构集团有限公司浙江绍兴312030）

[摘要]分块安装方法中包含了深化建模分块技术、地面拼装技术、分块吊装技术、高空补杆安装技术和临时支撑及卸载技术等多项技术的综合应用，是解决异形双曲面焊接球网架结构安装的有效方案。

对于异形双曲面焊接球网架结构，采用分块安装的方法能较快推进工程的实施，比高空散装节约经济成本，比整体安装节约时间成本。

[关键词]异形双曲面网架分块深化建模拼装吊装临时支撑卸载焊接精度控制变形控制

0前言

焊接球网架结构作为钢结构发展过程中应用较早的结构形式之一，近年来在各类公共建筑和工业建筑中越来越多的被采用。

但是随着中国建筑水平的高速发展，建筑艺术水平的不断攀升，焊接球网架结构的复杂程度也越来越高，从最早的平板网架发展到现在的球曲面焊接球网架、抛物面焊接球网架，造型从简单的单一造型，发展到现在复杂多变的异形造型，对施工单位提出了更高难度的挑战。

1工程概况

本工程位于吉林市东山区，江湾大桥南端东侧，总建筑面积为37007.98平方米，地上四层，地下一层。

上部屋面为网壳结构，下部屋面为网架结构，最高点标高约36.3米，最低点约9.5米，屋面为不规则双曲面，结构造型新颖独特，犹如振翅欲飞的江鹰。

本工程分为大剧场、小剧场和电影院。

其中大剧场观众座席数为1482座，小剧场座席数为526座，电影院设4个观众厅，观众总座席数为556座（如图1）。

图1吉林市人民大剧院效果图

2结构概况

本工程焊接球钢屋盖部分主要包括支撑梁柱、网架两部分，总用钢量约1300吨（如图2）。

下部网壳

下部网架

上部网壳

图2吉林市人民大剧院钢屋盖轴测图

2.1网架支撑梁柱结构概况

网架支撑结构为外围与幕墙连接部分的梁柱，共约300多吨，钢柱截面有P600X20、P800X30，钢梁截面有H582X300X12X17，杆件材质为Q345C（如图3）。

图3外围与幕墙连接部分的梁柱

2.2结构概况

本工程网架结构为抽空型三角锥焊接球网架，基本网格尺寸为2.2米X2.2米，网架最低高度为2.2米，最高高度达6米，整个网架为空间异形双曲面结构。

上弦杆最短1.139米，最长3.394米，截面有P140X5、P180X6、P203X8。

腹杆最短1.211米，最长4.187米，截面有多种形式，最小P70X4，最大P245X12。

下弦杆最短0.814米，最长3.754米，截面最小P140X6，最大P245X12。

焊接球直径最小200mm，壁厚6mm；直径最大600mm，壁厚25mm，杆件材质采用Q235C和Q345C（如图4）。

图4异形双曲面焊接球网架

3工程特点、难点

3.1施工作业面广，工程量大，工期紧，施工组织难度大

施工作业面面广，结构总投影面积有约1.5万平方；工程量大，构件数量达22030根杆件，焊接球5116个。

本工程施工工期非常紧张，整个网架安装工期仅两个月，造成施工组织难度非常大，对施工单位的管理和创新提出更高的要求。

3.2双曲面结构复杂，结构形式多样，施工难度较大

本工程钢网架屋盖为异形双曲面结构，整个屋面呈坡状，最大跨度达48米，最大悬挑跨度达20米，结构找型精度要求非常高；再加上工期紧，结构复杂、标高变化大、土建结构高低错落等，施工难度非常大。

4安装整体思路

4.1施工条件分析

钢屋盖位于土建楼层结构上方，不具备整体安装的条件；楼层结构极为复杂，标高落差极大，同时受楼内二次砌筑、机电安装等施工影响，不具备脚手架搭设后高空散装的条件，因此本工程网架安装只有采用分块安装的方法才最合理。

4.2安装整体思路

根据本工程网架分布的区域和各个区域内工作量的大小，将网架划分为五个施工区域，结合现场的实际情况，将拼装场地设置在工程量最大的主入口区域。

施工现场共设置两个拼装场区，每个拼装场区可以设置四副拼装胎架进行拼装，设置两个分料场进行杆件的清点和分料。

拼装采用12吨小型汽车吊，分块拼装完成后采用400吨大型履带吊装直接进行跨外吊装。

每块网架安装设置四个支撑点，尽量利用钢柱作为主支撑点，其余支撑点采用临时三角支撑架进行支撑，待整个结构形成整体后进行卸载和临时支撑架拆除。

5关键施工技术

5.1深化建模分块技术

（1）深化建模

利用AutoCAD或Tekla等绘图软件，依据施工蓝图进行实体建模。

深化建模的步骤为：

设置坐标原点、建立轴线网、根据构件规格设置图层、搭建三维线框、绘制构件实体、检查纠正。

（2）分块

本工程网架结构为下弦抽空三角锥型网格，共分为42个块，主要遵循以下三个原则：

一是确保每个单元至少与钢柱有一个连接点，二是确保支撑点不在分界边缘的焊接球上，三是尽量保证每个单元趋近规则，便于节约和利用拼装场地，同时也方便吊装（如图5）。

图5网架分区布置图

（3）分块拼装图的绘制

分块完成后，将模型中的分块选取出来，新建一个文档，利用左视图窗口和主视图窗口，采用“旋转”命令将分块的下弦球基本调整到标高差最小的空间姿态。

设置点样式，用“点”命令选取相对坐标原点，原点坐标取（0,0,500）,保证杆件的离地高度在300~400mm左右，方便焊接操作。

用“移动”命令，将整片网架移动到原点位置，让网架边缘位置最低点的焊接球球心与原点坐标重合。

选取网架下弦球和下弦杆，用“点”命令将球心进行打点标记，加载球心坐标点的输出程序，输出各个点的坐标值，最后将各个点的编号粘贴到相对应的焊接球上。

依此方法，绘制出上弦球的坐标值。

5.2地面拼装技术

（1）拼装场地的设置

拼装场地设置：

拼装场地采用100mm厚的C15混凝土进行硬化，并保证完成表面的平整度，高低差不得大于100mm。

场地必须预留出小型汽车吊的停车位置，散构件的摆放位置。

（2）测量放点

根据分块拼装图给出的焊接球中心点坐标，采用全站仪在硬化后的场地上大致放出焊接球的位置（不包括焊接球的高度），并且用彩漆做好标记，然后在大样上放置500X500X10mm的钢板（胎架底板），用电锤在钢板四周钻孔，打入锚钉固定钢板，以便有效的保护坐标点。

在上述步骤都完成以后，用全站仪精确的把每个下弦焊接球的三维坐标放样到钢板上，并读出每个钢板的绝对标高（地面标高），取最低点的绝对标高（地面标高）作为局部坐标系的相对零标高，得到支撑钢管的下料高度。

（3）拼装胎架的制作

根据焊接球直径的大小，并结合焊接球的贯入度在20mm以上的原则，φ400以下的焊接球选用φ160X5钢管作为支撑点，φ400以上的焊接球选用φ219X5的钢管作为支撑点。

独立支撑钢管的高度尽量控制在500mm~1000mm左右，方便拼装上料、焊工施焊，同时也节约用料。

支撑钢管下料完毕后，将其安装到定位锚板上，用水平尺调整好支撑钢管的垂直度和管口的水平度，确保钢管中心与放设点重合，提高安装精度（如图6、图7）。

图6支撑管调整图7支撑管设置完成

（4）拼装上料

胎架设置完成后，第一步先安装下弦球。

下弦球的安装可以直接用人工上料，大于直径较大、重量较重的焊接球可以采用小型汽车吊进行上料。

焊接球上料完成后，不可与支撑管固定，必须保证焊接球可以活动，这样在安装下弦杆时方便杆件进入。

下弦杆安装一般从分块网架的中间部位开始，也可以从边缘部位开始。

在形成一个三角形回路后，用全站仪对焊接球的坐标进行精调，同时将焊接球与下弦杆点焊固定，焊接球与支撑管也点焊固定，这样可以形成一个固定的拼装块，其余部位的杆件安装均以此为基准，向四周延伸。

下弦杆安装时，必须按照图纸的节点尺寸严格控制焊接球与杆口的间隙，同时采用全站仪对球心坐标进行检查，及时调整，防止安装过程中累计误差过大而影响整体拼装尺寸。

下弦杆安装完成后，开始安装上弦球、上弦杆和腹杆，上弦杆安装必须同腹杆安装同步进行。

第一个上弦球的安装至关重要，将与其连接的腹杆全部安装，作为焊接球的支托，并测量定位，随后对周边的焊接球、上弦杆和腹杆进行安装。

后续焊接球安装时，将一根上弦杆与焊接球地面点焊固定，用吊车通过手动葫芦将组合好的求和杆，以及另一根与其组合的上弦杆一起起吊安装，同时将腹杆安装到位。

安装时，必须按照图纸的节点尺寸严格控制焊接球与杆口的间隙，同时采用全站仪对球心坐标进行检查，及时调整，防止安装过程中累计误差过大而影响整体拼装尺寸（如图8）。

图8上弦球、杆安装，并复测

（4）球心坐标测量的误差控制

球心坐标测量的误差控制主要存在两方面的误差，一是测量点的找点误差，另一个是测量误差。

因此，提高球心坐标测量的精度，主要是控制找点精度。

焊接球测量找点一般采用的是目测法进行找点，焊接球的直径越大，误差也越大。

为了提高找点精度，采用一个φ140X5的钢管制作一个只有一个底面的标准托盘，设定好托盘的中心点位置，将托盘反扣在焊接球上，托盘的表面用水平尺调节水平，计算出它与焊接球相切后的标高值，这样托盘的中心点就是球心点在垂直方向的延伸点，标高可以通过换算得出。

通过托盘转换测得的球心坐标误差非常小（如图9）。

图9球心坐标定位

（5）焊接

焊接必须在上弦杆安装基本快结束时开始焊接，合理的焊接顺序能有效的控制焊接变形。

焊接顺序必须遵循“单杆双焊、双杆单焊”和“先腹杆、后弦杆”的原则，但是由于球节点太小，不能安排两个焊工同时进行焊接，因此必须由一个焊工进行对称焊接。

整片网架的焊接顺序必须从分片网架的中间区域开始，向四周延伸，能有效的将焊接应力释放到结构之外。

对于边缘部位的下弦球，必须与独立支撑杆进行焊接连接，防止因焊接变形造成杆件上翘而引起球体标高抬高。

同时，在焊接边缘部位的弦杆时，也要尽量在同一根弦的管口进行上下对称或者左右对称焊接。

5.3分块吊装技术

分块后的网架长约20多米，宽约15米，重量达20多吨，吊装难度极大。

（1）对分块网架进行计算分析

利用MIDAS计算软件进行对整个结构受力进行计算机仿真分析，分析构件在起吊后的刚度是否能满足变形要求。

如果不能满足，则需要对吊装受力点进行加固处理。

（2）吊装机械的选择

对于超长、超宽、超重构件的吊装，在选择吊装机械的时候，必须优先考虑履带式起重机。

根据构件重量、吊装作业半径的大小，优先选择履带式起重机的塔式工况进行吊装，塔臂尽量长，这样能较好的防止构件在起吊过程中对吊车主臂造成碰撞。

选择塔式工况的另一个好处就是可以缩短作业半径，节约施工场地的使用。

（3）吊索的绑扎方法

采用四点绑扎的方法设置吊索，四根吊索中设置一根固定索，其余三根为可调索，中间采用10吨手动葫芦进行调节，保证四个点均衡受力，又能将分块网架调整到需要吊装的就时的空间姿态。

在地面调节手动葫芦时，尽量将构件与地面的水平夹角调大一点，到高空就位时形成放葫芦，这样既能省力，又能节约时间。

地面调整好后，必须对每根吊索进行受力检查，并将拉链捆扎在吊索上，防止滑链（如图10）

图10网架分块吊装

5.4高空补杆技术

网架分块安装完成后，分块之间的杆件必须及时进行安装。

补杆的杆件根据安装完成后分块之间的尺寸，直接在现场下料，可以弥补施工误差造成的杆件尺寸不合适，保证施工质量。

补杆安装可以采用小型卷扬机进行吊装，既方便快捷，又可节约大型起重设备的使用。

补杆作业面上必须铺设好木跳板，方便施工人员操作（如图11）。