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“岭南明珠”体育馆屋盖钢结构制作与施工技术

作者：志明等    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要：本文介绍了佛山“岭南明珠”体育馆屋盖钢结构工程的节点深化设计、构件制作、整体拼装与施工安装全过程，重点阐述了该工程钢结构制作与施工中所采取的工艺措施及相应的技术方案。
    摘 要：本文介绍了佛山“岭南明珠”体育馆屋盖钢结构工程的节点深化设计、构件制作、整体拼装与施工安装全过程，重点阐述了该工程钢结构制作与施工中所采取的工艺措施及相应的技术方案。工程实践表明，通过对钢结构制作施工方案的合理制定与正确实施，能够较好地实现此类异形空间结构的设计与施工目标。
    关键词：深化设计 节点制作 分层 整体提升

    一.工程概况
    “岭南明珠”体育馆位于广东省佛山市禅城区季华五路（电视塔北侧），毗邻规划中的城市景观轴，占地22.3公顷，总建筑面积约75182m2（其中地下室建筑面积约23640 m2，地上建筑面积约51612 m2）。项目包括6000个座位的综合体育馆以及附属体育馆、全民健身广场、地下停车场等。主体建筑结构体系由一个主馆和两个副馆（训练馆和大众馆）组成，主体育馆直径为128.4m，建筑高度为35.48m，地上4层；训练馆和大众馆直径为78.4m，建筑高度约26.4m。主馆与副馆通过3个穹顶连为一体，优美的圆弧外形如同一颗熠熠生辉的明珠，其结构图如图1所示。作为佛山市的标志性建筑，该体育馆自2005年建成以来，承担了广东省第12届运动会的闭幕式及篮球、体操比赛等重大文体活动。
    本工程构造独特，结构设计灵感来源于中国古老的建筑形式－斗拱，是世界首例真正大跨度空间结构。钢结构总重量10,000余吨，包含5000多个复杂节点，20600多根杆件。

    二.钢结构深化设计与节点、构件加工制作
    本工程主体钢结构的杆件数量达22000多根，节点数量5000多个。考虑工程独特的结构形式，大部分节点采用H型钢直接交汇节点或板节点，部分采用了铸钢节点，主体结构总用钢量为12500吨，附属结构重约1400多吨。在工程中大量采用的H型钢直接交汇节点构造非常新颖，如5、6根平面加空间扭曲的H型钢构件直接交汇的节点做法等，在国内外同类工程中尚属罕见；部分典型节点形式如图2所示。结构构件、节点数量繁多，构造复杂，加工制作难度大，是本工程深化设计与钢结构制作的最大特点。

    1.各工序制作难度
    1）.结构深化设计难度
    正确详尽的钢结构深化设计是结构构件精确加工的先决条件。本工程钢结构施工详图的制作流程是先将设计图形转化为空间模型，通过不同工作面对空间模型进行切割、投影，将将其转化为适宜于构件加工的平面尺寸。建立工程的空间模型之前，需经过多次校核以确保构件截面尺寸及轴线的正确性。由于本工程构件种类、数量多，此项工作显得尤为重要和繁杂。针对本工程的结构特点，在中央穹顶大球和小球的过渡位置，部分工作点不能通过图纸来确定。因此，在建立模型之前，通过对照MIDAS计算模型进行多次的CAD模型校对，确定最终的整体空间模型，保证各工作点的位置精准。
    由于本工程节点构造较为复杂，特别是H型钢斜向交汇处钢板的厚薄度处理措施比较复杂，容易出现间隙导致装配不能紧贴，达不到理想的焊接质量；需要进行多次放样，以求达到较好的效果。如某些节点汇交了12根杆件，杆件数目较多，节点受力复杂，节点设计难度较大。为此，在空间模型建立后，需对各种类型的节点进行汇总，与设计方协商确定做进一步分析验算的节点及受力工况；经ANSYS验算后，对不满足规范要求的节点重新设计出图。
    2）.放样难度
    由于结构是空间任意的穹顶结构，图纸标注尺寸均仅能反映平面投影尺寸，很难反映构件的真实外形尺寸，就必须通过计算机放样，各个构件节点都必须通过CAD实体建模，然后根据实体模型绘制出各零件图。特别是H钢斜交于H钢上钢板厚薄度处理比较复杂，稍处理不当，就会出现间隙，装配不能紧帖，达不到理想的焊接质量。
    3）.胎架制作
    所有构件节点均为空间不规则布置，每个节点在组装前必须找准安装基准面，并且按此基准面将其余杆件坐标转换成该基准面同一坐标系。在地面上弹出该节点的相关底线，然后搭设临时组装胎架上，以便于装配定位。
    2.节点与构件制作
    所有零件均通过计算机精确放样，下料采取数控精密切割。腹板及其连接板孔群加工采用数控钻孔钻制。节点采用空间定位，每个零件组装时，须根据图纸上所反映的长度和角度进行吊线定位。为精确定位，定位点选2个以上；每个零件定位，须测量8个甚至更多数据。零件定位时，还应根据构件的特点选择装配和焊接的顺序，避免焊缝操作空间小和焊缝收缩不均匀的情况。结构装配完后进行整体测量，对不符合要求的零件采用火焰矫正方法进行矫正。典型构件节点的制作流程如下。
    1）.环向桁架上弦节点A制作工艺流程
    为便于控制节点连接的断面尺寸，该节点上、下环板制作时分为3段进行下料。将对应各段的上、下环板分别与其腹板组装成部件，组装中严格控制断面尺寸精度及腹板垂直度要求。为便于结构的组装和测量，结构装配前先在钢管上划出装配线，并将钢管置于可旋转滚轮胎架上进行定位。钢管定位后按装配线进行部件Ⅰ的装配，装配时严格控制其空间角度与位置关系。接着依次进行部件Ⅱ和部件Ⅲ的装配，同时严格控制环板对接错边量。组装完成后进行焊接时，先焊环板对接焊缝，再焊接腹板角焊缝。焊后经复测、矫正后装配斜向撑杆、连接腹板及加强环加劲板。复测所有连接腹板空间角度关系并矫正，装配下侧撑杆并焊接；对于结构重点焊缝要求进行超声波检测。主要制作流程如图3所示。

    2）.环向桁架下弦节点制作工艺流程
    结构装配前先在划线平台上标记连接腹板定位线。在H型钢自动组立机上进行H型钢组装，采用埋弧自动焊在H型自动埋弧焊机上进行焊接。焊后进行矫正，装焊腹板加劲板、封板；依次分步装焊中间两侧的连接节点、部件，装配时要严格控制组装间隙。焊接时从中间向外侧退焊施工，并要求上、下对称施焊。组装、焊接中间连接节点时重点控制节点空间夹角及其断面尺寸精度，除结构空间狭小位置采用手工焊外，其它部位均采用二氧化碳气体保护焊进行焊接。为控制连接节点端口断面尺寸精度，将外端连接节点组装成部件后再整体与节点主体进行装焊，组装中严格控制其空间夹角。连接节点焊接时要求双数焊工对称施焊，以防止产生过大的焊接变形。主要制作流程如图4所示。

    图3 环向桁架上弦节点A制作工艺流程图
    3）.环向桁架上弦节点B制作工艺流程
    结构装配前，先在划线平台上划出连接腹板及加强结构装配定位线。在工装平台上进行组装，该平台需满足组装平面度要求。按定位线组装纵向连接腹板并严格控制其垂直度。装配两侧加强劲板并完成其焊接，加劲板采取退装法从中间向两侧依次装焊并要求对称施工，以减小焊接变形。依次装焊中间两侧的垂直、斜向连接部件；组装完后进行连接节点的焊接时，要求双数焊工对称施焊以防止产生过大的焊接变形。主要制作流程如图5所示。

    3. 焊接质量控制措施
    本工程的构件与节点连接基本采用焊接形式，焊接工作量大，焊接质量直接影响整个工程的施工质量。在构件制作及现场施工中，主要采取了如下的焊接工艺控制措施：
    预热温度一般控制在200～250℃之间，为了保持该温度，要求厚板焊接时一次焊接连续作业完成；当构件较长时，焊后应立即盖上保温板，防止焊接区域温度过快冷却。
    在厚板进行定位焊时，为防止定位焊处的温度被周围“冷却介质”很快冷却，造成局部应力集中而引发裂纹产生，须提高预加热温度、加大定位焊缝长度和焊脚尺寸。
    实践表明，在焊缝周围的钢板表面四处敲击的引弧方法对厚板的危害很大。在厚板焊接过程中，严格禁止此种不规范行为的发生，不允许在焊区以外的母材上引弧和熄弧。重要的对接接头和T形接头的两端均应装焊引弧板和熄弧板。
    为防止由摆宽道造成的母材对焊缝拘束应力过大、焊缝强度相对较弱所带来的焊缝开裂或延迟裂纹的产生，须坚持采用多层、多道焊缝，利用前道焊缝对后道焊缝的“预热”以及后道焊缝对前道焊缝的“后热”处理，以有效改善焊接过程中的应力分布状态。
    为控制板件角变形，采用合理的焊接施工顺序。采用翻身焊接时先焊正面的部分焊道，然后翻转工件，清根后焊反面的焊缝，如此往复，以尽可能减少焊接变形及焊缝内应力。
    因为施焊过程时间较长，需要加强焊接过程中的检查，以便及时发现问题、及时处理。
    三.钢结构吊装施工
    1.安装方案的确定
    本工程是真正的空间钢结构,从结构特点不难看出,安装阶段的空间刚度与结构形成整体后的空间刚度相差会十分悬殊,所以在安装过程中构件内力的变化、结构安装的稳定性、结构的变形等都难以控制，如果这样，对于安装时空间座标的测控、安装精度控制、安装误差的消除等将会产生非常大的影响；另外，本工程安装受现场条件的限制，吊装区域面积大，吊装半径最大达65米，吊装难度较大。
    针对上述难点，采用以下安装方案来解决本工程结构的安装。
    主体育馆第一至九层环向桁架，训练馆和大众馆第一至七层环向桁架进行合理分段后采用大型履带吊车(1台250吨，2台150吨)进行分段吊装；
    主体育馆十一至十五层，大众馆、训练馆第八层至十层所有结构采用在体育馆内投影位置处整体拼装，然后采用液压同步提升的方法进行整体安装。
    主体育馆第十层，大众馆、训练馆第七层环向分段采用分段吊装最后吊装，另外局部构件（外层拉杆等）均以汽车吊进行散件安装。
    2、施工要点及主要施工技术
    1）.安装用支撑胎架的设置
    根据本工程的安装方案，下部采用大型履带吊机分单元吊装，上部穹顶采用整体提升的方法安装。临时支撑的设置是保证整个结构安装质量的关键，而合理的支撑形式将确保工程的安装精度与进度。根据本工程吊装要求，环形桁架吊装需设置临时支撑以便构件就位。通过结构施工过程计算，确定临时支架采用框架体系，经过深入的研究探讨，决定采用下图所示的支撑体系（图6、图7）：


    三个馆中呈放射状的支撑用于下部环向桁架吊装单元支撑用，并设置环向联系桁架及隅撑等，以确保支撑体系的稳定。支承在混凝土楼板上的钢支撑，均要设置支撑一层一层传递到地下室的基础底板上。如下图8所示

    2）.钢构件的现场拼装
    构件地面拼装过程质量的好坏将直接影响结构高空分段吊装施工的质量与效率。根据拟定的吊装方案，先按环向桁架的吊装要求进行合理分段，在现场进行环向桁架的分段地面拼装。拼装采用正造立体拼装的形式和“5+1”连续拼装的方法进行，即主桁架第一次多段（分6段）拼装后，留下最后一个分段，并以其为基准再进行第二次主桁架的分段拼装，以此保证施工安装时分段间的连接节点准确。另一方面，针对现场地基较软，结构易产生变形的特点，拼装胎架采用重型路基箱制作。由于现场拼装焊缝比较集中，易造成焊接收缩变形，在施工过程中采取了预放焊接收缩余量和保证胎架刚度的方法进行控制。
    拼装施工的技术难点之一是构件空间定位问题。在桁架分段组装胎架制作前，先运用计算机三维空间模型技术进行精确放样，以确保节点空间位置正确。组装胎架时，以控制节点作为胎架基准面并辅以弦杆空间线型进行制作。根据计算机放样坐标点，采用激光经纬仪测量进行节点定位，定位完成后用临时工装加固。桁架下侧撑杆组装时，先与上节点连接定位，再与节点下侧加劲板装配。上、下弦杆按从中间向两边顺序进行组装，以控制分段整体尺寸精度。杆件对接时先用冲钉固定腹板，再对接上、下翼缘板。分段整体吊装前应标明节段重心位置，以防止空中吊装时失稳。
    结构的高精度拼装须依靠高质量的工程检测做保障，拼装阶段对各工序的施工测量、跟踪检测工作贯穿于上述各工序的始末。
    构件拼装是将工厂制作完成的节点和零部件组装成吊装单元。我们在现场配置了4台龙门行车，并在龙门行车下设置了满铺的水平胎架（图9），以满足原计划的吊装需要。水平胎架采用较小截面的H型钢作为竖向支撑杆件，槽钢、角钢作为水平方向联系杆件。胎架平面距离地面1.5m，以满足拼装拉杆节点的空间需要。

    零部件组装时，为便于施工，采取将吊装单元翻转180°的方法进行组装及焊接（图10），即：吊装单元上部结构平面搁置在水平的拼装胎架上，而下部支撑杆件朝上。拼装完成后由龙门行车吊至待运输区进行涂装作业，经检验合格后由平板汽车运输至指定区域进行吊装作业。
    相比较而言，吊装单元正做的方法要搭设的胎架高度较高，则所需的胎架材料增加，且头重脚轻不稳定，需要设置更多的支撑保证其拼装过程中的整体稳定。经实践检验，倒做的拼装方法节省胎架材料、拼装周期短、拼装难度低、质量可以保证，不失为经济实用的做法。
    3）.吊装施工
    吊装施工作业主要由吊装单元高空安装法及整体提升法组成。
    吊装单元高空安装法主要需注意安装顺序的选择，如何合理安排吊车作业，做到物尽其用，是关键所在。
    采用吊装的方法是主馆和2个副馆同时吊装，主馆采用250t履带吊机进行安装，2个副馆各采用1台150t吊机进行安装。3台吊机围绕各自场馆的圆周方向往复吊装，在构件充分满足现场安装需要的前提下，最大程度的提高了吊机的使用率，是使工程得以提前完工的保障。

    三个场馆的中心穹顶均采用了液压装置进行整体提升的安装方法。
    主馆的穹顶结构重量约292吨，2个副馆的穹顶结构重量各约91吨。根据提升重量、设备能力以及技术经济性方面考虑，并配合组装胎架的平面布置位置，主馆从竖向支撑体系中选取了9根支撑胎架作为整体提升用，2个副馆各选取了4根。


    液压提升过程中，穹顶钢结构需要与环向三角桁架进行多点对接作业，对安装精度要求很高。同时，为防止提升过程中穹顶结构变形过大，对构件造成永久破坏，液压同步提升控制应满足两个要求：
    保证各个提升点均匀受载；
    保证各个提升点保持一定程度的同步（同步精度±5mm）。
    为满足以上要求，制定有如下的控制策略：
    (1) 将9个提升点沿圆周方向均匀分为三组，每组3个液压提升器并联；
    (2) 将其中一组设定为主令吊点A，其余两组分别设定为从令吊点B、C；
    (3) 在计算机同步控制系统的控制下从令吊点B、C以高差来跟踪主令吊点A，保证每个提升点在提升过程中始终保持同步。通过三点确定一个平面的原理，保证穹顶结构在整个提升过程中的整体稳定和平衡。

    4）. 临时支撑的拆除
    临时支撑的拆除则根据变形协调、卸载均衡的原则，通过其上可调节点支承装置的多次循环微量下降实现。拆除工作按照从由中间向四周、中心对称的顺序进行。由于在支撑拆除过程中无法做到绝对同步，各支撑点卸载先后次序不同，必然造成其反力增减不均。本工程施工过程中，根据设计要求及施工模拟计算的结果，严格控制循环卸载时的每一级高程控制精度，在关键支撑点部位放置检测装置，全程检测支撑的轴力变化，确保支撑的拆除安全。
    四.结 语
    佛山“岭南明珠”体育馆屋盖钢结构工程结构形式新颖，构件种类、数量繁多，节点构造复杂，制作与施工难度都很大。本文较全面地叙述了该钢结构工程的深化设计、节点与构件加工制作的难点与采取的相应工艺措施，结构现场拼装与吊装施工过程的特点与对应的技术解决方案等内容。希望通过对此类大跨度钢结构工程的成功建设实践，为类似异形空间结构的设计、制作与施工积累宝贵的工程经验。
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