巨型钢管拱施工技术
作者：明希峰 邢长利 刘广厚
时间：2013-10-18 17:16:33 [收藏]
摘要：根据工程具体情况，结合工程特点分析、确定了大拱制作及安装方案，并详细阐述了大拱加工、制作、安装施工工艺及方法，并对吊装单元及支撑体系进行了有限元分析。为今后类似工程的施工提供了一些参考。
关键词：巨型钢管拱施工技术
摘 要：根据工程具体情况，结合工程特点分析、确定了大拱制作及安装方案，并详细阐述了大拱加工、制作、安装施工工艺及方法，并对吊装单元及支撑体系进行了有限元分析。为今后类似工程的施工提供了一些参考。
关键词：大拱 制作及安装方案 吊装单元 有限元分析 屈曲
1 大拱结构简介
如图1所示，茌平县文体中心体育馆钢结构大拱由两条空间曲线主拱通过水平连接杆件连接组成。大拱顶面轴线标高为+45.500m，跨度为204m，现工作与山东聊建现代建设有限公司任总工程师。
两条空间曲线主拱最大间距在底部为52m，最小间距在顶部为13m。每条空间曲线主拱分别由ø1500×24和ø1000×16两种主要钢管组成，两种钢管通过变截面的锥形钢管过渡。两条空间曲线主拱的水平连接杆件为ø325×8、ø377×10、ø450×10三种。大拱结构所用材料材质均为Q345B。该巨型钢管拱与下面的弦支穹顶通过钢管连接成整体。
本文主要介绍巨型钢管拱的制作安装施工技术。
2 大拱施工方案的确定
2.1 施工作业条件分析
大拱顶面轴线标高为+45.500m，跨度204m，结构自重较大。两条主拱的轴线为空间曲线，必须由钢板卷成许多小段钢管拼接形成。若采用常规的分件高空散装方案，需要搭设大量的高空脚手架，不但高空组装、焊接工作量巨大，而且空间曲线的钢管拼接定位十分困难，存在较大的质量、安全风险。施工的难度也可想而知，并且对整个工程的施工工期会有很大的影响。方案的技术经济性指标较差。
2.2 大拱加工制作方案的选择
大拱加工制作的重点和难点是两条空间曲线主拱，主拱由ø1500×24和ø1000×16两种主要钢管组成，两种钢管通过变截面的锥形钢管过渡。主拱构件截面大，其轴线为三维空间曲线，定位困难。由于大拱与下面弦支穹顶的网壳通过钢管连接，因此，对大拱的加工制作精度要求高。
根据以上情况，经综合考虑，我们选择在地面制作主拱拼装胎架，在地面进行分段主拱的拼装、焊接的加工制作方案。该方案的优点有以下几个方面：
1）大口径钢管采用钢板卷成2.4m、2.1m、2.5m等不同长度的小段，便于钢管的加工。
2）小段钢管在拼装胎架上拼接可以很好地保证空间曲线的顺滑和设计精度。
3）在地面进行焊缝的焊接可以有效保证钢管焊缝的焊接质量。
4）在地面胎架上拼接、焊接施工大大减少高空作业量，有利于保证施工安全。
5）在地面胎架上拼接、焊接施工减少高空作业量，可以合理地减少施工措施费。
由于主拱的跨度为204m，拱高45.5m，因此必须分段制作，具体分段节点结合现场及吊装方案确定。
2.3 大拱吊装方案的分析确定
大拱吊装方案的选择应对施工现场的具体条件、起重设备的进出条件及作业能力、吊装后支撑点的设置、构件吊装过程中的稳定性和吊装方案的经济性等五方面因素进行综合考虑。
由于主拱的四个角均有一段长度约11m的钢管需埋入混凝土基础内，我们称该段为大拱基础段，如图2所示，这四段长度为13.153m的钢管单独加工和吊装。
根据施工现场的具体条件，结合以往类似工程的成功经验，综合考虑上述五方面因素，将大拱其余钢结构分为九部分，其中两条主拱中间跨度约48m连接在一起作为一部分即拱顶段进行整体吊装。在主拱的正下方，在体育馆土建外围最靠近二层平台的位置各设置一支撑架，在体育馆场区内的最外侧各设置一支撑架，这样就将两条主拱再各分为四部分单独进行加工和吊装。大拱每部分均采用吊车吊装至预先搭设的支撑架上，然后进行高空组对、焊接。此种方法将大大降低安装施工难度，并可以有效保证施工质量、安全和工期。
3 大拱的加工制作
3.1 主拱的分段加工
根据主拱吊装方案的分析确定和小段钢管的加工分节情况，按照设计要求，我们设计了主拱的分段拼装专用胎架。根据大拱不同位置的形状有所不同，我们共设计了6个拼装胎架，所有胎架的设计均按曲线拱的轴线进行定位反算得到，使得制作完成的每段大拱均能完全符合原设计要求。大拱拼装胎架分段见图3所示。图4为1号拱拼装胎架示意。
根据分段、加工区和施工现场的具体情况，对能够运输的拱底段，其1、4号胎架及相应的拱底段在加工区制作，拱中段和拱顶段构件长度太大，因此2、3、5、6号胎架及相应的拱中段和拱顶段在施工现场制作。
图3大拱制作拼装胎架分段示意
图4拱拼装胎架示意（1号）(巨型钢管拱施工技术)
每段主拱拼接、焊接完成后，在其两端的接头位置焊接连接耳板，以确保每段与下一段在高空的准确对接。主拱钢管的拼接在上述专用胎架上进行，该方案既能设计要求，因在地面进行施工，大大提高了施工效率，又能很好地保证钢管拼接焊缝的焊接质量，同时保证了操作人员的施工安全，也节约了施工措施费用。
4 大拱的安装
4.1 大拱总体安装过程
空间曲线拱结构最高点轴线标高+45.500m，最低点标高+3.750m。
空间曲线拱结构的安装，采用格构支撑胎架，分段吊装高空拼接的安装方案，空间曲线拱分步安装构件分部示意图如图5所示。
空间曲线拱结构的安装过程主要分四步，第一步安装拱基础段的四节；第二步安装拱底部的四节，吊装就位后与各基础段对接、焊接；第三步安装拱中部的四节，吊装就位后与各拱底段对接、焊接；第四步整体吊装拱顶部，吊装就位后与各拱中段对接、焊接。
图 5空间曲线拱分步安装构件分部示意
4.2 主拱分段吊装支撑架的设计
根据主拱吊装方案支撑架位置的确定和制作拼接的具体分段情况，计算每段主拱在整个吊装过程中各种工况下的支承反力，我们采用3D3S10.0计算分析软件对支撑架及其基础进行了周密的设计，所设计的支撑架及其基础能够满足施工过程中每个工况的受力及变形要求。图6为拱安装支撑架的轴测图。
图6拱安装支撑架轴侧效果图
1)支架2的屈曲模态如图7、图8所示。
图 7支架2的一阶屈曲模态(巨型钢管拱施工技术)
图 8支架2的六阶屈曲模态
2）经计算分析，在拱施工过程中支架的稳定性能够满足要求。考虑到大拱安装过程中工况复杂，在计算的基础上，我们对格构柱在第二道连梁下加大了截面，作为施工过程中的二次安全储备。
4.3 主拱分段吊装杆件变形及受力分析
我们根据分段情况，分别建立大拱的计算模型，利用有限元分析软件对每段大拱在吊装过程中的受力和构件变形进行了计算分析。图9所示为曲线拱典型节段分段吊装过程中杆件变形及受力图。
(a) 吊装模型
( b ) x向变形
（c）y向变形
(d ) z向变形
（e）应力
图9典型阶段分段吊装过程中杆件变形及受力
经计算分析，在拱分段吊装过程中构件的变形及应力数值均很小，能够满足施工要求。
4.4 安装工艺
1）大拱基础段长度为13.153m的四段，每段总重量为15.1吨，考虑到每段长度较小，便于运输，我们在构件加工区加工完成后运至安装现场，再进行吊装。吊装轴线最高点为3.75m，分别采用2台25t的汽车起重机抬吊至预定支架位置。
2）大拱底段，每段长30.3米，每段总重量为29.3吨，该步安装如图10所示。
图 10空间曲线拱底段安装示意(巨型钢管拱施工技术)
3）大拱中段，每段长49.3m，每段总重量为28.9t，吊装轴线最高点为41.2m，该步安装如图11所示。
图 11空间曲线拱中段安装示意
4）对于拱顶段，在场区内的拼装胎架3和拼装胎架6制作完成后，安装、焊接两条大拱的水平连接构件，将两条大拱连接成一个整体，长度约为48.12m，总重量为40.9+10.8=51.7t，最大起吊高度为47m，采用2台200t和汽车起重机抬吊至预定支架位置，然后其两端分别与前一段构件连接、焊接。该步安装如图12所示。
图 12空间曲线拱顶段安装示意
参考文献
[1] Chen Lui ru,Wang Boqin,H$ Zhaoqin .Constructs the steel structure construction handbook[M] . Beijing : China Project Press,2002.
[2] Code for acceptance of construction quality of stell structures.[M] . Beijing : China Project Press First edition，2002.
[3] ] GB 50017 :2003 Code for design of steel structures[S] . Beijing : China Project Press First edition，2003.
(山东聊建现代建设有限公司，山东 聊城 252000)
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