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“嶺南明珠”體育館屋蓋鋼結構制作與施工技術(shù)

作者：志明等    
時(shí)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點(diǎn)深化設計、構件制作、整體拼裝與施工安裝全過(guò)程，重點(diǎn)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(shù)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點(diǎn)深化設計、構件制作、整體拼裝與施工安裝全過(guò)程，重點(diǎn)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(shù)方案。工程實(shí)踐表明，通過(guò)對鋼結構制作施工方案的合理制定與正確實(shí)施，能夠較好地實(shí)現此類(lèi)異形空間結構的設計與施工目標。
    關(guān)鍵詞：深化設計 節點(diǎn)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季華五路（電視塔北側），毗鄰規劃中的城市景觀(guān)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(gè)座位的綜合體育館以及附屬體育館、全民健身廣場(chǎng)、地下停車(chē)場(chǎng)等。主體建筑結構體系由一個(gè)主館和兩個(gè)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(guò)3個(gè)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(lái)，承擔了廣東省第12屆運動(dòng)會(huì )的閉幕式及籃球、體操比賽等重大文體活動(dòng)。
    本工程構造獨特，結構設計靈感來(lái)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(gè)復雜節點(diǎn)，20600多根桿件。

    二.鋼結構深化設計與節點(diǎn)、構件加工制作
    本工程主體鋼結構的桿件數量達22000多根，節點(diǎn)數量5000多個(gè)?？紤]工程獨特的結構形式，大部分節點(diǎn)采用H型鋼直接交匯節點(diǎn)或板節點(diǎn)，部分采用了鑄鋼節點(diǎn)，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型鋼直接交匯節點(diǎn)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點(diǎn)做法等，在國內外同類(lèi)工程中尚屬罕見(jiàn)；部分典型節點(diǎn)形式如圖2所示。結構構件、節點(diǎn)數量繁多，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(diǎn)。

    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(guò)不同工作面對空間模型進(jìn)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(jīng)過(guò)多次校核以確保構件截面尺寸及軸線(xiàn)的正確性。由于本工程構件種類(lèi)、數量多，此項工作顯得尤為重要和繁雜。針對本工程的結構特點(diǎn)，在中央穹頂大球和小球的過(guò)渡位置，部分工作點(diǎn)不能通過(guò)圖紙來(lái)確定。因此，在建立模型之前，通過(guò)對照MIDAS計算模型進(jìn)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(diǎn)的位置精準。
    由于本工程節點(diǎn)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，容易出現間隙導致裝配不能緊貼，達不到理想的焊接質(zhì)量；需要進(jìn)行多次放樣，以求達到較好的效果。如某些節點(diǎn)匯交了12根桿件，桿件數目較多，節點(diǎn)受力復雜，節點(diǎn)設計難度較大。為此，在空間模型建立后，需對各種類(lèi)型的節點(diǎn)進(jìn)行匯總，與設計方協(xié)商確定做進(jìn)一步分析驗算的節點(diǎn)及受力工況；經(jīng)ANSYS驗算后，對不滿(mǎn)足規范要求的節點(diǎn)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(shí)外形尺寸，就必須通過(guò)計算機放樣，各個(gè)構件節點(diǎn)都必須通過(guò)CAD實(shí)體建模，然后根據實(shí)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(huì )出現間隙，裝配不能緊帖，達不到理想的焊接質(zhì)量。
    3）.胎架制作
    所有構件節點(diǎn)均為空間不規則布置，每個(gè)節點(diǎn)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。在地面上彈出該節點(diǎn)的相關(guān)底線(xiàn)，然后搭設臨時(shí)組裝胎架上，以便于裝配定位。
    2.節點(diǎn)與構件制作
    所有零件均通過(guò)計算機精確放樣，下料采取數控精密切割。腹板及其連接板孔群加工采用數控鉆孔鉆制。節點(diǎn)采用空間定位，每個(gè)零件組裝時(shí)，須根據圖紙上所反映的長(cháng)度和角度進(jìn)行吊線(xiàn)定位。為精確定位，定位點(diǎn)選2個(gè)以上；每個(gè)零件定位，須測量8個(gè)甚至更多數據。零件定位時(shí)，還應根據構件的特點(diǎn)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(jìn)行整體測量，對不符合要求的零件采用火焰矯正方法進(jìn)行矯正。典型構件節點(diǎn)的制作流程如下。
    1）.環(huán)向桁架上弦節點(diǎn)A制作工藝流程
    為便于控制節點(diǎn)連接的斷面尺寸，該節點(diǎn)上、下環(huán)板制作時(shí)分為3段進(jìn)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(xiàn)，并將鋼管置于可旋轉滾輪胎架上進(jìn)行定位。鋼管定位后按裝配線(xiàn)進(jìn)行部件Ⅰ的裝配，裝配時(shí)嚴格控制其空間角度與位置關(guān)系。接著(zhù)依次進(jìn)行部件Ⅱ和部件Ⅲ的裝配，同時(shí)嚴格控制環(huán)板對接錯邊量。組裝完成后進(jìn)行焊接時(shí)，先焊環(huán)板對接焊縫，再焊接腹板角焊縫。焊后經(jīng)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(guān)系并矯正，裝配下側撐桿并焊接；對于結構重點(diǎn)焊縫要求進(jìn)行超聲波檢測。主要制作流程如圖3所示。

    2）.環(huán)向桁架下弦節點(diǎn)制作工藝流程
    結構裝配前先在劃線(xiàn)平臺上標記連接腹板定位線(xiàn)。在H型鋼自動(dòng)組立機上進(jìn)行H型鋼組裝，采用埋弧自動(dòng)焊在H型自動(dòng)埋弧焊機上進(jìn)行焊接。焊后進(jìn)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點(diǎn)、部件，裝配時(shí)要嚴格控制組裝間隙。焊接時(shí)從中間向外側退焊施工，并要求上、下對稱(chēng)施焊。組裝、焊接中間連接節點(diǎn)時(shí)重點(diǎn)控制節點(diǎn)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(jìn)行焊接。為控制連接節點(diǎn)端口斷面尺寸精度，將外端連接節點(diǎn)組裝成部件后再整體與節點(diǎn)主體進(jìn)行裝焊，組裝中嚴格控制其空間夾角。連接節點(diǎn)焊接時(shí)要求雙數焊工對稱(chēng)施焊，以防止產(chǎn)生過(guò)大的焊接變形。主要制作流程如圖4所示。

    圖3 環(huán)向桁架上弦節點(diǎn)A制作工藝流程圖
    3）.環(huán)向桁架上弦節點(diǎn)B制作工藝流程
    結構裝配前，先在劃線(xiàn)平臺上劃出連接腹板及加強結構裝配定位線(xiàn)。在工裝平臺上進(jìn)行組裝，該平臺需滿(mǎn)足組裝平面度要求。按定位線(xiàn)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(chēng)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(jìn)行連接節點(diǎn)的焊接時(shí)，要求雙數焊工對稱(chēng)施焊以防止產(chǎn)生過(guò)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
    本工程的構件與節點(diǎn)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(gè)工程的施工質(zhì)量。在構件制作及現場(chǎng)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(shí)一次焊接連續作業(yè)完成；當構件較長(cháng)時(shí)，焊后應立即蓋上保溫板，防止焊接區域溫度過(guò)快冷卻。
    在厚板進(jìn)行定位焊時(shí)，為防止定位焊處的溫度被周?chē)?ldquo;冷卻介質(zhì)”很快冷卻，造成局部應力集中而引發(fā)裂紋產(chǎn)生，須提高預加熱溫度、加大定位焊縫長(cháng)度和焊腳尺寸。
    實(shí)踐表明，在焊縫周?chē)匿摪灞砻嫠奶幥脫舻囊》椒▽癜宓奈：艽?。在厚板焊接過(guò)程中，嚴格禁止此種不規范行為的發(fā)生，不允許在焊區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(guò)大、焊縫強度相對較弱所帶來(lái)的焊縫開(kāi)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(guò)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(shí)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(guò)程時(shí)間較長(cháng)，需要加強焊接過(guò)程中的檢查，以便及時(shí)發(fā)現問(wèn)題、及時(shí)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(diǎn)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(huì )十分懸殊,所以在安裝過(guò)程中構件內力的變化、結構安裝的穩定性、結構的變形等都難以控制，如果這樣，對于安裝時(shí)空間座標的測控、安裝精度控制、安裝誤差的消除等將會(huì )產(chǎn)生非常大的影響；另外，本工程安裝受現場(chǎng)條件的限制，吊裝區域面積大，吊裝半徑最大達65米，吊裝難度較大。
    針對上述難點(diǎn)，采用以下安裝方案來(lái)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(jìn)行合理分段后采用大型履帶吊車(chē)(1臺250噸，2臺150噸)進(jìn)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(jìn)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(chē)吊進(jìn)行散件安裝。
    2、施工要點(diǎn)及主要施工技術(shù)
    1）.安裝用支撐胎架的設置
    根據本工程的安裝方案，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(shí)支撐的設置是保證整個(gè)結構安裝質(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(jìn)度。根據本工程吊裝要求，環(huán)形桁架吊裝需設置臨時(shí)支撐以便構件就位。通過(guò)結構施工過(guò)程計算，確定臨時(shí)支架采用框架體系，經(jīng)過(guò)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(gè)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）.鋼構件的現場(chǎng)拼裝
    構件地面拼裝過(guò)程質(zhì)量的好壞將直接影響結構高空分段吊裝施工的質(zhì)量與效率。根據擬定的吊裝方案，先按環(huán)向桁架的吊裝要求進(jìn)行合理分段，在現場(chǎng)進(jìn)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”連續拼裝的方法進(jìn)行，即主桁架第一次多段（分6段）拼裝后，留下最后一個(gè)分段，并以其為基準再進(jìn)行第二次主桁架的分段拼裝，以此保證施工安裝時(shí)分段間的連接節點(diǎn)準確。另一方面，針對現場(chǎng)地基較軟，結構易產(chǎn)生變形的特點(diǎn)，拼裝胎架采用重型路基箱制作。由于現場(chǎng)拼裝焊縫比較集中，易造成焊接收縮變形，在施工過(guò)程中采取了預放焊接收縮余量和保證胎架剛度的方法進(jìn)行控制。
    拼裝施工的技術(shù)難點(diǎn)之一是構件空間定位問(wèn)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(jìn)行精確放樣，以確保節點(diǎn)空間位置正確。組裝胎架時(shí)，以控制節點(diǎn)作為胎架基準面并輔以弦桿空間線(xiàn)型進(jìn)行制作。根據計算機放樣坐標點(diǎn)，采用激光經(jīng)緯儀測量進(jìn)行節點(diǎn)定位，定位完成后用臨時(shí)工裝加固。桁架下側撐桿組裝時(shí)，先與上節點(diǎn)連接定位，再與節點(diǎn)下側加勁板裝配。上、下弦桿按從中間向兩邊順序進(jìn)行組裝，以控制分段整體尺寸精度。桿件對接時(shí)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段重心位置，以防止空中吊裝時(shí)失穩。
    結構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。
    構件拼裝是將工廠(chǎng)制作完成的節點(diǎn)和零部件組裝成吊裝單元。我們在現場(chǎng)配置了4臺龍門(mén)行車(chē)，并在龍門(mén)行車(chē)下設置了滿(mǎn)鋪的水平胎架（圖9），以滿(mǎn)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(mǎn)足拼裝拉桿節點(diǎn)的空間需要。

    零部件組裝時(shí)，為便于施工，采取將吊裝單元翻轉180°的方法進(jìn)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(mén)行車(chē)吊至待運輸區進(jìn)行涂裝作業(yè)，經(jīng)檢驗合格后由平板汽車(chē)運輸至指定區域進(jìn)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，且頭重腳輕不穩定，需要設置更多的支撐保證其拼裝過(guò)程中的整體穩定。經(jīng)實(shí)踐檢驗，倒做的拼裝方法節省胎架材料、拼裝周期短、拼裝難度低、質(zhì)量可以保證，不失為經(jīng)濟實(shí)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(chē)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(gè)副館同時(shí)吊裝，主館采用250t履帶吊機進(jìn)行安裝，2個(gè)副館各采用1臺150t吊機進(jìn)行安裝。3臺吊機圍繞各自場(chǎng)館的圓周方向往復吊裝，在構件充分滿(mǎn)足現場(chǎng)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(gè)場(chǎng)館的中心穹頂均采用了液壓裝置進(jìn)行整體提升的安裝方法。
    主館的穹頂結構重量約292噸，2個(gè)副館的穹頂結構重量各約91噸。根據提升重量、設備能力以及技術(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(gè)副館各選取了4根。


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

    4）. 臨時(shí)支撐的拆除
    臨時(shí)支撐的拆除則根據變形協(xié)調、卸載均衡的原則，通過(guò)其上可調節點(diǎn)支承裝置的多次循環(huán)微量下降實(shí)現。拆除工作按照從由中間向四周、中心對稱(chēng)的順序進(jìn)行。由于在支撐拆除過(guò)程中無(wú)法做到絕對同步，各支撐點(diǎn)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(guò)程中，根據設計要求及施工模擬計算的結果，嚴格控制循環(huán)卸載時(shí)的每一級高程控制精度，在關(guān)鍵支撐點(diǎn)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(yǔ)
    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(lèi)、數量繁多，節點(diǎn)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、節點(diǎn)與構件加工制作的難點(diǎn)與采取的相應工藝措施，結構現場(chǎng)拼裝與吊裝施工過(guò)程的特點(diǎn)與對應的技術(shù)解決方案等內容。希望通過(guò)對此類(lèi)大跨度鋼結構工程的成功建設實(shí)踐，為類(lèi)似異形空間結構的設計、制作與施工積累寶貴的工程經(jīng)驗。
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