大跨度网架施工工艺设计探讨

-大跨度球节点双曲面网架施工工艺探讨中铁十三局集团钢构造工程* 任政飞 王立春 1前言在大跨度球面网架构造施工中，充分利用球面穹顶的几何特性，较低的外沿局部采用小单元地面预制空中组拼；距地面较高的中心圈局部，采用整体吊装方法，最后在空中把外沿和中心圈组焊成整体，最大限度地减少了脚手架用量并确保了工程质量和平安生产。这种安装方法，既表达了整体吊装的优点，又克制了散装法的缺乏。大跨度球面网架构造的施工方法，突破了常规施工模式，具有一定独创性和先进性。在市体育中心游泳馆工程中得以应用，该馆屋面为72m跨度的球面网架，覆盖面积17917，中心圈顶点高30m，四周外沿局部最低处12.5m，通过实践，总结编写本工艺。2工艺特点2.1根据网架构造特点和其下部构造情况，将网架划分成假设干个环带，采用了中心圈地面预制整体吊装和外几圈小单元地面预制逐圈由向外高空组拼相结合的施工工艺。2.2地面小单元预制采取坐标系旋转的方法，把原设计球节点坐标转换成新坐标系，这样降低了预制胎具的高度。节约钢材，减少高空作业。2.3利用看台和穹顶外圈标上下的特点，减少了脚手架用量。2.4中心圈高，中间无看台，采用整体吊装法。地面组焊成形一次起吊到位，利用16根抱杆，起吊时揽风绳系在外圈上，减少了揽风绳长度。2.5可以与土建同时进展平行施工作业，大大缩短了工期。2.6通过试验测出焊缝收缩量，编制合理的焊接程序，有效地控制焊接变形和消除焊接应力。2.7采用远红外测距仪、水平仪、经纬仪，利用地面永久标记的圆点控制球节点三维空间坐标。3适用围3.1适合大跨度双曲面网架构造。3.2适合大跨度中间高外沿低的曲面网架构造。3.3适合大跨度平面网架构造。4工艺原理及施工工艺4.1任何一个球冠如果把它水平投影，沿半径方向划分为几个球带，沿球冠圆周等分后每环带所得的单元体是相等的。这样球面网架小单元地面预制胎具的种类就相应减少了，等于划分的环带数节约了材料。4.2无论是外圈的高空组焊，还是中心圈的地面组焊，都以小单元为单元体。因此只要提高小单元预制精度，确保其几何尺寸，就能保证组焊后的网架整体各球节点坐标，小单元的球节点坐标靠胎具保证。4.3小单元地面预制，操作方便，减少高空作业，减少误差积累。由于采取坐标平衡、旋转降低了预制胎具的高度。通过数字计算，把原设计的坐标换算新坐标，有效地控制了小单元制作每个球节点的三维空间位置，保证了小单元精度，也为高空组拼和中心圈地面组拼提供了数据的保证。如果以Y轴旋转又将小单元网架放倒，使1球和2球连线与*轴重合，此时新坐标系的值发生变化，*YZ为新坐标，则它们与原坐标的关系是： *=*cos+zsin Y=y Z=zcos=*sin图1 小单元坐标旋转示意图4.4安装区段的划分4.4.1中心圈直径确实定原则首先要计算准备用来吊装中心圈网架的单根格构式抱杆起吊能力和稳定性，根据已有抱杆起吊能力选定中心网架的直径吊装重量。然后再计算所选定直径的中心圈网架因自重引起的变形，并通过现场试吊校核变形值。通过测试，一般43kgm2 的网架中心圈直径选在3050m为宜。4.4.2外沿逐环带的划分原则整体吊装的中心圈网架的直径确定后，把剩余外圈分为假设干环带。根据吊装高度和吊车的吊装能力，适当的选择小单元的体积和重量。小单元的长度恰好等于所划分环带的宽度。小单元的宽度应当大于经向两个球节点为宜。在吊装能力允许的条件下尽量扩大小单元的体积。小单元以球节点开场到球节点完毕。在同一环带小单元尺寸应相等采取同一尺寸。由外向里圈逐渐增高，吊装能力下降，应适当减小小单元的尺寸和重量，网架单重在43kgm2时小单元可选择1220m长为宜。4.5小单元的预制4.5.1专用胎具网架小单元应在专用的胎具上制作，以保证杆件和节点的精度和互换性。首先在夯实的地基上铺设道木，在道木上铺设1620mm钢板组成钢平台钢平台大小根据小单元尺寸而定，钢板平整度要求在11000以。然后在钢平台上用换算后的*、Y、Z坐标确定每个球节点的空间位置，用钢管作为球节点的定位支座，该定位支座高度可进展微量调整。支座钢管的直径根据球的大小而定，一般在l08159围，在选定的坐标系中用仪器准确校核各球节点的空间位置，校核杆件长度。4.5.2钢管杆件长度的计算根据设计图纸两球中心距，并考虑组对间隙和焊缝收缩量，计算钢管杆件加工长度见图2钢管杆件长度计算公式如下：L-为两球设计中心距L1-件加工长度R1、R2-空心球外圈半径a-钢管杆件半径b-每道焊口组对间隙c-每道焊口焊缝收缩量其值通过试验确定图2管杆件长度计算及焊接顺序示意图4.5.3钢管杆件的下料加工焊接球节点的钢管杆件宜采用车床下料并车制坡口，杆件长度允许偏差为1mm。4.5.4小单元的焊接顺序小单元拼装应选择合理的焊接工艺顺序，以减少焊接变形和焊接应力。焊接顺序应从小单元中间向两端开展，以确保每道焊口都能自由收缩。无论在任何情况下都不得同时施焊同一杆件上的两端焊口。小单元组焊程序、焊接顺序见图2。4.6小单元吊运当小单元在专用胎具上完成第一遍焊接后，可从专用胎具上吊下平稳的放在钢平台上，进展第二遍焊接直至全部焊完。这样可以充分利用胎具，进展流水作业，提高工效，然后用履带吊车吊运到高空组拼的预备场地，进展下道工序。4.7三维空间坐标的控制大跨度球面网架构造，球节点空间定位必须使用精细仪器，因此需要把原坐标转换成极坐标，以圆点转角测距、高程定位的方法来确定球节点的空间位置。使用经纬仪、远红外线测距仪、水准仪才能到达设计精度。我们根据吊装能力由外想中心分为四环带，采取流水作业。小单元地面预制后，逐环带空间组拼。每个环带上的小单元球节点都在脚手架上设球底座。这个底座经测量后三维空间坐标完全和小单元各球节点相对应。4.8 高空组拼小单元预制在场馆外，因为场馆为吊车吊装运输场地。采用8Ot履带吊车可以解决水平运输和吊装，它比塔吊更有优越性。组对顺序应选任一适宜直径为基准对称进展。在两对称的半圆，从中间向两侧进展。整个环带留两个自由伸缩缝，使组焊时产生的焊接应力得以消除。保证连接杆件焊口的收缩得以实现。各小单元构件在连接时可使用简单工具进展位置的调整。当l、2两圈逐个小单元组焊起来后，再用杆件将l、2两圈连接组焊起来，当第3圈逐个小单元组焊起来后，再用杆件将其和第2圈连接组焊起来，直至完成。小单元高空组拼用80t履带吊吊装。图3 高空组拼示意图4.9中心圈吊装中心圈即为第三圈以的中心局部第四圈为悬挑局部。该部直径大小取决吊装能力。我们取中心圈直径为35m，重32t。中心圈的网架在地面组装。小单元预制完成在中心抱杆立起后从外向里组焊。中心抱杆预留局部待吊装就位撤除抱杆后再进展组焊。中心圈网架组焊完了后，将中心预留局部的连接杆件、球等都放在网架的脚手架上一起起吊。起吊时先试吊测变形，如果无变形经几次试吊后可起吊。抱杆的揽风绳系在已组焊完的第三圈网架上。用12001200格构式钢抱杆。抱杆总长40m长度可接长和缩短，最大吊重45t，采用两侧对称吊装。吊装到位后，将中心圈网架用导链固定在设计标高位置。并和三圈相应球找正。然后连接中心局部和第三圈脚手架进展平安防护后组焊连接杆件。特别注意将卷扬的牵引绳锁住，进展双保险。因为网架的几何尺寸和空间坐标在地面上已进展找正和校核，因此吊装就位后只找相对位置即可。全部组焊完成了撤除抱杆。图4 中心圈吊装示意图4.10中心圈抱杆的撤除中心圈网架和外圈合拢后，整个球面网架已经完成，中心抱杆超出穹顶，撤除方法，用80t履带吊车，将抱秆吊起，从下部逐节卸掉螺栓。用20t吊车将底节吊除，以此类推。当抱杆撤除后再将穹顶最高点抱杆超出局部留的孔空缺局部用球和杆件连接起来。5质量标准5.1技术条件5.1.1材料及焊条应按GB70088、GB5ll7GB5ll8规定要求，严格进展物理、化学、力学性能复验。5.1.2钢球应符合钢网架焊接球节点JGJ75292要求，球几何尺寸偏差见表1表1球几何尺寸偏差表工程直径极限偏差优质品合格品球直径D3001.52.5球圆度D3001.52.5壁减薄量10%且1.21.3%且1.5两个半球对口错边0.51.0焊缝高度-1.5-1.5球应进展力学试验，其极限承载力应按JGJ752-91表1、2规定。加肋球、肋板应位于上下弦自身平面。5.1.3支座平整度，要求板两端偏差应3mm，相邻支座高差小于L1800，且300mmL1-为两支座距离。5.1.4无缝钢管件允许长度偏差为1mm，单件高允许偏差2mm，上弦对角线允许偏差3mm，上下弦节点中心偏差2mm，分条或分块网架单元长度不大于20m时，拼接边长度允许偏差10mm，当条或块的长度大于20m时，拼接边长度允许偏差为20mm，在总拼装前应准确放线，放线的允许偏差分别为边长及对角线长的110000。5.1.5焊接按GBJ205钢构造工程施工及验收规要求进展。受拉焊口20超声波探伤但施工中实际扩大到50超探，要求二级焊缝。5.2引用标准：JGJ791网架构造设计与施工规； GBJ205 钢构造工程施工及验收规； GB699 优质碳素构造钢号及一般技术条件； CB3087 低中压锅炉用无缝钢管 GB222 钢的化学分析试样取样法及成品化学分析允许偏差； GB228 金属拉伸试验法； GB223 铁及合金化学分析法； GB2975 钢材力学及工艺性能试验的取样规定。 JGJ752-91钢网架焊接球节点6劳动力组织具体见表2：表2体育中心游泳馆网架施工劳动力每班作业人数表工种人数工作地点责任围总指挥l整个施工现场负责各方面协调工作，对工程进度，质量平安负责。是工程总负责人。副指挥2整个施工现场一位负责生产调度，一位负责技术管理。焊接工程师2铆焊现场跟班、进展焊接程序把关，技术交底，焊接记录，资料的整理,进展跟班质量把关，处理技术问题，施工记录检查，整理资料，计算机处理。工艺程序把关，解决技术问题。平安员1施工现场及生活区进展平安交底、检查、催促、平安教育，对平安生产负责。检查平安措施落实，提出隐患。质量检查员1施工现场及生活区负责质量标准和质保体系运转的检查。对产品检查签署意见。材料员2仓库、现场负责采购、保管及发放手续、对材料检验、计量。现场回收测量员3现场负责测量、数据积累、复查测量数据，绘制测量图铆工24其中8人预制16人高空组拼负责小单元预制组对及高空组拼及中心圈组拼电焊工30其中10人预制焊接，20人高空组焊负责焊接作业，质量责任落实到人头，每道焊口打钢号汽焊工6现场预制，现场组焊负责汽焊、汽割作业车工2预制场钢管杆件下料及坡口加工油工10预制场除锈刷油起重工6现场小单元体的运输、高空吊装及中心圈吊装架子工20现场脚手架搭设及撤除，按方案和图纸要求进展。包括脚手管扣的修理及现场力工活。总计1107平安措施本工程高空作业多，施工难度大。对于高空作业的平安措施尤为重要。7.1脚手架的搭设一定要按规程进展，在稳定的问题上要有17倍的平安系数。7.2脚手板要两端绑在脚手架上，周围必须要有扶手、护栏、平安网。7.3高空作业必须带平安帽、平安带，否则不准进展施工。7.4场地脚手架下不得通行，不得站人，不得操作。7.5进展班前平安交底，详细填写平安记录。7.6用电设备要有合格地接地。要有漏电保护器。专用设备专人操作。7.7非维修电工不得任意接线。临时用电按正式架设。7.8建立平安值班制。工程班子每班有一位领导负责平安值班。7.9建立平安责任制，每班除一位领导负责现场平安外，还设一名专职平安员，分区分块把关。7.10严防高空坠物作为施工的平安重点加强交底监护。7.11对每个职工必须经过三级平安技术教育，对特殊工种如电工、电气焊、吊车司机、大型动力设备的操作工等都必须有平安操作合格证。8主要施工机具表3 主要投入施工机具 设备名称规格型号单位数量备注超声波探伤仪台3电动坡口机台2吊装现场用自动切割机台l交流焊机台30车床台l预制场管材下料及坡口加工锯床G72台1手提砂轮机台25汽车吊20t台l履带吊车80t台1汽车吊50t台l抱杆30m*720*12根20倒链3t个20倒链5t个20焊条烤箱台2卷扬机5t台50道木块509效益分析该工程获得较大的社会效益和经济效益，为市增加了一个大跨度的体育场馆。工程从开工到竣工有效工期90天，从方案上节约68.4万元仅脚手架一项就节约20万余元，缩短工期45天。. z.