某游泳跳水中心工程大空间异形钢结构施工

【文章编号】:1672-4011(2008)05-0143-03

某游泳跳水中心工程大空间异形钢结构施工

李慧敏,李　勤

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(1.河南理工大学,河南省焦作　454000;2.中建五局,湖南省长沙　410006)

　　【摘　要】:某游泳跳水中心工程为大空间异形钢结构,工程主体由55根钢柱及与之相贯的钢横梁组成;屋盖采用双曲抛物面网壳结构,安装坡度大,结构层次多;外墙采用点驳式全玻璃幕墙。整个工程异形钢结构的制作、安装及施工过程中定位精度、焊接变形的控制较为罕见。超厚立柱、钢梁的制作及安装,网架的安装,高空焊接工艺,焊接残余应力的处理都充分体现了施工的难度。本工程为今后大型异形钢结构的施工提供了很好的范例。　　【关键词】:异形钢结构;网架结构;施工工艺　　【中图分类号】:TU74　　　【文献标识码】:B

0　前言

钢结构在大跨度、超高层建筑领域占有绝对优势,广泛应用于体育馆、广场、飞机库等建筑中,我国钢结构发展也已进入了快速发展时期。钢结构作为装配式结构,关键的施工技术有:吊装设备的选配及吊装工艺要保证安全、可靠、高效,焊接和螺栓连接工艺要保证构件装配的连接质量,测量和校正的设备和方法要保证构件的装配精度及空间位置偏差的控制。本文介绍的游泳跳水中心工程充分体现了这些方面的优势。

1　工程概况

某游泳跳水馆,建筑面积2372418m2,该工程南北长

18611m,东西宽12313m,地上两层,局部三层,檐高55m,最低处为25m,设计新颖,远看象两只腾飞的大雁,

相伴在蓝天碧海之间。见图1。

图1　某跳水游泳中心示意图

工程主体钢结构由55根钢柱及与之相贯的钢横梁组

成,屋盖采用网架结构,整个屋盖共由55根倾斜钢管柱支承,从高空俯视,55根立柱分布在两个一大一小纵轴线重合且边线相交的近似椭圆上,网架跨距最宽处约105m。外

墙采用全玻璃幕墙形式,面积约7000m2,均采用点驳式玻璃幕墙,屋面采用钛锌板双曲屋面,面积约1万平米,安装坡度大,结构层次多。

2　工程特点

该游泳跳水中心单层面积大,作业面宽,标高多,弧线多,55根钢柱分别落在12段半径不同的圆弧,且网架支座测量要求高,柱顶标高偏差在10mm内,给测量定位、放线等施工带来了一定难度。

工程中55根钢柱与地面不垂直,大椭圆钢柱向外倾斜与地面成88°夹角,小椭圆钢柱向外倾斜与地面成89°夹角。柱高度各异,最低的为416m,最高的达4219m,其安装时稳定性差,且最高的柱位于两椭圆相交的中部,建筑障碍物多,给吊装造成较大的难度。由于钢柱的高度不一致,使得横梁与柱的联接中心线夹角不成90°,且每段倾角各不相同,要求通过计算机的数控技术进行相贯切割,确保切割精度要求控制在3mm内。部分横梁为<500×20弧形钢管,管径大且管壁厚,加工难度大,

本工程钢结构为双曲抛物面网壳结构,螺双球节点,网架共计230t,覆盖面积广,跨度长达81128m,网架构件多,螺栓球节点达17007个,杆件达6506根,配套加工,组对拼装,材料清理复杂,制作及安装工程量大。

3　施工工艺

311　钢柱制作工艺

钢柱的制作流程:下料→钢板切割→钢板拼接→压头、辊圆→焊接→找中心→涂装→检验编号标记

1)放样及下料:下料前应先确认材质和熟悉工艺要求,然后根据排版图、下料加工单、零件草图和电脑实样图进行号料。

2)下料切割:采用半自动火焰切割机进行下料切割。割前应清除母材表面的油污、铁锈和潮气,切割后切割表

面应光滑无裂纹,夹渣、分层和大于1mm的缺棱,熔渣和

飞溅物应除去。钢柱纵、环焊缝坡口用刨边机加工坡口,对不能采用刨边机加工坡口的构件,可用半自动切割机及五维数控切割机开出坡后,再以磨光机修磨,刨边必须注意坡口角度正确。

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《四川建材》2008年第5期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　施工技术●

3)钢板矫正:钢材的机械矫正,一般应在常温下用机

械设备进行,如钢板的不平度可采用七辊矫平机;但矫正后的钢材,表面上不应有凹陷、凹痕及其他损伤。

4)钢柱辊圆:Φ900×22、Φ800×20、Φ600×18钢管柱均用钢板在三辊滚板机上辊圆焊接成形。

5)钢柱节组成钢柱(段):在组装平台上设置筒体对接定位托辊,报检合格吊运相应分段钢柱的筒体至托辊上,进行预对接,测量钢柱各项几何尺寸符合要求后定位点焊,复检后施筒体外部环形对接CO2气体半自动焊,外部焊接完毕,筒体内部环形焊缝用碳弧气刨清根,打磨干净进行

CO2自动焊或手工焊焊接完毕,进行超声波探伤,合格后

打磨外部环形焊区光顺,进行钢柱段内加劲环板和两端顶紧面板及顶紧环的安装施焊完毕,焊缝区域涂装补漆编号

标记,运现场待吊装。

312　横梁制作方法

1)按图纸及精度要求,两钢柱之间的横梁分三节,对

两端头节采用五维数控切割机进行相贯线切割,中间节留

50mm对接余量,切割后进行冲砂及涂装处理,待已安装

完毕的相邻两钢柱横梁实际距离复测后,在现场安装部位进行每段横梁预拼装,校正施定位焊,放下在现场组装平台上焊环焊缝,横梁环焊缝采取带δ10mm衬垫的形式,以保证全熔透,焊后打磨光顺,进行超声波探伤,合格后补涂装编号待正式安装。

2)管壁厚钢管弯曲:本工程部分钢梁弯度大,且管壁厚达20厚,加工采用热加工成形,在加热的过程中,逐步给钢管加压力,并严格控制加热温度,其加热温度控制在

900℃～1000℃,碳素结构钢在温度下降到700℃之前,

应结束加工并缓慢冷却。

313　钢立柱安装

以各钢柱为中心,进行约3m宽、柱与柱之间相联接

的脚手架搭架,随钢柱分段吊装高度的升高而升高,钢柱分段未吊装定位前,此段高度范围内脚手架需架成凹形。留出外侧面,便于钢柱吊入就位。

图2　吊装示意图

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在起吊前需对钢柱进行复检合格,且核对编号无误后,

先在距已装钢柱上端面沿圆周方向均匀焊定位耳板三块,并在待吊装钢柱上端绑扎好揽风绳,然后用塔吊或吊车将钢柱段吊起,垂直至超过对接缝高度500mm左右,经脚手架凹形口,进入对接钢柱端面上方,使两端面中心线对准,下放落位至下端接口处,通过临时固定耳板就位后,用手拉葫芦拉设好揽风绳后松吊钩,封闭凹形口脚手架至距本钢柱段上端处112m,在钢柱下端接口处沿X、Y坐标方向设四个微调螺栓进行调整,用全站仪测量校准钢柱上端面中心点坐标,经测量钢柱段安装定位符合图纸及规范精度要求后,再检测钢柱顶紧面情况,符合规范要求后将钢柱与定位板之间施焊固定,并及时做好钢柱(段)安装定位记录,然后进行对对接环焊缝进行焊接,为控制焊接变形,需由两位焊工采取逆时针对称施焊的方式进行焊接,焊缝厚度超过钢柱壁厚的1/2后,可拆除定位耳板,焊完后进行外观自检,合格后将焊缝两边飞溅物打磨干净,由质量检查员复检,复检合格后进行超声波探伤检测,合格后,将焊缝打磨光顺,涂装,用同样的方法进行上段钢柱吊装。对于长度达15m以上的超长钢柱(段),吊装落位后应在钢柱上部与脚手架间拉设防倾保护索(或葫芦),借助保护索与下接口的四个花篮螺栓,配合全站仪校正钢柱(段)上口坐标。

314　横梁安装

把横梁及附件运至现场安装附近,首先测量钢柱与横梁连接下肘板在钢柱上对应的标高及方位坐标,报检合格后,焊相邻钢柱处下肘板,焊后检查校对,用吊车吊此段横梁至两柱肘板上方,落位、校正、点焊、报检合格后施焊,进行磁粉探伤,合格后安装上肘板及水平肘板,施焊后打磨光顺,涂装完毕。

315　网架制作及安装

网架构件加工全部采用电脑控制,且加工的顺序依据网架的安装顺序。

1)螺栓球节点加工:制作球坯→对球坯进行化学成份

分析→对球坯圆度等几何尺寸进行检验→按图纸用数控车床对钢球定位→铣面→打孔→攻丝对成品进行检验→打钢球号→按比例进行内螺纹强度试验→构件防腐→包装发运至现场。

2)杆件加工:采用专用管车床下料,在车床上安装符

合构件坡口形状的刀具,使下料与开坡口同时完成,严格控制下料尺寸,然后依照下料图,将相应规格的钢管,高强螺栓,锥头点焊装配。

316　网架的安装

1)网架的总体施工顺序:方案的确定→球节点、钢管

杆件、锥头杆件的加工→锥头杆件的焊接→成品构件的检验、运输→杆件的现场验收、分类→脚手架搭设→网架的拼装→整体工程验收。

2)网架安装的顺序:网架的安装依据建筑物的特点,

分为大馆、小馆两个部分进行安装。

3)设备选择:网架的安装采用分布在四周的三台

QTG50塔吊,安装最高处及塔吊无法覆

(下转第147页)

●施工技术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《四川建材》2008年第5期

式中:△T———内外温差

TP———混凝土浇灌温度

Tr———水泥水化热引起的温度升高Tf———混凝土表面温度

TP按照实际施工时间(承台2为97年6月2日,承台1为6月12日),以及当时气温,为25℃～30℃;

Tr经计算为60℃(参见东银广场底板施工组织设计);Tf可以实测。

要控制施工中的实际温差,则要采取措施,降低TP、Tr、

提高Tf。

降低TP、Tr,前面确定砼配合比时已讨论,这里结合养护条件,讨论提高Tf的方法。

底板由于厚度薄,水化热引起的温升小,我们采用终凝后覆盖一层麻袋,浇水养护;全部浇筑完毕后,蓄水20

cm养护。从温度跟踪测量表的记录来看,混凝土内外温度

控制在25℃以内。养护期过后检查也无大的明显的裂缝出现,仅有少量干缩裂缝。

承台由于体积大,厚度大,水化热引起的温升大,预计内部温度最高可达85℃。为此,必须采用特殊的保温措施。

承台砼初凝后在混凝土表面覆盖一层塑料薄膜,二层麻袋,其上再覆盖一层薄膜,一层麻袋。覆盖麻袋的同时,将麻袋浇湿。当承台砼全部浇筑完毕后,再蓄水20cm～30

cm养护,承台1的电梯井内也灌满水。

从温度监控表一(见附表一)可以看出:承台2内部

最高温度为83℃(6月4日23:00测量,9号测点),同时其表面温度为53℃,内部温差为30℃,考虑到我们测量方法的误差影响,可视为内外温差在允许范围之内。事后检查,证实承台2表面基本无温差裂缝。

从温度监控表二(见附表二)可以看出:承台1内部最高温度为90℃(在局部厚度为510m处测点)。而且温升的一般规律是:浇筑入模后第二、三天温度急剧升到最高,然后持续高温两三天,才慢慢下降,一般十多天后与表面温度的差距还有20℃,所以保温保湿养护期为14天是很有必要的。下面将承台1某测点的内部温度与表面温

(上接第144页)　盖的地方采用125t汽车吊。

4)网架的拼装采用“扣”三角锥单元法进行拼装,安

装完一排下弦球和杆件,并检查后将预制好的三角锥单元

扣上并拧紧,及时撑入其余腹杆及上弦杆,直至完成跨内网架。

5)网架的安装:根据本工程网架的特点,网架的安装采用满堂红脚手架,分段搭设、安装,网架安装顺序由落地拱位置开始由两头向中间开始进行安装,中间安装完后,由中间向南北两个方向推进。为保证异型大空间结构网架的安装变形,在搭设脚手架的时候,充分考虑架管的间距,

并在池厅内安装16个千斤顶支撑网架,防止网架的变形。在网架的安装过程中,架设一全站仪于操作平台,观察网

架的变形。

在安装双曲面网架最高处的网架时,因塔吊已无法使用,采用125t汽车吊进行杆件的吊装。并采用单元法进行网架的安装。

度随养护时间变化的情况用曲线描绘如下(见附图二):

图2　承台1某测点养护期温度曲线图

当承台1内部温度很高时,由于表面的水化热大量积聚,又不易散发,表面温度也有60℃,内部温差在允许范

围之内。另外,承台1在养护期间,在第4d,天降暴雨,表面温度降到45℃,为此,我们在局部厚度为510m处又覆盖了一层麻袋,及时调整保温措施,以保证温差在允许范围之内,避免了裂缝的出现。

21313　加强施工中的温度观测

要进行温度监控,必须及时准确地进行温度观测。我司在施工前,就确定了各板块(承台)温度观测点的位置,一般在承台中心、厚度较大处、厚度变化处布置测温管

(测量采用4分镀锌水管),埋设深度分别为板底上20cm、

板中位置、板面,测温采用水银温度计。

用线吊在测温管内进行测量。测温管灌水10cm～15

cm,并加塞,定时开塞读数,读完后又密封测温管。

混凝土浇捣完毕后,首先测量入模温度,然后四天内每4小时测读一次,五至九天每六小时测读一次,十至十五天每八小时测读一次。

测试温度应有专人负责记录,画图表反映承台中心温度变化规律(如图2)。一旦内外温差超过25℃,应立即调整保温措施,加盖麻袋、薄膜。

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4结语

此游泳跳水馆,其大空间异性钢结构的制作、安装及施工过程中定位精度、焊接变形的控制较为罕见。超厚立柱、钢梁的制作及安装,网架安装方案的划定,安装分段的合理性、安全性、稳定性的计算、高空焊接工艺焊接残余应力的处理都充分体现了施工的难度。

钢柱上焊接调节微调螺栓的方法,解决了对于倾斜不大的异性钢柱安装问题,从而减少了在制作倾斜圆柱需要锻洗等复杂工艺过程,大大加快了制作工期,减少了制作成本。

该工程对于大空间异性结构的网架安装,采取了合理施工顺序,先安装中间受力网架部分,其解决了网架的受力变形问题,又为大馆内提前进行地面装修创造了条件,大大加快了的施工进程,而多种网架拼装方式的选择,多种吊装方式的运用,也大大提高了施工的效率。

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