圓弧空間曲線梁架鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

杜月勝

（山西省第一建筑工程公司，山西 侯馬 043000）

近年來，某些大型公共建筑采用了圓形的建筑造型，并謀求大空間以滿足各種功能的需要，如中國國家大劇院、上海鐵路南站、天津霍元甲紀念館等，雖然上述工程采用的結(jié)構(gòu)形式各不相同，但無一例外采用了鋼結(jié)構(gòu)，而且在設(shè)計上都采用了圓弧曲線梁。

1 工程概況

我公司施工的天津霍元甲紀念館工程，見圖 1，該工程主體結(jié)構(gòu)為圓形鋼結(jié)構(gòu)，建筑外形為仿古建筑，圓形建筑中心的頂部外形構(gòu)造從上俯視是太極陰陽魚造型，它的結(jié)構(gòu)形式為圓弧及空間曲線梁架。弧形曲線鋼梁的原材料為熱軋H型鋼，規(guī)格有9種，最大的為HN800×300×14×26，最小的為HN300×150×6.5×9，柱為鋼管柱，所有用料材質(zhì)均為Q345B，總用鋼量為2 000 t，其中圓弧曲線鋼梁約為500 t。弧形曲線梁含太極頂共計7層，每層最多的有6圈，最少的有3圈，平面圓弧鋼梁的直徑分別為8.2 m、16.2 m、32.4 m、46.2 m、60 m、64.8 m，太極頂部脊的投影是直徑為24.3 m的半圓弧，而在立面，最高處與最低處的高差為8 m，這就使該弧形脊鋼梁在空間結(jié)構(gòu)中形成平滑曲線。

圖1 霍元甲紀念館效果圖

2 施工存在的制約問題

由于該工程工期緊，有24個國家參加的國際性精武會議在這里按期召開，從工程地基處理打樁開始到精裝修、館內(nèi)布展、附屬建筑及廣場等總工期只有240 d，其中主體鋼結(jié)構(gòu)工期為100 d。通過對該工程鋼結(jié)構(gòu)的施工，結(jié)果表明，要保證施工安全、工程質(zhì)量、縮短施工工期、降低施工成本，存在的主要問題如下：

2.1 弧形鋼梁的制作受到施工設(shè)備的制約

目前弧形鋼梁的加工主要是靠熱煨，即采用氧乙炔火焰加熱到高溫，靠借助外力加工而成，見圖2，且溫度要控制在900～1 000 ℃，低合金結(jié)構(gòu)鋼當溫度降低到700～800 ℃時應(yīng)停止加工，且應(yīng)自然冷卻。該工藝雖然簡單，但效率低，施工速度慢，關(guān)鍵是鋼梁的弧度曲線和曲線半徑無法保證，易形成折線彎，還可能出現(xiàn)褶皺，既降低了功效還增加了施工的成本，只能適合少量加工。

2.2 施工前的策劃和工藝的合理選擇與否決定工程的順利進行

為了保質(zhì)保量安全完成施工任務(wù)，在接到工程圖紙后，技術(shù)人員利用軟件建立實體模型，對施工圖紙進行深化設(shè)計（包括構(gòu)造設(shè)計和構(gòu)造連接節(jié)點設(shè)計），保證各個環(huán)節(jié)的精度，根據(jù)放樣圖繪制各構(gòu)件、節(jié)點的加工分解圖，見圖 3，深化設(shè)計完成后，編制工藝規(guī)程，包括焊接工藝評定和進行焊接時的加工設(shè)備及用以保證構(gòu)件外觀尺寸和焊接變形的工藝裝備。另外，考慮安裝的施工工藝，提前策劃，尤其是圓弧鋼梁的安裝順序和安裝方向的選擇，給施工的順利進行奠定基礎(chǔ)。在工程實施過程中，深化設(shè)計、節(jié)點設(shè)計、加工詳圖、構(gòu)件制作、現(xiàn)場拼裝、吊裝定位等全過程均按同一三維實體模型，確保各個階段精度達到設(shè)計要求。

圖2

圖3

3 工藝原理

我公司通過對霍元甲紀念館工程的施工，總結(jié)出了大型圓弧鋼梁施工一套可行的方法，該方法效果明顯，既經(jīng)濟又安全，關(guān)鍵是縮短施工工期。其工藝原理是把熱軋H型鋼通過自動液壓拉彎設(shè)備加工成所需曲率半徑的圓弧后，進行切割下料，同時打坡口，焊接加勁板，最后進行安裝栓接和焊接。

其工藝流程：原材料熱軋H型鋼進廠→拉彎→檢驗→校弧→切割下料→焊接加勁板→斷頭上下翼緣開坡口→檢驗→除銹→涂裝→出廠檢驗→吊裝→校正及高強螺栓緊固→鋼梁翼緣與鋼柱焊接→無損探傷檢驗。

4 施工關(guān)鍵、難點技術(shù)

4.1 計算機輔助深化設(shè)計三維實體模型的建立

我們在接到施工圖紙后，技術(shù)人員立即組成技術(shù)攻關(guān)小組，對設(shè)計圖紙進行仔細研究分析，制定方案。因為該工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料規(guī)格、構(gòu)件品種繁多，構(gòu)件互換性差，首先通過計算機進行輔助設(shè)計和實體建模，通過不同的視點建立多個視窗，可以方便、直觀的對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行空間定位。三維實體模型可視性好，形象直觀，惟妙惟肖，施工人員可直接觀察三維模型，做到身臨其境，在建筑物沒有建成時去真實體驗它的存在，實現(xiàn)真實再現(xiàn)，見圖4。有了模型后，對構(gòu)件及節(jié)點進行深化設(shè)計，詳細計算尺寸，按1∶1精確繪制構(gòu)件的加工分解圖，嚴格按照加工圖制作構(gòu)件，確保制作精度，保證弧型梁安裝后的整體圓度、軸線定位及弧線的平滑度，實現(xiàn)實體的觀感美，見圖5。

圖4 計算機三維模型圖

圖5 太極頂部實體模型

4.2 弧形曲線梁的制作加工

根據(jù)工程的工期和工程量，圓形弧梁的制作加工是本工程的關(guān)鍵，也是難點，通過計算，靠人工加熱煨彎制作弧形梁遠遠完不成任務(wù)，圓弧曲率半徑質(zhì)量無法保證，成本也較高。針對本工程我們采用了先進的機械設(shè)備，即型鋼拉彎機，見圖6。該設(shè)備采用了全自動化液壓系統(tǒng)，用此設(shè)備可以加工各種型材，我們根據(jù)圖紙和1∶1的實體模型大樣按照不同的曲率半徑制作胎具，來調(diào)整液壓卡具針對不同弧形梁的弧度，利用電動液壓拉彎設(shè)備冷彎加工弧形鋼梁，保證頂彎后H型鋼的弧線度和平面度，也保證了圓弧的曲率半徑。且加工的弧形梁不會損傷材料表面，在其延伸率范圍內(nèi)不會斷裂，內(nèi)壁不會起皺，截面不會發(fā)生畸變，此外由于金屬材料的冷作硬化，材料拉彎后可以改善其綜合機械性能。采用該設(shè)備加工工藝，效率大大提高，加快了施工速度也降低了成本。

圖6 型鋼拉彎機

4.3 施工起重設(shè)備的選擇和布局

起重機性能的選擇：根據(jù)吊裝范圍的最重構(gòu)件、位置及高度，選擇相應(yīng)的最大起重力矩所具有的起重量、回轉(zhuǎn)半徑、起重高度。除此之外，還應(yīng)考慮塔式起重機高空使用的抗風性能、起重卷揚機滾筒對鋼絲繩的容繩量、吊鉤的升降速度。

起重機數(shù)量選擇：根據(jù)建筑物平面、施工現(xiàn)場條件、施工速度、塔吊性能等，合理選擇起重機數(shù)量，在滿足起重性能的情況下，盡量做到就地取材，避免發(fā)生二次倒運。

本工程為直徑60 m的圓形主體結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)外一周圈為30 m的室外臺階，即該建筑為直徑120 m的圓形建筑。在鋼結(jié)構(gòu)施工的同時室外臺階也要進行施工，綜合鋼結(jié)構(gòu)主體和室外臺階土建的施工，經(jīng)過嚴密計算我們選擇了三臺 QT5513型塔式起重機，臂長均為45 m，分別設(shè)置在120°方位上，見圖7。這樣在進行立體交叉作業(yè)時互相錯開，不影響作業(yè)施工面，安全也得到了保障。

4.4 弧形鋼梁安裝工藝的選擇

弧型框架鋼梁與鋼柱的連接通常為上下翼緣板焊接、腹板栓接，或者是全栓接、全焊接的連接方式，本工程為上下翼緣焊接、腹板栓接的形式。弧型框架鋼梁的吊裝宜采用專用吊具，兩點捆扎吊裝，吊升中必須保證使鋼梁保持水平狀態(tài)。

吊裝順序的選擇：一節(jié)鋼柱一般有2～4層梁，橫向構(gòu)件由上層向下逐層安裝，由于上部和周邊都處于自由狀態(tài)，易于安裝和控制質(zhì)量。在同一圓弧直徑上的弧梁從中間跨開始對稱地向兩端擴展安裝，同一跨上的弧梁先安上層再安中下層。次梁根據(jù)實際施工情況一層一層安裝完成。在吊裝時合理劃分流水作業(yè)區(qū)段，確定流水區(qū)段的安裝、校正、固定。本工程按照塔吊的位置分為三個吊裝區(qū)域，吊裝順序見圖7。

安裝方向的選擇：圓形建筑同一弧形的相鄰兩根鋼柱之間的弧形鋼梁安裝，一般鋼柱與鋼梁的連接是通過鋼柱上的連接板和鋼梁腹板螺栓固定，然后焊接上下翼緣板。在弧形鋼梁安裝時是垂直弧形由外向內(nèi)安裝還是由內(nèi)向外安裝，其安裝方向至關(guān)重要，關(guān)系到鋼柱上連接鋼板的焊接位置，更關(guān)系到弧形鋼梁能否插進兩鋼柱之間。如果在制作時按由內(nèi)向外安裝，鋼梁的兩端上下翼緣和圓管柱相碰，安裝不上，除非把圓弧鋼梁一端或兩端翼緣板外側(cè)割掉一部分，安裝完成后再補焊。此時如果現(xiàn)場改為由外向內(nèi)安裝，則圓弧鋼梁兩端與鋼柱間隙就超出設(shè)計及規(guī)范要求，圓弧梁的軸線向外偏移，而且螺栓孔發(fā)生錯位導(dǎo)致高強螺栓無法安裝，這樣既無法保證質(zhì)量，又降低了施工效率。我們經(jīng)過認真思考提前預(yù)測，根據(jù)模型大樣分析、實驗，采取了由外向內(nèi)的安裝方法，見圖 8，既保證了弧形梁的安裝精度，又加快了施工進度。

圖7

圖8

5 結(jié)束語

通過對天津霍元甲紀念館大型圓弧空間曲線梁架施工技術(shù)的應(yīng)用與研究，充分體現(xiàn)了紀念館設(shè)計的陰陽魚及太極的復(fù)雜構(gòu)造，也充分體現(xiàn)了仿古建筑的風格，有效的保證了工程質(zhì)量和施工進度。我公司很好的利用計算機輔助設(shè)計進行二次深化設(shè)計并建立直觀的實體模型，采用先進的施工工藝，合理選擇和布置起重設(shè)備，有效利用現(xiàn)場施工條件，合理安排施工流程，確保了構(gòu)件的制作質(zhì)量和安裝精度，縮短了施工工期，降低了施工成本。在施工中，高空作業(yè)量大，立體交叉施工作業(yè)面多，施工人員多，在安全施工中采取有效措施，安全防護到位有效，安全無事故，順利完成施工任務(wù)。