大跨度穹頂式弧形桁架施工

馬 泉 鮑光卿 王貝貝 趙 強 劉匯東

1. 武漢大學土木建筑工程學院 武漢 430064；2. 中建三局集團有限公司西北分公司 西安 710065；3. 中建鋼構有限公司 深圳 518040

1 工程概況

新疆大劇院工程位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市國家農業(yè)科技園核心區(qū)，由臺基層及大劇院主體2 部分組成，其中臺基層是一個底座246 m×162 m，高6.75 m的長方臺；大劇院主體建筑由里外套的伊斯蘭穹窿造型構成，內核是橢球體，橢球底平面長邊長140 m，短邊長90 m，高58 m。整個建筑只有舞臺臺倉屬于地下建筑，其余均為地上建筑。值得注意的是，大劇院的外側，即是一個自成體系的大跨度穹頂式弧形桁架形成的自承重殼體，外殼高度達78.3 m。

該工程屋蓋外殼面分為北側殼面和南側殼面2 部分，每部分有26 榀主桁架構件。外殼面主要采用鋼管相貫焊鋼桁架結構體系（圖1）。在南側殼面A-b4軸和A-b5軸之間，以及A-b22軸和A-b23軸之間設置2 部從+47.40 m標高通往+6.70 m的鋼飛梯。

2 施工思路

（a）針對新疆大劇院內外殼弧形桁架弧度、截面及壁厚不斷變化的結構特點，通過采用Midas 7.30軟件對弧形桁架結構進行受力分析，并根據其受力情況對桁架進行合理分段；

圖1 屋蓋外殼面鋼結構三維示意

（b）針對內外殼弧形桁架的獨特造型，采取計算機模擬預拼裝結果指導地面拼裝，使桁架結構的精度控制達到要求，避免高空就位時發(fā)生錯位；

（c）通過弧形桁架整體吊裝，在無支撐胎架情況下，實現首段單榀重達35 t，弧長達到35 m，豎向高度達到31 m精確就位。吊點和吊裝用具的設計均進行模擬驗算分析，以確保桁架吊點處受力及變形在規(guī)定范圍內。

3 工程施工難點與對策

3.1 鋼結構深化設計難度大[1-3]

難點分析：鋼構件質量約11 000 t，鋼構件分布范圍廣，內外殼屋蓋桁架造型復雜，節(jié)點變化多，技術要求高。設計稍有偏差就會對制作安裝質量、進度帶來影響。

對策：施工圖設計深化需滿足制作要求。深化時按現場安裝順序分階段安排設計工作，形成流水，從而保證制作、安裝施工。引入先進的深化設計軟件用于三維制造數據拾取，進行構件加工圖的繪制，確保深化設計的高效率和準確性。

3.2 鋼結構制作

難點分析：內外殼屋蓋、樓蓋桁架眾多構件必須按空間位置，對號入座地進行單件生產。否則將拼裝困難，安裝誤差超過設計要求，使得制作成本增加，工效低，而且制作中的精度檢測也比較困難。對于內外殼屋蓋弧形桁架桿件精度控制和鋼管相貫線切割、節(jié)點制作，則是本工程制作的最大難點。

對策：選擇相應的設備滿足卷管、切割下料、構件端銑和精密相貫線切割等方面的要求。嚴格檢查部件下料時的尺寸，充分考慮焊接收縮量的因素，控制卷管截面尺寸要求。結合現場施工順序合理進行分段，滿足加工制作要求。

3.3 大型機械設備選擇與管理

難點分析：本工程結構跨度大，內部有混凝土結構，吊機無法進入跨內，只能進行跨外吊裝。吊裝設備必須是起重能力大、作業(yè)半徑大、靈活性強、性能良好的大型起重機。

對策：現場擬采用1 臺4 500 kN履帶吊（塔式工況）和2 臺3 500 kN履帶吊（塔式工況）和2 臺3 000 kN汽車吊作為主吊裝設備，進行桁架分段吊裝，桁架間連系桿件由土建塔吊配合小型汽車進行補裝。

3.4 鋼結構安裝

難點分析：鋼結構安裝進度需要滿足整體要求，工期緊。南北兩側各有26 榀主桁架，最高榀桁架高71.4 m，水平投影跨度55 m。屋蓋內殼面有10 榀主桁架，最高榀桁架高57.5 m，跨度90 m。組裝單元構件、分段散件安裝量大，桁架高空對接精度要求高。

對策：根據桁架自身結構特點，通過有限元分析軟件計算，確定合理的桁架分段點，盡量減少胎架使用量。通過計算軟件模擬施工過程，在桁架拼裝、安裝階段進行標高預調整。加強桁架安裝精度控制及連接成片效果控制。根據現場實際情況設計相應的臨時支撐或千斤頂、纜風繩等調節(jié)裝置進行校正。

3.5 鋼結構焊接

難點分析：由于桁架鋼管的異向性，將有大量的鋼管相貫線焊接。為滿足吊機起重性能，桁架構件需要分段安裝，使現場鋼管焊接量增大。由于鋼管直徑大、壁厚，高空焊接工作量將很大。因此厚板焊接、節(jié)點區(qū)域焊接變形和焊縫質量控制是本工程焊接控制的難點。

對策：采用二氧化碳氣體保護半自動焊接技術，選用具有雙重保護的優(yōu)質藥芯焊絲進行焊接，提高施工質量。正式焊接前進行焊接工藝評定，選擇最優(yōu)的焊接參數。加強焊接前預熱、焊接中層間溫度控制和焊接后保溫等技術措施。

3.6 鋼結構測量控制[4-6]

難點分析：本工程造型多穎，桿件空間定位難度大，桁架桿件坐標控制是本工程測量的重點。

對策分析：建立鋼結構三維模型，制定出桁架安裝的空間三維控制點以及其三維空間坐標。針對不同的環(huán)節(jié)，分別采取支座坐標換算法，小棱鏡快速測量法以及棱鏡坐標測量擬合法進行測量施工。

4 施工工藝流程和操作要點[7,8]

4.1 施工工藝流程

工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程

4.2 關鍵施工技術

根據新疆大劇院內外殼弧形桁架弧度、截面及壁厚不斷變化的結構特點，通過采用Midas 7.30軟件對弧形桁架結構進行受力分析，根據其受力情況對桁架進行合理分段；針對內外殼弧形桁架的獨特造型，采取計算機模擬拼裝、精確放線后進行地面拼裝；內外殼首桁架安裝在無支撐胎架情況下，依靠弧形桁架自身質量進行安裝就位。

4.3 施工要點

4.3.1 確定分段面

根據可作為桁架分段面區(qū)域，通過Midas 7.30分析，確定該分段面在自身質量站立情況下桁架自身變形及下撓符合安裝精度，確定分段面區(qū)域。為了滿足設計對接要求，對桁架上下弦管錯開距離進行確定，弦桿分段面為截面，中間連系桿件在高空對接后進行安裝。

4.3.2 現場拼裝

針對桁架拼裝，先采用計算機對桁架進行預拼裝，對影響桁架弧度及精度的因素進行控制，并現場拼裝桁架。為保證桁架的平整度，先對拼裝區(qū)域進行硬化。根據上下弦管分段長度，在上下弦管對接口附近布設胎架，并在桁架弧度變化點設置胎架，通過測量對各弦桿變化節(jié)點、次桁架對接點進行精確定位（圖3）。

圖3 桁架拼裝胎架示意

桁架拼裝及焊接過程中，對上下弦管的弧度進行監(jiān)測，確保桁架上下對接點弧度、弦桿間距等滿足精度要求；進行上下弦管之間的腹桿安裝過程中，通過測量對桁架相貫點及平整度進行調整。

4.3.3 弧形桁架吊裝

（a）本工程內外殼桁架均為弧形，桁架弧長達到35 m，高度達到31 m，且主次桿件均存在截面變化，桁架重心偏離桁架中心，通過Midas 7.30分析確定桁架重心，將桁架吊點設置在重心線上，確保吊裝過程時桁架安裝較為平穩(wěn)。

（b）根據桁架特點，確定在桁架節(jié)點處捆綁吊裝。內外殼桁架質量不同，最重桁架質量達35 t，通過桁架對吊裝用繩及卡環(huán)吊重性能進行分析，確保吊裝用具滿足安全要求。

（c）在吊裝前，通過測量確定弦桿在柱底板位置，并焊接定位板。內外殼桁架根據實際質量采用2 500 kN或1 300 kN履帶吊進行跨外吊裝，在桁架精確定位焊接后再松鉤，并在桁架上對稱拉設纜風繩。

4.3.4 三維空間定位

建立鋼結構三維模型，制定出桁架安裝的空間三維控制點以及其三維空間坐標。針對不同的環(huán)節(jié)，分別采取支座坐標換算法，小棱鏡快速測量法以及棱鏡坐標測量擬合法進行測量施工。

鋼構件在安裝過程中，因日照溫差、焊接，會使細長桿件在長度方向會有顯著伸縮變形。因此，在上一安裝單元安裝結束后，通過觀測其變形規(guī)律，結合具體變形條件，總結其變形量和變形方向，在下一構件定位測控時對其定位軸線實施反向預偏，即節(jié)點定位實施反三維空間變形，以消除安裝誤差的累積。

4.4 構造節(jié)點

典型構造節(jié)點示意見圖4。

5 結語

新疆大劇院項目內外殼桁架首階段項目節(jié)約了大量桁架結構施工支撐胎架措施，減少了大量安裝措施的和大量人工費，節(jié)約了施工投入資金約34.32 萬元。

同時，革新傳統安裝工藝，減少胎架搭設及轉運時間，首段桁架安裝整體工期縮短20 d。

圖4 主要節(jié)點示意

本工程施工方法適用于大體量、大質量、弧形桁架結構的空中安裝、場館及劇院不規(guī)則超大超寬桁架吊裝、超大空間（體育場館、會議廳、多功能廳）的結構桁架安裝。該施工方法應用新疆大劇院項目，成功將桁架重達35 t，弧長達到35 m，豎向高度達到31 m的桁架安裝就位。

與以往的常規(guī)施工方法相比，采用大跨度弧形桁架分段施工技術具有無法比擬的優(yōu)勢，通過采用軟件對構件受力進行分析，在采取計算機模擬預拼裝后進行地面拼裝，實現大跨度弧形桁架在無支撐措施的情況下的精確安裝，不僅安全可靠，且能有效地保障質量、縮短工期、降低成本，具有很好的推廣性。