鋼、鋁混合結構的施工技術研究

曹 輝

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 工程概況

鋼、鋁混合結構是指運用鋼材和鋁材相互組合的方式建造的建筑物結構體系，由于鋁材強度大，同時又比鋼材密度小，因此可以實現更大跨度、更多樣化造型的屋面結構。

在上海市崇明體育訓練基地綜合訓練館工程中，其屋面最外圍懸挑一圈為鋼結構，中央區域由鋁桿件形成大跨度的穹頂造型。屋蓋最高高度為21.35 m，長和寬為45 m×48 m，面積2160 m2，鋼結構截面形式主要為□200 mm×200 mm×8 mm×8 mm、□320 mm×300 mm×20 mm×20 mm、H320 mm×200 mm×8 mm×10 mm，鋁合金結構截面主要形式為H320 mm×180 mm×8 mm×10 mm與H320 mm×200 mm×9 mm×11 mm。該結構形式在滿足安全、可靠的同時，也滿足了外觀裝飾效果（圖1）[1-3]。

2 施工工藝

2.1 主要施工技術特點與難點

1）如何降低大跨度網殼結構在安裝過程中的變形及消除殘余應力，并保證高空作業的施工安全是首先面臨的重點、難點。

2）鋁構件均在廠區內預制加工，鋁型材擠壓、精加工全部采用開模標準化數控制作，確保制孔精度在0.05 mm以內，嚴禁現場修改、擴孔，對前期的優化設計與加工要求很高。

圖1 鋼、鋁混合結構形式

3）曲面網格殼體現場安裝上的定位、放線及精度控制工作十分重要，安裝精度要求非常高。鋁合金結構安裝過程中對每一個節點盤的三維坐標控制是本工程的重點之一，需控制x，y坐標在10 mm之內，z坐標在5 mm之內，保證此精度才可確保最終結構的順利合攏。

4）本工程屋蓋由屋面鋼構件和鋁構件構成，涉及大量鋼、鋁連接節點和鋁桿件間連接節點（圖2）。面對眾多的復雜節點，如何制訂合理的施工工藝，降低鋼、鋁結構的安裝誤差，提高節點安裝精度也是一大難點。

5）本工程建設施工是個多專業協同配合的綜合性工程，在土建基礎及網殼結構施工前即引入結構預埋件的制作安裝作業，保證預埋件及時準確的定位安裝，是后序整體工程順利施工的重點。除與土建結構施工配合外，與設備安裝等配合均要求有合理科學的技術措施加以保證。

2.2 施工總技術路線

圖2 屋蓋主要節點形式

先安裝綜合訓練館4個角部鋼立柱和屋面外圍一圈懸挑鋼梁以形成穩定的框架結構，再安裝中央區域鋁合金屋蓋，其安裝順序是從最外圈向內逐圈安裝，注意鋼、鋁桿件間的連接板應后焊，以便于最后結構合攏時進行誤差調整。鋼、鋁桿件采用跨外汽車吊配合塔吊進行散件吊裝，同時利用現場腳手架搭設的施工平臺配合可調節撐托進行桿件的定位安裝和調整。

“先鋼后鋁、節點板后焊及高空作業平臺”能有效消除鋼結構的安裝誤差和解決鋁合金網殼安裝過程中變形大的問題，并大大降低了高空作業的危險性，于安裝施工安全和總工期有利。

2.3 支撐體系設計

綜合考慮安全及荷載因素，場館采用扣件式鋼管腳手架滿堂方式搭設操作平臺，主要用于堆放材料以及工人利用此平臺進行桿件安裝，并利用部分立桿設置可調撐托支撐節點板。

1）鋼管采用Q235B、φ48.3 mm×3.5 mm鋼管，間距為1.5 m×1.5 m，步距為1.5 m，滿布斜桿，并按照規范要求設水平及豎向剪刀撐，在頂層設置一層作業面，滿鋪鋼絲網片。頂層工作面四周在高1.2 m位置設置扶手桿。水平剪刀撐上下間隔不超過8 m，并在作業面下方滿鋪安全網，高度方向每隔6 m搭設1道安全網。搭設高度依據網殼的高度降低1.5～2.0 m，作業面布設為階梯狀（圖3）。

2）網殼支撐點的布設為隔一個節點板設置一個，即支撐6根桿件及8個節點板的質量，由于桿件每根最大質量為43 kg，節點板每個最大質量為17 kg，故支撐節點板的立桿承受的荷載最大為3.96 kN。

3）根據現場的實際情況，在腳手架上設置4個堆放平臺用于材料堆放（圖4），材料堆放荷載最大為3 kN/m2（根據10根長3 m的鋁合金桿件的質量計算），考慮2個作業人員荷載，共計5 kN/m2，堆料平臺尺寸為4.5 m× 6.0 m，距離腳手架長軸方向外邊水平距離為8 m。卸料平臺的載荷為3 kN，搭設過程采用加密搭設，在1.5 m×1.5 m的立桿間距基礎上，于中部增設1根立桿，即卸料平臺區域的立桿間距為0.75 m×0.75 m。

圖3 綜合訓練館腳手架搭設立面

圖4 材料堆放平臺設置示意

2.4 主要安裝過程及控制要點

2.4.1 鋼結構主要安裝過程及控制要點

1）先行安裝鋼結構周圍一圈鋼柱及鋼邊梁以形成穩定的框架結構（圖5）。

圖5 鋼柱及鋼邊梁安裝

2）立柱吊裝到位后利用全站儀控制牛腿中心坐標，利用葫蘆調整到位后與支座焊接固定。

3）鋼梁利用端部的耳板，采用臨時安裝螺栓固定后與邊拱柱牛腿焊接（圖6）。

4）懸挑構件一端利用構件端部的耳板，采用臨時安裝螺栓固定于已安裝的構件上；另一自由端使用全站儀控制牛腿口坐標，同時利用葫蘆調整到位后搭設腳手架抱箍固定于腳手架上，隨后完成焊接。

2.4.2 鋁結構主要安裝過程及控制要點

1）結構安裝前須對支座連接板進行精確測量定位，以保證上部桿件拼裝順利和控制安裝偏差。

2）由于下部施工時會有一定的施工偏差，故網殼結構對下部結構相關的尺寸要求較高。因此在結構安裝前必須到現場量測，取得第一手資料數據，解決施工偏差的問題。支座連接板安裝時，先根據設計支座坐標值用全站儀將支座連接板標高調整好，并在埋件板上精放中心線。支座安裝完成后進行復檢，確保埋件的平面位置偏差在5 mm以內，標高誤差在3 mm以內。

3）綜合訓練館的鋁合金網殼與鋼柱對接采用筋板連接方式，筋板現場進行焊接（圖7），可消解鋼結構安裝產生的誤差。

圖6 端部耳板固定示意

圖7 連接板現場焊實景

4）屋蓋安裝時，每預留三跨鋁合金桿件僅進行臨時固定，以便于在后續安裝過程中可隨時調整，待整體結構合攏并滿足精度要求后，方可用鉚釘槍進行鉚釘緊固。

2.4.3 鋁合金網殼安裝糾偏措施

鋁合金網殼安裝精度要求高，在安裝過程中不可避免會出現安裝誤差，關于安裝誤差的糾偏措施如下[4-5]：

1）提高加工制作的精度，減少現場安裝偏差的累積。工廠桿件及節點板的加工已實現全數控加工，制孔加工精度可達到0.05 mm，孔距精度可達到0.10 mm，高精度的加工質量減少了現場的安裝誤差及相應累積誤差。

2）加密、加強現場測量控制，控制施工過程中施工誤差的累積，如發現超出規范的應及時通知現場工長并采用措施進行調整。

3）調整的方式主要為支撐點對節點板的標高調整以及采用強制就位等方式，確保桿件和節點板的順利安裝，但嚴禁現場對桿件及節點板的孔進行修改、擴孔等，防止誤差的累積。

2.4.4 網殼安裝測量控制

本工程測量的重點為支座處埋件的平面位置及標高控制，以及最終網殼桿件安裝完成后整體撓度的測量控制。

在支座和桿件安裝的過程中，必須對已就位的節點盤進行監控，其方法是用全站儀實測其三維坐標，并與設計值相比較，及時消除偏差值。支座的定位測量、放樣是整個安裝工程的重中之重，必須認真對待。首先應根據下支座的中心坐標算出相互垂直的縱橫4點坐標（該4點的距離要大于支座底板的尺寸），根據4點坐標，用墨線彈出十字線以便于支座定位，并用全站儀復核三維坐標。

在施工過程中，依據2個場館的測量控制點對已安裝完畢的相應節點利用全站儀及時進行跟蹤測量，確保安裝完成部分的三維坐標符合規范要求（圖8）。

圖8 9個綜合訓練館網殼測量控制點

3 結語

鋼、鋁混合結構在我國作為一種新興的結構形式，其關鍵是要控制好鋼構件與鋁構件之間的連接節點及鋁合金節點盤的精度，確定高效的施工工藝和過程控制措施。根據屋蓋質量及材料堆載情況，合理設置支撐體系，確保操作平臺滿足結構安裝的荷載要求，保證屋蓋安裝過程中的變形量和桿件鉚接穿孔質量，做到現場零擴孔，使工程的質量、安全、工期得到把控，為整個屋面工程的順利完工打下堅實的基礎，并為此類混合屋蓋施工積累了經驗。