曲面螺栓球節點鋼結構網架的吊裝施工技術

呂建峰

中鐵十八局集團第四工程有限公司 天津 300350

近些年來，隨著經濟和技術的發展，鋼結構以其強度高、韌性好、自重輕、抗震性能好以及裝配化程度高等一系列優點，在我國得到了廣泛的發展和應用，尤其是在大跨度、體型復雜以及高層建筑等施工領域。相比傳統的混凝土結構形式，鋼結構輕巧靈活、成形美觀、便于施工等特點更是得到了進一步凸顯。

在施工領域，鋼結構施工主要包括鋼屋蓋施工、鋼連廊施工、鋼箱梁施工以及鋼桁架施工等，相關的研究論文也較多，涉及鋼結構的生產、加工和制作、焊接工藝，深化設計技術，吊裝施工以及力學分析等方面。例如，單恒[1]介紹了建筑鋼結構生產中普遍存在的誤區，根據建筑鋼結構的生產情況，提出了自己獨特的見解；吳澤忠[2]對一般性的多、高層建筑物鋼結構構件的加工制作工藝進行了探討，包括工藝流程的選擇、放樣、號料、切割、矯正、制孔、端部加工、構件組裝和鋼構件預拼裝等，對從事相關工作的施工管理者具有一定的指導意義；達運社等[3]介紹了鋼結構產品焊評的程序、優化方法、注意事項以及常見的幾類問題，較為系統地闡述了焊接工藝的相關內容；趙雅等[4]以深圳市當代藝術館和城市規劃展覽館為例，從表皮鋼結構桿件建模、彎扭構件建模、雙向傾斜構件圖紙表達、彎扭構件深化圖紙表達、表皮鋼結構分段及對表皮鋼結構工藝的考慮等各方面出發，詳細闡述了深圳兩館復雜結構的深化設計技術；戴志杰[5]結合珠海橫琴星藝文創天地項目，從施工難點、施工工藝、施工關鍵技術等方面出發，對大型屋面鋼結構吊裝施工技術進行了總結；黎德琳等[6]以南京四方現代藝術博物館為案例，著重探討了該館鋼結構體系的受力特性，并應用有限元軟件分析了整體結構的靜力性能以及關鍵構件、典型節點的受力性能。

綜上所述，鋼結構的理論研究及現場施工技術發展迅速，目前已形成較為成熟的理論和實踐應用技術。本文結合安順婁湖生態濕地公園整體開發PPP項目，以其鋼結構工程中的大型曲面屋面網架為切入點，闡述了鋼結構節點均為高強螺栓連接形式的大型網架吊裝技術。針對這類不同于焊接球節點形式鋼結構的網架安裝難題，介紹了所采取的對應的創新措施和技術要點，為類似大型曲面鋼網架的施工提供實踐經驗。

1 工程概況

安順婁湖生態濕地公園整體開發項目位于貴州省安順市經濟技術開發區，其中的水上藝術中心為婁湖生態濕地公園功能區之一。該中心位于婁湖生態公園南側，建筑面積4 710 m2，共7個場館。項目主體采用鋼結構，外墻采用6 000 m2的玻璃幕墻，以18 000 m2的鋁單板封頂。水上藝術中心整體效果如圖1所示。

圖1 水上藝術中心整體效果圖

在7個鋼結構場館中，1#—6#館網架結構形式均為正方四角錐網架，7#館為1層鋼框架結構，如圖2所示。1#—6#館采用螺栓球節點連接，周邊支承于鋼柱頂端，下弦支撐；設計抗震烈度為6度，設計基本加速度為0.05g，設計地震組為第一組；場地土類別為Ⅱ類。

圖2 場館劃分

2 施工難點

1）水上藝術中心項目作為安順市第七屆旅游產業發展大會觀摩項目，具有一定的社會影響和民眾關注度，在施工過程中對鋼網架吊裝、安裝的精確性要求較高。

2）本工程工期較短，涉及的相關專業較多，交叉施工也較多，與土建、水電、設備安裝等相關專業的協調配合，是確保按時竣工的關鍵。

3）網架吊裝安全及高空散裝的安全措施較難以實施，常規滿堂腳手架方案存在很多弊端，如何采取經濟合理的技術措施來保證施工安全，是本工程的重中之重。

4）本工程節點采用高強螺栓連接，施工中需要注意協調同步措施，避免鋼結構桿件產生應力集中、受力不均等不良情況。其中的起步跨網架吊裝就位精度控制是施工中的一大難點。

5）本工程鋼結構網架采用起步跨整體吊裝，其跨度、長度、質量均較大，在吊裝方法的選擇時，必須保證在技術上和安全上切實可行，同時方案還應兼顧經濟適用、合理有效的原則，并杜絕由于發生安全質量事故導致的工期延誤。

3 曲面網架吊裝關鍵技術

3.1 安裝場地加固

本工程鋼結構吊裝質量大，因此，吊車進入場地前必須將工作區域的雜物清除。同時，視地面情況，必要時采用壓路機壓實，使地基承載力達到150 kN/m2，防止局部地基受力不均。施工時采用鋼板及枕木墊在吊車支撐腿下。

3.2 地面預拼裝方案

在鋼結構進行預拼裝之前，應對場地進行整平，并準確地定位臨時支承架或支承平臺。當構件屬于大型或重型構件時，應對其臨時支承結構進行結構驗算，使用落地平臺腳手架進行臨時支撐。為安全考慮，結構預拼裝腳手架靜荷載為100 kg/m2，施工人員操作活荷載按照100 kg/m2考慮。

當多層板疊合處采用高強度螺栓或普通螺栓連接時，可先用部分沖釘定位（至少為螺栓孔總數的10%），再緊固臨時螺栓。在同一組孔內，臨時螺栓的數量應至少達到螺栓孔數量的20%，且≥2個；預拼裝時的板層應密貼。

3.3 網架安裝方案

根據本工程的具體情況，在充分研究圖紙后認為，1#—6#館網架結構形式及安裝方法基本一致，現以2#館為例進行詳細安裝說明。本網架安裝決定采用地面首先拼裝2#館鋼柱周圈內部網架桿件作為起步跨單元部分，拼裝完畢后利用汽車吊吊裝起步跨就位、調整、臨時固定，之后再進行2#館周圈區域高空散拼的施工。其余5個館安裝方法相同，如圖3、圖4所示。

圖3 鋼柱周圈內部網架區域

圖4 鋼柱周圈外部網架懸挑區域

網架安裝具體方案如下：

1）2#館網架起步安裝區域為橢圓形，縱向長度31.177 m，橫向最大跨度19.090 m，質量7.5 t。起步跨定于此范圍的理由有二：一是施工及車輛操作方便；二是減少施工場地，起步安裝、懸挑安裝質量能得到控制。起步跨網架區域安裝首先在地面完成拼裝，吊裝半徑在10 m左右，主臂在30 m以內，2臺50 t吊車停放在場館兩側，吊繩分兩端，每端分2點起吊，將鋼絲繩上端掛于吊車吊鉤上，下端分別綁扎于鋼網架下弦支座球的2個節點處，并保證4個點受力均衡。吊裝起步跨時，需在起步跨兩側設置纜風繩，保持網架的穩定性以防碰撞柱子，如圖5、圖6所示。

圖5 鋼網架起步跨吊裝示意,

圖6 鋼網架起步跨吊點示意

2）利用2臺50 t汽車吊同步提升鋼網架起步跨到柱頂上方約300 mm處就位，并大致調整好網架軸線及鋼柱中心線后進行后續落位操作。落位過程要精心組織，設總指揮和分指揮分區把關整個落位過程。在總指揮統一指揮下進行工作，操作人員要明確崗位職責，上崗后按指定位置對號入座，發現問題向所在地分指揮報告，由分指揮向總指揮報告，由總指揮統一處理。網架起步跨吊裝就位至指定位置并經再次調整位置后，將支座過渡板四周進行焊接臨時固定，防止滑動、移位。

3）待起步跨吊裝完畢形成整體穩定結構后，利用1臺25 t汽車吊進行高空散裝。在進行高空散裝時，可先在地面將用于高空散裝的網架桿件小拼單元組裝好。根據本工程的特點，將周圈懸挑部分網架劃分為8個部分作為后續吊裝單元，以每個單元質量基本相同為宜，如圖7所示。

4）利用汽車吊通過吊鉤、鋼絲繩將地面事先拼裝好的網架單元吊至空中就位。操作時，在上弦的節點處布置4名人員，同時在下弦的節點處也布置4名人員，相關人員各自找準相應的桿件球孔，再迅速擰牢桿件與球之間的螺栓，完成拼裝。其余部分按上述方法進行安裝，形成整體，如圖8所示。

3.4 鋼網架起步跨的地面拼裝流程

3.4.1 構件的現場運輸

根據網架安裝的項目進度計劃，分批劃出安裝時需要的螺栓球以及構件，并由鏟車機運送到相應的施工平臺處，以供網架施工用。

3.4.2 網架的拼裝方案

本工程網架的拼裝順序如下：施工前準備→測量定 位→制作胎架→上弦與腹桿組裝→螺栓緊固→小單元網架校正→上弦與腹桿組裝→螺栓緊固→小單元網架校正。

3.4.3 起步跨的地面拼裝

在網架起步跨單元的地面拼裝及后續的高空散裝小拼單元安裝時，需要對位置進行嚴格控制，同時為避免構件出現松動，應組織相關人員對節點處螺栓進行檢查，確保其牢固。

圖7 鋼網架懸挑部分劃分示意

圖8 高空散裝網架小拼單元桿件

起步跨的地面拼裝過程如圖9所示。首先在胎架上拼裝下弦平面網格。將起步跨間的支座及各下弦球臨時支撐點安放就位（支撐采用鋼結構焊接支架），對好各下弦球中心，將各個支撐點的水平標高利用水準儀進行準確控制，標高誤差調整無誤后，再安裝起步跨之間的下弦球與桿件，并組合形成橫向、縱向的下弦平面網格。如有起拱要求時，應在臨時支點上找出坡底。

在安裝網架時，應對網架質量進行經常性測量，檢查內容主要包括：下弦網格的尺寸與對角線、上弦網格的尺寸與對角線，以及網架的縱、橫向長度與網格矢高。這些內容均可在相應的臨時支點拆除前進行調整。在網架安裝的過程中，還應對網架軸線是否偏離建筑基礎軸線的問題進行檢查，且實時調整。另外，應對網架上下弦尺寸進行嚴格控制，保證每個螺栓都已經擰緊到位，從而確保網架整體撓度要求。應對各個臨時支點的下沉情況進行隨時檢查，下降時及時處理。

3.5 起步跨吊裝準備

1）網架吊裝前一定要對所選吊點及網架起步跨對柱子的影響（包括側向力）進行驗算，驗算通過或者采取相應的有效措施后，才可吊裝。同時，必須逐一檢查所用的吊裝器具。

2）在網架吊裝前應設置警戒線，非施工人員禁止入內，吊裝過程中在網架下方嚴禁站人或穿行，吊裝過程中應由專人指揮，多臺吊車協同工作，保證同步提升。

3）每片網架地面拼裝完成后，用2臺汽車吊進行吊裝，在吊點位置拴好吊繩掛鉤后，除吊裝指揮以外的所有施工人員撤出吊裝區域。

4）在吊裝之前進行試吊，即先將網架整體提升300～500 mm并懸停，再觀察架體整體的可靠性。懸停過程中架體無明顯不穩定現象后，才可以繼續向上提升架體。試吊不僅可以檢查吊裝設備的安全性，還能檢查各個吊點對網架剛度的影響情況。

5）試吊確認安全可靠后，由起重指揮長指揮吊車將網架慢慢吊離地面，升至柱頂設計位置后緩緩落下。

6）網架支座調整到設計軸線落實固定后，方可落鉤。

3.6 高空對接的注意事項

施工時，需要先將網架于地面拼裝成組合件，再利用相應機械將其吊至安裝部位，然后由施工人員在高空進行拼裝。受高空作業所限，將組合件小拼單元安裝至指定位置的難度較大，故在施工過程中應對工人的操作技術水平提出一定的要求。

圖9 起步跨的地面拼裝過程

網架的桿件和高強螺栓只承受軸向力，不允許在桿件上吊掛重物，防止網架桿件側向受力，發生變形。

4 方案的創新點

1）傳統的鋼結構網架吊裝方案，大都為高空散拼或整體提升的思路。高空散拼需搭設滿堂腳手架，施工工期較長，工作量大且安全隱患多，施工安全難以保證；而整體提升方案對提升器及其布置位置的要求較高，同時提升過程中的同步協調措施相當嚴格。本工程創新地結合2種方案的優點，采取部分整體提升，提升到位后再散拼懸挑構件的方案，既保證了質量，又節約了工期和費用，綜合效益顯著。

2）本工程網架節點為螺栓球形式，區別于焊接球網架，采用螺栓球網架具有施工便捷、造型美觀、質量受控、造價經濟等優勢。但螺栓球節點在設計時需要考慮桿件的角度，要求各個配件的精度達到一定要求。因此，本工程在螺栓球和桿件加工階段即嚴格控制參數精度，同時在吊裝過程中及時進行監測、調整，避免誤差累積導致應力不均現象，從而有效地保證了施工質量。

5 結語

曲面鋼結構網架因連接節點多、應力和變形較復雜、造型不規則等原因，對安裝精度要求較高，導致吊裝施工的難度較大。對于本工程螺栓球節點的鋼網架而言，傳統滿堂腳手架或整體提升方案都存在不利因素，故項目部綜合考慮后決定采用部分提升后懸挑部分構件散拼的方案，從而既保證了工程施工質量，又縮短了鋼網架的吊裝工期，取得了良好的社會和經濟效益。

本文所采用的技術方案在一定程度中對既有施工方法進行了創新，為類似的曲面鋼網架吊裝工程施工提供一條新的思路。