二次受力轉(zhuǎn)換整體提升焊接球網(wǎng)架施工工法

高碩，晁毅，陳梁靜

（中鐵建工集團有限公司 華北分公司，北京 100170）

0 引言

隨著空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)越來越成熟，空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)被廣泛用作建筑屋蓋，其中空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安裝是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的關(guān)鍵一項。北京朝陽樞紐房建項目中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司生產(chǎn)調(diào)度樓工程（簡稱調(diào)度樓工程）為中國國家鐵路集團有限公司、中國鐵路北京局集團有限公司、中鐵建工集團有限公司重點工程，是世界高鐵大會會議中心，工期要求緊張，其鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架施工是工期控制關(guān)鍵節(jié)點，對施工工法安全性、可靠性提出較高要求。

調(diào)度樓工程鋼結(jié)構(gòu)屋蓋網(wǎng)架為正方四角錐焊接球網(wǎng)架，結(jié)構(gòu)水平投影長66.1 m，寬52.8 m，網(wǎng)架高度3 600～4 524 mm，總計質(zhì)量約285 t，最高點結(jié)構(gòu)標(biāo)高37.7 m；屋面網(wǎng)架支座球中心標(biāo)高36.8 m，屋蓋距離樓面高度約16.0 m。因此，以該調(diào)度樓工程為研究對象，總結(jié)研究其空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，以期對相似工程提供參考借鑒。

1 工法特點和工藝原理

調(diào)度樓工程鋼結(jié)構(gòu)焊接球網(wǎng)架施工采用液壓整體同步提升工藝，在提升過程中通過在混凝土支座位置設(shè)置二次受力轉(zhuǎn)換機構(gòu)實現(xiàn)提升就位后的支座轉(zhuǎn)換。根據(jù)調(diào)度樓結(jié)構(gòu)特點，鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架為4層報告廳頂部樓蓋，其四周將18.5 m高混凝土結(jié)構(gòu)作為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架支座，只有在3層頂板混凝土施工完成后立即開始網(wǎng)架拼裝作業(yè)，才能保證既定工期節(jié)點的實現(xiàn)。故調(diào)度樓工程在施工完成3層頂板第一流水段后便及時插入網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的樓面拼裝工作，可實現(xiàn)后期混凝土結(jié)構(gòu)施工與鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)樓面拼裝的同步進行，并利用混凝土結(jié)構(gòu)作為鋼網(wǎng)架的提升支座，通過在混凝土支座位置安裝二次受力轉(zhuǎn)換機構(gòu)實現(xiàn)網(wǎng)架的提升和卸載，最終在既定工期完成主體結(jié)構(gòu)封頂。

1.1 工法特點

該焊接球網(wǎng)架施工工法適用于中庭空間的鋼網(wǎng)架樓蓋吊裝施工，與其他安裝施工方法相比，具有以下優(yōu)點：

（1）該工法可確保網(wǎng)架在結(jié)構(gòu)面或地面位置拼裝，網(wǎng)架拼裝由高處作業(yè)變?yōu)榈孛孀鳂I(yè)，無需搭設(shè)大體積的滿堂紅腳手架平臺，且網(wǎng)架拼裝可與四周混凝土結(jié)構(gòu)施工同時進行。提高安全系數(shù)，降低措施費用，保證焊接質(zhì)量，節(jié)約人力，加快施工速度，能有效利用場地。

（2）網(wǎng)架整體拼裝完成后，依據(jù)網(wǎng)架單元受力計算，選取部分支座位置焊接臨時桿件及吊點，并在對應(yīng)混凝土支座頂部設(shè)置二次受力轉(zhuǎn)換機構(gòu)，通過轉(zhuǎn)換機構(gòu)實現(xiàn)網(wǎng)架提升、靜停、桿件嵌補、卸載及網(wǎng)架整體受力支座轉(zhuǎn)換。通過工況計算，支座轉(zhuǎn)換前、后均可使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形成整體穩(wěn)定受力體系。

（3）卸載完成后，拆除二次轉(zhuǎn)換機構(gòu)及臨時提升桿件，將吊點處的后補桿件與支座球焊接，通過設(shè)計模型計算吊點位置支座所應(yīng)承受的支座反力，使用液壓千斤頂對支座球施加所需預(yù)頂力，調(diào)校支座位置受力情況，最終使整體網(wǎng)架的受力工況與設(shè)計完全一致。

1.2 工藝原理

球形焊接網(wǎng)架液壓整體同步提升中的關(guān)鍵是吊點選取過程和二次轉(zhuǎn)換機構(gòu)設(shè)置，以及網(wǎng)架提升就位、卸載受力轉(zhuǎn)換完成后個別支座的受力調(diào)校［1-2］。

網(wǎng)架上臨時焊接的提升吊點與上方混凝土結(jié)構(gòu)面上的提升支座選取均通過工況計算確定，非設(shè)計工況下個別桿件受力驗算不通過，可對個別桿件進行替換增強，使網(wǎng)架在提升過程中及支座轉(zhuǎn)換前后均保證網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為整體穩(wěn)定受力體系。

在選取作為混凝土提升支座的位置安裝二次轉(zhuǎn)換機構(gòu)，通過轉(zhuǎn)換機構(gòu)實現(xiàn)網(wǎng)架提升、靜停、桿件嵌補、卸載及網(wǎng)架整體受力支座轉(zhuǎn)換。

支座轉(zhuǎn)換完成后，拆除臨時提升桿件，嵌補剩余桿件環(huán)節(jié)，通過計算原設(shè)計工況下支座處受力，使用液壓千斤頂回頂支座球，對支座球施加經(jīng)設(shè)計復(fù)核的預(yù)頂力，再將支座板和成品支座頂面的間隙距離采用同厚度的鋼板墊緊并進行焊接固定，使卸載后的網(wǎng)架受力工況與設(shè)計完全一致。

2 工藝流程及操作要點

2.1 工藝流程

第1 步：網(wǎng)架拼裝在4 層混凝土樓面施工結(jié)束后開始，與4層豎向混凝土結(jié)構(gòu)同時施工。

第2 步：網(wǎng)架在樓面拼裝完成后進行相關(guān)質(zhì)量檢測、驗收，四周豎向混凝土結(jié)構(gòu)施工完成后加強養(yǎng)護，待混凝土結(jié)構(gòu)強度達(dá)到設(shè)計強度100%。

第3 步：按照施工方案，在原設(shè)計東西兩側(cè)的18 個支座中，選取6 個作為提升吊點，并在北側(cè)增設(shè)2個提升吊點，共計8個提升吊點。

第4 步：在選取的提升吊點柱頂安裝8 個二次受力轉(zhuǎn)換機構(gòu)，并在網(wǎng)架對應(yīng)位置安裝臨時桿件，與吊具連接形成8個吊點。

第5 步：待混凝土達(dá)到設(shè)計強度100%后進入預(yù)提升階段，提升時先提升10 cm，檢查設(shè)備運行數(shù)據(jù)及網(wǎng)架形態(tài)變化，確認(rèn)無誤后靜停12 h。

第6步：靜停12 h后，復(fù)查設(shè)備運行數(shù)據(jù)及網(wǎng)架形態(tài)變化，復(fù)查數(shù)據(jù)確認(rèn)符合要求后，一次性提升至設(shè)計標(biāo)高。

第7 步：鋼網(wǎng)架提升完成后，先安裝除8 個吊點以外的網(wǎng)架構(gòu)件，并連接好未作為吊點的12個支座。

第8步：安裝完畢并驗收合格后對提升裝置同步逐級卸載，卸載完成再拆除8個提升器及二次受力轉(zhuǎn)換機構(gòu)。

第9步：最后將吊點位置的結(jié)構(gòu)桿件及支座安裝就位，并對提升吊點位置的支座及支座球施加預(yù)頂力至設(shè)計值，支座底部轉(zhuǎn)換板與主體埋板間的間隙插入同材質(zhì)鋼板進行焊接。

各流程所需材料設(shè)備見表1。

表1 各流程所需材料設(shè)備

2.2 操作要點

（1）網(wǎng)架吊點布置原則。①在網(wǎng)架設(shè)計支座位置選取適當(dāng)數(shù)量作為網(wǎng)架吊點，選取的吊點在網(wǎng)架提升時作為整體網(wǎng)架的受力點，計算整體網(wǎng)架跨中最大撓度≤L/200（L為網(wǎng)架跨度），吊點作為支座時，計算全部桿件應(yīng)力比≤1。如桿件應(yīng)力比不符合要求，需進行桿件替換以滿足應(yīng)力比要求［3］。②吊點以外的網(wǎng)架支座在受力承托網(wǎng)架整體時，要求整體網(wǎng)架跨中最大撓度≤L/200（L為網(wǎng)架跨度），全部桿件應(yīng)力比≤1，如不滿足，需調(diào)整吊點選取數(shù)量，或通過少量桿件替換補強以滿足要求。

（2）網(wǎng)架吊點的布置。根據(jù)屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特點與網(wǎng)架單元受力演算模擬分析，主要在網(wǎng)架兩端設(shè)置提升吊點，總計設(shè)置8個吊點進行整體提升（見圖1）。

圖1 網(wǎng)架提升吊點布置

（3）提升工況下的施工模擬計算。網(wǎng)架提升采用通用有限元分析軟件SAP2000V14.1及3D3S軟件進行模擬計算，單個連廊提升共設(shè)置8個提升吊點。因提升工況與結(jié)構(gòu)設(shè)計使用工況有所不同，需對結(jié)構(gòu)進行提升工況分析，采用SAP2000和3D3S對結(jié)構(gòu)進行模擬分析，按照壓彎桿件進行設(shè)計，在吊點處進行豎向約束加水平向彈簧約束，彈簧剛度取0.000 1 kN/mm（可忽略不計），荷載為結(jié)構(gòu)自重（考慮桿件和球總重2 850 kN，馬道、支托及吊頂主龍骨250 kN），自重放大系數(shù)取1.1（主要用于考慮節(jié)點及加勁板自重），驗算結(jié)構(gòu)強度荷載組合采用1.4（安全系數(shù)）×1.2（考慮不同步）×（恒荷載）；驗算變形采用1.0×（恒荷載）［4］。

采用SAP2000模擬網(wǎng)架整體提升工況，結(jié)構(gòu)主要受力情況見圖2。提升工況下，網(wǎng)架跨中最大下?lián)霞s40 mm（滿足規(guī)范要求L/200=264 mm），吊點反力值最大約549 kN，68 根結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比不符合要求，需要進行更換。通過更換68 根桿件，提升工況下，網(wǎng)架跨中最大下?lián)霞s39 mm（滿足規(guī)范要求L/200=264 mm），吊點反力值最大約557 kN，桿件應(yīng)力比在0.8 以下，滿足提升要求，桿件更換后結(jié)構(gòu)受力情況見圖3；更換前桿件總荷載3 163 kN，更換后桿件總荷載3 180 kN，荷載增加17 kN。采用3D3S軟件對提升工況下的焊接球構(gòu)造及應(yīng)力進行計算，結(jié)果表明原設(shè)計截面能滿足提升工況下的受力［5］。

圖2 結(jié)構(gòu)主要受力情況

圖3 桿件更換后結(jié)構(gòu)受力情況

2.2.2 二次受力轉(zhuǎn)換機構(gòu)設(shè)置及提升裝置選取

（1）二次受力轉(zhuǎn)換機構(gòu)設(shè)置。根據(jù)框架柱和網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)特點與網(wǎng)架單元受力演算模擬分析，設(shè)置8個轉(zhuǎn)換機構(gòu)，結(jié)構(gòu)本身受力驗算符合設(shè)計要求，滿足現(xiàn)場提升條件，二次受力轉(zhuǎn)換機構(gòu)布置平面見圖4，桿件參數(shù)見表2。

并發(fā)癥情況：A組出現(xiàn)10例（33.33%）并發(fā)癥，其中7例為切口愈合不良，2例為神經(jīng)根損傷，1例為椎板關(guān)節(jié)突螺釘完全進入椎管致馬尾神經(jīng)損傷；B組出現(xiàn)2例（6.67%）并發(fā)癥，其中1例為硬膜囊破裂，1例為椎弓根骨折；C組出現(xiàn)1例（3.33%）并發(fā)癥，為硬膜囊破裂；D組出現(xiàn)3例（2.94%）并發(fā)癥，1例為發(fā)生遲發(fā)性椎管內(nèi)血腫，1例為遲發(fā)性切口感染，1例為終板損傷。置釘失敗例數(shù)A組為6.66%，B組、C組均為3.33%，D組為0.98%。

（2）吊點臨時桿件（見圖5）與提升下吊具設(shè)置。調(diào)度樓工程使用2種下吊具，分別是60 t提升器（B軸、G軸、J軸）和200 t提升器（D軸）使用的下吊具。

2.2.3 網(wǎng)架提升

為確保結(jié)構(gòu)單元及主樓結(jié)構(gòu)提升過程的平穩(wěn)、安全，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)特性，采用“吊點油壓均衡，結(jié)構(gòu)姿態(tài)調(diào)整，位移同步控制，分級卸載就位”的同步提升和卸載落位控制策略。

表2 二次受力轉(zhuǎn)換機構(gòu)桿件參數(shù)

（1）姿態(tài)檢測調(diào)整。用測量儀器檢測各吊點的離地距離，計算出各吊點相對高差。通過液壓提升系統(tǒng)設(shè)備調(diào)整各吊點高度，使結(jié)構(gòu)達(dá)到水平姿態(tài)。

（2）整體同步提升。以調(diào)整后的各吊點高度為新的起始位置，復(fù)位位移傳感器。在結(jié)構(gòu)整體提升過程中，保持該姿態(tài)直至提升到設(shè)計標(biāo)高附近。不同步的控制值控制在≤20 mm。在提升階段同時在各吊點共計8個點位附近采用人工輔助檢查，通過水平儀測量網(wǎng)架整體提升時，各吊點處不同步值是否在控制值之內(nèi)，當(dāng)超過不同步值，暫停向上提升，并對該處吊點進行檢測并排除問題后方可繼續(xù)提升。

（3）提升速度。整體提升施工過程中，影響構(gòu)件提升速度的因素主要有液壓油管的長度及泵站的配置數(shù)量，按照該方案的設(shè)備配置，整體提升速度約10 m/h。

圖5 吊點臨時桿件

（4）提升過程的微調(diào)。結(jié)構(gòu)在提升及下降過程中，因為空中姿態(tài)調(diào)整和桿件對口等需要進行高度微調(diào)。在微調(diào)開始前，將計算機同步控制系統(tǒng)由自動模式切換成手動模式。根據(jù)需要，對整個液壓提升系統(tǒng)中各個吊點的液壓提升器進行同步微動（上升或下降），或?qū)闻_液壓提升器進行微動調(diào)整。微動即點動調(diào)整精度可以達(dá)到毫米級，完全可以滿足網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)單元安裝的精度需要。

（5）同步觀測。鋼絞線位置懸有鋼尺，網(wǎng)架提升高度可通過鋼尺刻度直接讀出，當(dāng)發(fā)現(xiàn)提升過程出現(xiàn)高度差異時，將立即進行統(tǒng)一調(diào)整。

2.2.4 桿件嵌補與網(wǎng)架支座轉(zhuǎn)換

（1）桿件嵌補。網(wǎng)架提升就位后，將吊點以外的支座網(wǎng)架及連接構(gòu)件全部安裝就位。

（2）網(wǎng)架支座轉(zhuǎn)換。采用SAP2000 模擬提升吊點以外的網(wǎng)架支座受力時網(wǎng)架的整體工況及網(wǎng)架整體在連接桿已安裝就位情況下卸載8個臨時提升吊點時的整體工況，結(jié)構(gòu)主要受力情況見圖6。

圖6 卸載時結(jié)構(gòu)主要受力情況

該工況下，網(wǎng)架跨中最大下?lián)霞s35.9 mm（滿足規(guī)范要求L/200=264 mm），吊點反力值最大約420 kN，結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比均≤1，滿足要求。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)提升至設(shè)計高度后在吊點外的其他支座處安裝桿件及支座，桿件及支座安裝就位后，通過吊點同步逐級卸載達(dá)成網(wǎng)架支座轉(zhuǎn)換，通過工況計算，支座轉(zhuǎn)換前后均可使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形成整體穩(wěn)定受力體系。

2.2.5 提升吊點拆除與吊點位置處預(yù)頂力施加

根據(jù)網(wǎng)架計算模型，原作為吊點的支座所應(yīng)承受的支座反力見圖7。拆除二次受力轉(zhuǎn)換機構(gòu)、臨時吊點及臨時桿件，嵌補吊點處的桿件，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計受力模型計算，將設(shè)計工況下支座處承受的支座反力作為向該支座處施加的預(yù)頂力，使用液壓千斤頂回頂支座對支座球施加經(jīng)設(shè)計復(fù)核的預(yù)頂力，再對支座預(yù)埋板和支座頂面的間隙距離采用相同厚度的鋼板墊緊并進行焊接固定，使完成后的網(wǎng)架受力工況與設(shè)計一致。

圖7 支座反力

3 質(zhì)量控制

（1）網(wǎng)架軸線控制。為確保支座安裝的準(zhǔn)確性，網(wǎng)架整體吊裝的軸線必須嚴(yán)格控制。①地面拼裝網(wǎng)架時嚴(yán)格控制邊支座的平面幾何尺寸。考慮到網(wǎng)架拼裝時，柱子施工已完成，因此應(yīng)以柱子中心線作為網(wǎng)架拼裝時邊支座的中心線，以清除基礎(chǔ)施工、放線、柱子安裝與基礎(chǔ)軸線的誤差積累。②網(wǎng)架拼裝完成后，實測網(wǎng)架邊支座和與之對應(yīng)的柱子中心線偏差值，繪制出網(wǎng)架拼裝誤差圖。

將柱頂實際位置與網(wǎng)架拼裝誤差圖進行對比分析，綜合考慮誤差大小和方向，找出網(wǎng)架實際應(yīng)該安裝的位置，畫出網(wǎng)架安裝迭合圖。網(wǎng)架安裝就位按迭合圖上所注尺寸進行安裝。

（2）提升過程中網(wǎng)架撓度控制。通過檢查復(fù)測記錄和試驗報告對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在自重及屋面工程完成后的撓度值進行對比。

4 安全和環(huán)保措施

4.1 安全措施

（1）提升前檢查。在提升前，對提升裝置進行如下檢查：①檢查提升裝置是否符合設(shè)計要求，檢查油管的規(guī)格型號是否符合要求；待網(wǎng)架提升起來后對提升點處的纜風(fēng)繩進行緊固，檢查垂直度及提升裝置底座狀況，保證提升裝置質(zhì)量。②檢查網(wǎng)架臨時提升吊點焊縫處是否完好，有無裂痕、銹蝕等，以保證施工時滑輪運轉(zhuǎn)流暢［6-7］。③檢查鋼絞線材質(zhì)、規(guī)格是否符合要求，長度是否滿足施工要求，以及有無斷裂點及腐蝕點。④檢查繩卡、繩扣、纜風(fēng)繩規(guī)格是否符合要求，是否有損壞，以保證施工安全性。⑤檢查地錨是否埋設(shè)牢固，以及地錨與纜風(fēng)繩的接頭部位是否牢固。⑥對其他設(shè)備進行全面檢查，保證每件施工設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。

（2）提升中檢查。在提升過程中，對下列情況進行監(jiān)控：①臨時吊點位置、形變、鋼絞線垂直度、鋼絞線連接是否穩(wěn)固。②液壓提升器的運轉(zhuǎn)是否正常，運動軌跡是否存在障礙，如出現(xiàn)障礙應(yīng)及時清理。③液壓提升器上設(shè)置拉力計，隨時監(jiān)控提升進程中跑繩拉力的變化。④檢查繩卡、繩扣是否卡緊、扣緊，安排專人巡視檢查，堅決杜絕無關(guān)人員接觸繩卡、繩扣。⑤鋼絞線的受力狀況。通過拉力計及觀測固定在地錨一端繩夾的夾緊狀況，確定鋼絞線的受力狀況。⑥觀測地錨有無松動，安排人員24 h 監(jiān)控。出現(xiàn)任何異常立即停止提升，各泵源控制閥自動關(guān)閉，提升器液壓鎖自動鎖緊；立即分析問題原因，迅速解決問題。解決不了的問題要及時上報，待問題解決后方可繼續(xù)施工。

4.2 環(huán)保措施

（1）施工用廢機油及電焊產(chǎn)生的焊渣、廢料應(yīng)集中存放、回收、清運。

（2）施工現(xiàn)場應(yīng)做到活完、料凈、場地清。

（3）設(shè)備、材料放置安全合理，施工現(xiàn)場無違章作業(yè)。

5 效益分析

（1）該工法使用的物料屬于周轉(zhuǎn)性物料，液壓提升器拆除后仍可重復(fù)使用，每次使用只需花費提升器組裝和提升操作的人工費，成本低，且經(jīng)濟適用。按照傳統(tǒng)搭設(shè)滿堂紅腳手架進行高空散拼的費用包括腳手架搭設(shè)人工費+腳手架材料租賃費，合計49.3+96.5=145.8 萬元，調(diào)度樓工程采用整體提升工藝費用為44.3 萬元，節(jié)約成本約101.5萬元。

（2）該工法在網(wǎng)架拼裝的同時可進行周圍混凝土結(jié)構(gòu)支座的施工及提升裝置的安裝，能有效提高工效，縮短工期。

（3）使用該工法施工時，網(wǎng)架只需在地面進行整體拼裝，避免高空作業(yè)，可提高工效、縮短工期、保證質(zhì)量，并有效降低施工安全風(fēng)險。

（4）該工法所用機具屬于工具化操作，簡單易學(xué)，便于操作，穩(wěn)定性好。

6 結(jié)束語

通過調(diào)度樓工程鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架施工的實踐，證實對于中庭空間的鋼網(wǎng)架樓蓋吊裝施工，網(wǎng)架支座二次受力轉(zhuǎn)換整體提升技術(shù)簡單實用、經(jīng)濟有效、安全可靠、節(jié)省工期，可在類似工程中推廣應(yīng)用。