學校體育看臺單鋼柱鋼結構張拉體系模塊化施工技術

李相彬 劉 輝 陳 希 尚中蘇 昌玉春

1 工程概況

某工程主要包括3 座綜合教學樓、多棟教學用房以及1 棟體育看臺，地上建筑物共7 座。其中，體育看臺下部為現澆混凝土框架剪力墻結構，上部屋蓋體系由單桿懸挑鋼結構支撐體系與膜結構組成。為滿足使用功能及美觀要求，“鋼結構+膜結構”屋蓋呈波形峰狀，頂點最大高度為20.88 m，最寬懸挑跨度為16.5 m，水平投影面積為2 086.5 m2，總用鋼量為79.5 t。

2 施工難點和要點

（1）測量定位要求高。整個鋼結構工程分為廠內制作和現場拼裝兩個階段，即在廠內完成所有制作過程后，將所有構件運至工程現場進行地面組裝、焊接、涂裝以及驗收等工序，再將構件直接吊裝到位，定位懸挑承重立柱的精度。

（2）受氣候影響大。整個施工體系中，受力情況不均勻，在風荷載、雪荷載等外在因素影響下，很可能造成嚴重的安全事故。因此，施工過程中需要提高拉結體系的安全性，保證整個施工過程順利進行。另外，在風力超過3 級且氣溫低于4 ℃時不宜安裝膜單元，必要時需中止安裝并采取防護措施。

（3）安裝質量難以控制。整個體系懸挑長度為16.5 m，為超長懸挑結構，橫向跨度最大處為8.4 m。施工過程中用汽車吊將各模塊吊至看臺上部后進行模塊間的焊接或鉚接，由于主桁架、次桁架尺寸和膜結構尺寸都已確定，因此現場各模塊的組裝精度要求較高。

3 操作要點及工藝

3.1 施工準備

（1）技術準備。本施工工程為“鋼結構+膜結構”體系，鋼結構的施工質量尤為重要。施工前構建“鋼結構+膜結構”體系模型，工作人員根據模型深化各構件尺寸，出具深化設計圖和構件尺寸表，上報到監理單位、設計單位以及建設單位，待這些部門的負責人簽字確認后，再組織部門有關人員設計施工圖紙并深化設計方案。復核時則需要采用新型技術，審查加工定貨有無特殊要求，合理控制施工成本，制定健全的供料計劃，編制施工圖預算和施工預算。同時，項目部技術負責人應依據施工規范和設計要求，向各施工班組進行安全技術交底工作[1]。

（2）現場準備。首先，根據圖紙對基礎軸線、標高和地腳螺栓進行技術復核；其次，鋼柱安裝前基礎混凝土強度必須達到設計要求；再次，檢查地腳螺栓的外露情況，若有彎曲變形、螺牙損壞，則必須進行修正；最后，完成施工現場構件堆放區、材料加工區以及機械吊裝位置的整平硬化工作，并完成臨水、臨電、臨時設施的設置工作。

（3）機械用具選型準備。機具設備在進場前，要提前進行維修保養工作，保證設備的機械完整性，并組織機械和配套機具進行組裝調試，實現施工機械檢驗工作。同時，工作人員在正式施工前要利用試焊接流程，核對施工工藝、施工設備設備與技術是否滿足后期施工要求，當發現其無法滿足施工要求時要聯合有關部門進行研究，并采取合理措施來解決問題[2]。

（4）材料準備。在材料準備環節，工作人員要根據設計圖紙要求選擇材料品種和規格，并結合實際情況編制材料供應計劃，進一步確定材料來源渠道，掌握合理進場時機。同時，要保證購進材料的品種、規格等要素滿足工程要求，并確保產品合格證、質量證明書和產品復試報告三證齊全。工作人員還可進一步細化采購、保管、制作安裝以及使用等環節，安排專業人員負責上述流程，明確分工、理清責任，整理完整的質量記錄資料，保證材料質量能滿足日常使用要求。而對于日常使用的材料，如鋼管、焊接材料、防銹漆等原材料，要做好檢查驗收和復測工作，合理編制試驗計劃。

（5）人員準備。在選擇勞務隊伍時，盡可能選擇具有豐富工程施工經驗的隊伍，確保所有工作人員能持證上崗，保證所有工作能順利進行[3]。

3.2 構件廠內模塊化拼裝

根據設計圖紙和深化圖紙要求，工作人員要將整體膜結構體系分為鋼柱、主桁架模塊、次桁架模塊以及膜結構模塊等環節。同時，要嚴格遵循模塊施工標準進行焊接拼裝工作。

由于本工程的鋼構件長度為6 m，因此施工時要采用對接方式。在對接前要在管子車床上加工構件，再利用專用胎架對接焊接桿件，從而保證對接焊縫質量達到行業標準。鋼管桿件下料采用HID-600EH 和HID-300ES 兩種等離子火焰管材數控切割機進行相貫面切割下料，下料切割、剖口等操作流程全部由計算機控制，其誤差率控制在2 mm 以內。弧形鋼管主要來自長冶鍛壓設備廠，由CDW24Y-500 冷彎立體全功能數控彎管機加工而成。因此在彎曲加工前，一旦發現其中存在嚴重偏差，要及時進行矯正，保證材料中不會出現凹痕、缺口等明顯問題[4]。

焊接時要嚴格按焊接工藝要求進行操作，保證焊接質量達到行業標準，減少焊接變形、應力等問題。同時，在焊接中可利用手工電弧焊，可采用φ3.2 焊條；在焊接壁較厚時，可采用φ4 焊條。另外，鋼管均加襯管焊接，襯管內徑不小于1 mm，長度不小于40 mm；鋼管焊接前在焊道剖口處用砂輪機打磨干凈，徹底清除污物后方可焊接。管道焊接基礎數據如表1 所示。

表1 管道焊接基礎數據

3.3 鋼柱及主桁架模塊安裝與校正

首先，鋼柱及主桁架模塊吊裝前應再次檢查基礎軸線和標高是否準確無誤，柱腳螺栓上的螺帽和墊鐵是否安裝到位，柱腳板與鋼柱焊縫、鋼柱與主桁架焊縫、斜拉桿焊縫經探傷檢測是否合格。其次，為了防止鋼柱及主桁架模塊發生變形，綁扎點必須在節點處，同時,為了避免與其他構件發生碰撞，吊裝前兩端應綁扎溜繩，隨吊隨放松，以保證位置正確。鋼柱及主桁架模塊吊裝示意圖如圖1 所示。最后，吊裝就位以后，當柱腳距地腳螺栓30 ～40 cm 時扶正，使柱腳的安裝孔對準螺栓，緩慢落鉤就位，經過初校待垂直偏差在20 mm 內擰緊螺栓，將鋼柱及主桁架模塊尾部臨時固定即可脫鉤。

圖1 鋼柱及主桁架模塊吊裝示意圖（來源：網絡）

需要注意的是，鋼柱和主桁架模塊要經過工作人員首次校正，將垂直度偏差控制在合理范圍內才能進行重機脫鉤操作，而在鋼柱垂直度校正環節，工作人員要提前準備兩臺經緯儀，并在上測點安裝柱頂。同時，在調整經緯儀架設位置時，要保證望遠鏡和觀測面處于垂直狀態，如果鋼柱位置出現偏差，那么工作人員要利用兩個撐桿進行校正，并觀察柱底部和標高控制塊間是否出現脫空問題，避免鋼柱出現位移現象，待鋼柱位置滿足基本要求后才能緊固螺栓[5]。

3.4 拉結固定

利用正式拉桿與正式錨板進行拉結固定。采用正式拉桿連接前，先在施工過程中形成臨時固結，待體系轉換時再將臨時固結轉換為正式拉桿連接，進而形成最終的受力體系。而正式錨板埋設時應采用圖紙中規定的設計材料，待完成驗收后方可使用[6]。

3.5 次桁架模塊安裝與校正

模塊化拼裝后進入吊裝工序，吊點采用專用吊耳進行4 點綁扎，應用軟材料墊入其中以防鋼構件受損。起吊時，工作人員要提前將鋼梁吊離地面50 cm左右，保證鋼梁中心點和安裝中心位置能相互連接，然后緩慢提高吊鉤高度將鋼梁上升至柱頂位置，再對準柱頂并落鉤到指定位置。

需要注意的是，在整個落鉤過程中，工作人員要保持構件勻速下降，在屋架和柱頂剛交叉時立即暫停，將螺栓對準提前預留的螺栓孔，并將其扭緊固定。單跨吊裝完成示意如圖2 所示。

圖2 單跨吊裝完成示意圖（來源：網絡）

3.6 柱腳板二次灌漿

第一，支設模板前應檢查柱腳螺栓、主桁架與次桁架間的連接螺栓是否擰緊，并確認抗剪鍵、高強度灌漿料的強度是否滿足設計要求以及資料是否齊全等。確認無誤后再進行試驗灌漿，復核強度、密實度是否達到設計要求。第二，模板封閉前應檢查新舊接合面是否鑿毛、清洗；模板按照柱腳板長度支設，且支設標高應高出柱腳板表面50 mm；模板拼縫處采用海綿條封堵，保證支設嚴密、穩固，以防松動、漏漿。第三，二次灌漿前應檢查驗收柱底板清理情況及模板支設情況，并查看模板表面是否濕潤，驗收合格后方可進行二次灌漿施工。第四，高強度灌漿料嚴格按照使用說明拌合，機械攪拌2 ～3 min，人工攪拌5 min，每次攪拌量應視使用量而定。灌漿時，將攪拌均勻的灌漿料從一個方向灌入灌漿部位，必要時可借助竹條或鋼釬導流，并可適當輕輕敲打模板，直到從另一側溢出為止，不得從四周同時灌漿[7]。

3.7 體系轉換

首先，體系轉換前檢查柱腳板二次灌漿強度，并檢查每根臨時拉結桿的情況，在無較大變形應力的情況下安裝正式拉桿。其次，正式拉桿安裝完成后，逐漸將臨時拉桿與錨固板松開，并復核體系的垂直度，檢查正式拉桿與錨固板的變形情況。最后，將臨時拉桿與花籃螺栓連接形成正式拉桿，1 道拉桿受力后，安裝花籃拉桿形成2 道拉桿保護，2 道拉桿通過花籃螺栓擰緊，形成安全受力體系，有效提高懸挑膜結構體系的穩定性[8]。

4 結語

輕型鋼結構屋蓋具有設計精巧、新穎等特征，但結構形式較復雜，且對安裝精度要求較高。因此，工作人員要提高對設計階段的重視程度，結合現場實際情況優化設計階段的梁布置等方面，為提升建設質量打下堅實基礎。同時，在施工階段可制定科學的施工方案，利用三維掃描與全站定位控制等技術設置精細的安裝工序，避免出現誤差累積問題，提高工程安裝精度。