CN111395532B - 大跨度半开口椭圆球面网壳安装施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大跨度半开口椭圆球面单层网壳钢结构安装施工方法，钢结构桁架拼装、焊接、变形控制、定位及标高控制、支架支撑方法，相关安全技术措施到位，可以确保施工安全，提高了钢结构安装质量，优化了钢结构拼装、焊接施工资源配置。以解决目前大跨度网壳结构施工成本极高，施工效率低，且安全隐患大的问题。属于房建施工钢结构工程领域。

Description

大跨度半开口椭圆球面网壳安装施工方法

技术领域

本发明涉及一种大跨度半开口椭圆球面单层网壳钢结构安装施工方法，属于房建施工钢结构工程领域。

背景技术

随着社会的进步以及经济和科学技术的发展，人们的生活追求和审美观念越来越高，一些造型更加新型的建筑物结构应运而生，近年来，一种曲面网壳结构的大跨度(跨度一般在20-40米以上)单层网壳钢结构逐渐成为诸多新颖建筑造型中的代表者，并逐渐被效仿。

目前，国内大部分网架在施工过程中采用整体或分单元在地面拼装后再吊装方法，而攀岩馆占地面积大，结构形式为单层网格弧形结构，杆件截面相对较小，结构刚度也较弱，最大区域结构跨度达46.2米，焊接工作量大，制作、安装质量要求高，如果用地面拼装再吊装的方法不仅在施工工艺上、现场结构形式、施工进度上都很难达到预期的目的，亟需加以解决。

发明内容

本发明提供一种大跨度半开口椭圆球面单层网壳钢结构安装施工方法，以解决目前类似攀岩馆的这种大跨度网壳结构施工焊接工作量大，制作、安装质量要求高，采用现有方法施工效率低，且安全隐患大等问题。

为解决上述问题，拟采用这样一种大跨度半开口椭圆球面单层网壳钢结构安装施工方法，所述大跨度半开口椭圆球面单层网壳钢结构由上下交错设置的下部壳体1、上部壳体2和沿竖向连接下部壳体1和上部壳体2的中间管桁架3组成，下部壳体1和上部壳体2为两个半开口的球面网壳，其具体方法如下：

1)设计阶段风动动态测压试验

针对大跨度半开口椭圆球面单层网壳钢结构进行风动动态测压试验，满足相关标准后再进行后续步骤；

2)网架结构施工仿真模拟验算

对施工过程进行仿真分析，符合要求后进行后续步骤；

3)工厂构件深化、加工

利用三维钢结构软件将图纸理论坐标与现场土建实际结构尺寸相结合，均分消除每单元分格的误差，建立整个弧形钢结构模型，然后导出每根杆件的零件切割加工图，进行各部件加工；

4)脚手架搭设

为完成上下壳体钢结构散拼安装施工，在壳体预安装位置的下部搭设钢管扣件式操作平台架；

5)网壳安装施工

5.1下部管桁架施工，先采用搭设胎架地面拼装方式组装中间管桁架内的下部管桁架，再进行翻转、起立后吊至吊装位置进行安装；

5.2下部网壳安装，在下部壳体预安装位置安装下壳体抗震支座，并在抗震支座上施工下部网壳的底部环管，并由下至上依次施工中层环管和顶部环管，并同步施工连接相邻上下层环管之间的腹杆；

5.3上部管桁架施工，先采用搭设胎架地面拼装方式组装中间管桁架内的上部管桁架，再进行翻转、起立后吊至吊装位置进行安装；

5.4上部网壳安装，同下部网壳安装方法一致；

5.5上部管桁架与下部管桁架之间的腹杆单元安装，该腹杆单元为高空散装；

6)脚手架拆除。

中间管桁架的腹杆单元安装方法：

第一步：在地面拼装腹杆单元；

第二步：从两侧向内安装最外侧腹杆单元，采用现场塔吊吊装至指定位置，并进行校正、固定及加固，安装斜支撑加固腹杆单元和下部管桁架；

第三步：向内安装第二组腹杆单元，吊装至指定位置，并进行校正、固定及加固，同样安装斜支撑；

第四步：安装第一组和第二组腹杆单元之间的连接杆，检查是否按图纸要求安装，第一、二组腹杆单元连接杆安装完成，拆除斜支撑；

第五步：按以上第二步至第四步，完成剩余中间腹杆单元的安装工作。

与现有技术相比，本发明所述方法施工方便快捷，能够在现场快速实施，大幅降低了大跨度弧形主桁架的现场焊接制作难度，其翻转立身吊放采用双机抬吊、空中翻转回直、多机合力抬吊安装的方法，对场地平整度和场所宽度要求低，且操作过程较简单，施工成本低，效率高，相关安全技术措施到位，可以确保施工安全，提高了大跨度弧形主桁架加工质量，优化了大跨度弧形主桁架制作、整体吊装施工资源配置，创造了良好的经济效益，总结形成的关键技术在清镇体育训练基地项目攀岩馆钢结构屋面安装成功应用，为今后类似大跨度弧形桁架、施工困难、安全风险系数较大、施工工期紧张等施工条件建设提供了参考和借鉴，具有重要的现实意义。

以清镇市体育训练基地攀岩馆施工为例，本项目攀岩馆屋面为跨度弧形钢结构网架屋面，上下网壳结构通过大跨度弧形钢结构连接，弧形主桁架矢高9m、跨度46.2m、宽3.4m，吊装重量达48.72吨，大跨度弧形主桁架的安装成为本工程的关键工序：

1)从施工时间上分析：本工程若采用满堂架操作平台空中散拼安装施工方法，搭设满堂支撑架的时间较长，空中散拼焊接施工进度较慢，增加焊缝检测难度，为保证施工质量，须加长焊缝检测时间，增加项目部管服经费支出，相比采用满堂架操作平台空中散拼安装施工方法，本发明所述方法能够大幅缩短大跨度弧形主桁架制安施工工期，减少制作安装成本投入，单块大跨度弧形主桁架地面平躺焊接可实现杆件13日焊接完成，焊接重总量48.72t，焊接缝总长度1463m，平均每日完成3.75t，平均每日完成焊缝112.53m，主桁架整体吊装空中多机接力合吊的施工方法，可实现主桁架4小时的吊装安装就位，由传统的满堂支撑架空中散装焊接安装施工工艺的完成1.5t/日至3.75t/日、焊缝完成长度完成37.51m/日至112.53m/日(大跨度弧形主桁架钢结构空中翻转、多机合力抬吊安装方法)，节约工期2个月，加快了施工进度。对比传统施工方法(满堂架操作平台空中散拼安装施工方法)，则共节约91.34万元。

2)从材料使用上分析：满堂架操作平台空中散拼安装施工方法，每段大跨度弧形主桁架施工时需满堂架搭设体量为2031.36m³，整个网架结构共2个施工段，共节约满堂架搭设体量4062.72m³，按12.6元/m³计算，采用无胎架地面焊接拼装施工方法则共节约搭设费用51190.27元。

附图说明

图1是本发明所述攀岩馆屋面钢结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照附图对本发明作进一步的详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

以清镇市体育训练基地攀岩馆为例，攀岩馆屋面钢结构：造型为两个半开口的球面网壳，分为上部壳体1，中部管桁架3，下部壳体2三部分，长轴跨度为46.2m，矢高9m，上部单层网壳部分杆件连接为相贯节点，桁架支承形式为点支承，支座采用固定铰支座和双向滑动铰支座。中间管桁架部分高度31.7米，分两个部分吊装(下部CD管桁架和上部AB管桁架)及中部腹杆散拼，下部C D管桁架重42吨(地面拼装后整体吊装)，中部共15个腹杆单元平均重0.85吨(CD管桁架吊装完成后，在CD管桁架上散拼完成)，上部分AB管桁架重40吨(中部15个腹杆单元散拼完成后，地面拼装完成整体吊装)。下部壳体结构最大高度21米，重量为47.44吨(CD桁架吊装就位后，下部壳体在钢管脚手架作业平台散装焊接完成)。上部壳体最大高度31.7米，重量45.5吨(AB桁架吊装就位后，上部壳体在钢管脚手架作业平台散装焊接完成)。

上、下壳体结构的安装自下向上，依次安装a、b、c、d、e、f、g环管(见图1)，各环管各段安装中同时安装下部的腹杆。

具体工艺流程如下：

1)设计阶段风动动态测压试验

攀岩馆钢结构屋面跨度大，风荷载作用与建筑物会产生明显的三维荷载效应，在三维动力荷载的作用下，钢结构屋面在顺风向、横风向和扭转方向会产生振动，这种振动会反过来影响风场的分部、使得风荷载对网壳屋面的作用变得更加复杂。虽然至今没有出现过建筑因大风作用倒塌的实例，但是在强风作用下导致居住者感到不适的情况时有发生。因此，在攀岩馆钢结构屋面设计初期，进行风动试验，为设计提供了坚实的理论依据，满足相关标准后再进行后续步骤；

2)网架结构施工仿真模拟验算

原始设计方法都是以竣工后的整体结构为分析对象，将荷载一次性施加在结构上进行计算，而结构的形成过程总是从局部到整体的动态累积过程，不同的施工阶段有不同的结构形态和受力特性，边界条件和荷载条件也在发生变化。结构安装的每一个阶段都是一个平衡状态，继续安装时，上一阶段的平衡就会打破，通过变形协调和内力重分布形成一个新的平衡；因此结构最终形成的内力和变形是整个施工过程中各个阶段的内力、位移不断累积而形成的。因此通过3D3S对结构施工过程进行仿真分析很有必要，符合要求后进行后续步骤；

3)工厂构件深化、加工

利用三维钢结构Tekla Structures软件将图纸理论坐标与现场土建实际结构尺寸相结合，均分消除每单元分格的误差，建立整个弧形钢结构模型，然后导出每根杆件的零件切割加工图，进行各部件加工，整体建模的方法可确保杆件几何尺寸的准确性，同时，软件从整个模型全局出发，下料时尽可能充分合理利用钢材，减少切割损耗和余料浪费，提高钢材利用率；

4)脚手架搭设

为完成上下壳体钢结构散拼安装施工，在壳体预安装位置的下部搭设钢管扣件式操作平台架；

5)网壳安装施工

5.1CD管桁架安装施工，CD管桁架矢高9m，现场桁架采用搭设胎架地面拼装方式组装，该桁架吊装前平躺于地面，先进行翻转、起立后吊至吊装预备位置才能进行后续吊装。

在地面拼装前，先硬化拼装工场地，再用1.5mm钢板对桁架部分进行精平，精平后再按照图纸要求将CD桁架D面放样到精平后钢板上面，再按照放样线进行焊接D面管材，焊接完成后再采用三角钢板将D面管材与精平钢板固定；

CD管桁架D面拼装完成后采用25T汽车吊将D面管桁架放置于已经拼装完成胎架上，再焊接CD管桁架中间管材，中间管材通过龙门架外加葫芦协同配合吊装到指定位置后，再用线锤控制立杆垂直度，待垂直度调整至合适位置后焊接稳定。立杆焊接后再焊接CD管C面管桁架，同时再焊接CD管桁架中间斜杆，确保整体稳定性。至此，按照节点逐一焊接完成CD管桁架；

5.2下部网壳安装，在下部壳体预安装位置安装下壳体抗震支座，并在抗震支座上施工下部网壳的底部环管，并由下至上依次施工中层环管和顶部环管，并同步施工连接相邻上下层环管之间的腹杆；

5.3上部AB段管桁架施工，该部分施工方法与下部CD管桁架施工一致，AB管桁架地面拼装完成后吊至22.7m标高处。在吊装前，按照图纸要求定位AB管桁架支座，并复核与下部CD管桁架轴线一致。待AB管桁架与支座轴线一致，且保持水平后吊车再轻放支座之上，并焊接固定到位；

5.4上部网壳安装，同下部网壳安装工序一致；

5.5上部管桁架与下部管桁架之间的腹杆单元安装，AB与CD桁架间15榀腹杆单元为高空散装，采用现场中联TC6012塔吊进行起吊、拼装，每个单元平均重0.85吨，桁架宽3.4m，高8.2m，最远吊装半径47.7m米，塔吊48米载荷最大1.6t，满足吊装安全；

中间管桁架的腹杆单元安装方法：

第一步：在地面拼装腹杆单元；

第二步：从两侧向内安装最外侧腹杆单元，采用现场塔吊吊装至指定位置，并进行校正、固定及加固，安装斜支撑加固腹杆单元和下部管桁架；

第三步：向内安装第二组腹杆单元，吊装至指定位置，并进行校正、固定及加固，同样安装斜支撑；

第四步：安装第一组和第二组腹杆单元之间的连接杆，检查是否按图纸要求安装，第一、二组腹杆单元连接杆安装完成，拆除斜支撑；

第五步：按以上第二步至第四步，完成剩余中间腹杆单元的安装工作。

6)脚手架拆除

完成下层、上层壳体结构的安装后，整个屋面网架形成完整受力体系，由b管位置开始由下至上拆除，每层环管从两侧向中部拆除下部支撑钢管，每拆除一层，检测监控点的变形情况，待无误后可继续拆除。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.大跨度半开口椭圆球面网壳安装施工方法，其特征在于，具体方法如下：

1）设计阶段风动动态测压试验

针对大跨度半开口椭圆球面单层网壳钢结构进行风动动态测压试验，满足相关标准后再进行后续步骤；

2）网架结构施工仿真模拟验算

对施工过程进行仿真分析，符合要求后进行后续步骤；

3）工厂构件深化、加工

利用三维钢结构软件将图纸理论坐标与现场土建实际结构尺寸相结合，均分消除每单元分格的误差，建立整个弧形钢结构模型，然后导出每根杆件的零件切割加工图，进行各部件加工；

4）脚手架搭设

在壳体预安装位置的下部搭设钢管扣件式操作平台架；

5）网壳安装施工

5.1 下部管桁架施工，先采用搭设胎架地面拼装方式组装中间管桁架内的下部管桁架，再进行翻转、起立后吊至吊装位置进行安装；

5.2 下部网壳安装，在下部壳体预安装位置安装下壳体抗震支座，并在抗震支座上施工下部网壳的底部环管，并由下至上依次施工中层环管和顶部环管，并同步施工连接相邻上下层环管之间的腹杆；

5.3 上部管桁架施工，先采用搭设胎架地面拼装方式组装中间管桁架内的上部管桁架，再进行翻转、起立后吊至吊装位置进行安装；

5.4 上部网壳安装，同下部网壳安装方法一致；

5.5 上部管桁架与下部管桁架之间的腹杆单元安装，该腹杆单元为高空散装；

6）脚手架拆除；

中间管桁架的腹杆单元安装方法如下：

第一步：在地面拼装腹杆单元；

第二步：从两侧向内安装最外侧腹杆单元，采用现场塔吊吊装至指定位置，并进行校正、固定及加固，安装斜支撑加固腹杆单元和下部管桁架；

第三步：向内安装第二组腹杆单元，吊装至指定位置，并进行校正、固定及加固，同样安装斜支撑；

第四步：安装第一组和第二组腹杆单元之间的连接杆，检查是否按图纸要求安装，第一、二组腹杆单元连接杆安装完成，拆除斜支撑；

第五步：按以上第二步至第四步，完成剩余中间腹杆单元的安装工作。

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