大跨度球面网架施工工法

'大跨度球面网架施工工法编制单位：中国建筑第六工程局批准部门：中国建筑工程总公司工法编号：GF／206020－96主要执笔人：张兆奇1特点22适用范围23工艺原理25质量标准76劳动力组织87安全措施88主要施工机具99经济效益9 在大跨度球面网架结构施工中，充分利用球面穹顶的几何特性，较低的外沿部分采用小单元地面预制空中组拼；距地面较高的中心圈部分，采用整体吊装方法，最后在空中把外沿和中心圈组焊成整体，最大限度地减少了脚手架用量并确保了工程质量和安全生产。这种安装方法，既体现了整体吊装的优点，又克服了散装法的不足。大跨度球面网架结构的施工方法，于1994年元月份通过了中建总公司（省部级）组织的技术鉴定。专家们认为这项技术，突破了常规施工模式，具有一定独创性和先进性，成套技术开发应用填补了我国大跨度球面网架结构制作及安装的空白，达到国内领先水平，网架施工质量达到国际先进水平。该项技术1994年获总公司科技进步一等奖，该项技术的应用工程—天津体育中心第43届世乒赛主赛馆，1995年获鲁班奖。该馆屋面为108m跨度的球面网架，覆盖直径135m，中心圈顶点高35m，是我国及亚洲最大的穹顶结构。通过实践，总结编写本工法。1特点1.1根据球面网架结构特点和其下部结构情况，将网架划分成若干个环带，采用了外几圈小单元地面预制逐圈由外向内高空组拼和中心圈地面预制整体吊装相结合的施工工艺；1．2地面小单元预制采取坐标系旋转的方法，把原设计球节点坐标转换成新坐标系，这样降低了预制胎具的高度。节约钢材，减少高空作业；1．3利用看台和穹顶外圈标高低的特点，减少了脚手架用量；1．4中心圈高，中间无看台，采用整体吊装法。地面组焊成形一次起吊到位，利用一根抱杆，起吊时揽风绳系在外圈上，减少了揽风绳长度；1．5通过试验测出焊缝收缩量，编制合理的焊接程序，有效地控制焊接变形和消除焊接应力；1．6采用远红外测距仪、水平仪、经纬仪，利用地面永久标记的圆点控制球节点三维空间坐标。2适用范围2．l适合大跨度球面网架结构；2．2适合大跨度中间高外沿低的曲面网架结构；2．3适合大跨度平面网架结构。3工艺原理3．l任何一个球冠如果把它水平投影，沿半径方向划分为几个球带，沿球冠圆周等分后每环带所得的单元体是相等的。这样球面网架小单元地面预制胎具的种类就相应减少了，等于划分的环带数节约了材料；3．2无论是外圈的高空组焊，还是中心圈的地面组焊，都以小单元为单元体。因此只要提高小单元预制精度，确保其几何尺寸，就能保证组焊后的网架整体各球节点坐标。小单元的球节点坐标靠胎具保证； 3．3小单元地面预制，操作方便，减少高空作业，减少误差积累。由于采取坐标平衡、旋转（见图3．3），降低了预制胎具的高度。通过数字计算，把原设计的坐标换算新坐标，有效地控制了小单元制作每个球节点的三维空间位置，保证了小单元精度，也为高空组拼和中心圈地面组拼提供了数据的保证。如果以Y轴旋转又将小单元网架放倒，使1球和2球连线与X轴重合，此时新坐标系的值发生变化，XYZ为新坐标，则它们与原坐标的关系是：X=xcosα+zsinαY=yZ=zcosα=xsinα3．4关于三维空间控制原理，对于球面体，地面圆心控制点是关键。所以从外向内组装就便于控制。把原设计的坐标换算成极坐标就更方便了。对球面径向每个球节点要满足球面方程式（1），对于纬向环状球节点要满足圆的方程式（2）。x2+y2+z2=R12R——为球的半径x2+y2=R22R。——为圆的半径3．5按公式（1）可校核Z值Z2=R12-X2-Y2按公式（3）校核两杆件长度L：4施工工艺4．l安装区段的划分4．1．1中心圈直径的确定原则首先要计算准备用来吊装中心圈网架的单根格构式抱杆起吊能力和稳定性，根据已有（或新设计）抱杆起吊能力选定中心网架的直径（吊装重量）。然后再计算所选定直径的中心圈网架因自重引起的变形，并通过现场试吊校核变形值。通过测试，一般43kg／m2的网架中心圈直径选在30－50m为宜。4．1．2外沿逐环带的划分原则整体吊装的中心圈网架的直径确定后，把剩余外圈分为若干环带。根据吊装高度和吊车的吊装能力，适当的选择小单元的体积和重量。小单元的长度恰好等于所划分环带的宽度。小单元的宽度应当大于经向两个球节点为宜。在吊装能力允许的条件下尽量扩大小单元的体积。小单元以球节点开始到球节点结束。在同一环带小单元尺寸应相等采取同一尺寸。由外向里圈逐渐增高，吊装能力下降，应适当减小小单元的尺寸和重量，网架单重在43kg／m2时小单元可选择12～20m长为宜。4．2小单元的预制4．2．l专用胎具网架小单元应在专用的胎具上制作，以保证杆件和节点的精度和互换性。首先在夯实的地基上铺设道木，在道木上铺设16－20mm钢板组成钢平台（钢平台大小根据小单元尺寸而定，钢板平整度要求在1／1000以内）。然后在钢平台上用换算后的X、Y、Z坐标确定每个球节点的空间位置，用钢管作为球节点的定位支座，该定位支座高度可进行微量调整。支座钢管的直径根据球的大小而定，一般在φl08－φ159范围内，在选定的坐标系中用仪器精确校核各球节点的空间位置，校核杆件长度。4．2．2空心球 空心球可以自制或定货。空心球的钢材宜采用国家标准《碳素结构钢》GB700－88规定的3号钢或国家标准《低合金结构钢技术条件》GB1591—88规定的16Mn钢，产品质量应符合行业标准《钢网架焊接球节点》JGJ75．2－91规定。4．2．3钢管杆件长度的计算根据设计图纸两球中心距，并考虑组对间隙和焊缝收缩量，计算钢管杆件加工长度（见图4．2．3），钢管杆件长度计算公式如下：L--为两球设计中心距L1--件加工长度R1、R2--空心球外圈半径a--钢管杆件内半径b--每道焊口组对间隙c--每道焊口焊缝收缩量（其值通过试验确定）4．2．4钢管杆件的下料加工焊接球节点的钢管杆件宜采用车床下料并车制坡口，杆件长度允许偏差为±1mm。4．2．5小单元的焊接顺序小单元拼装应选择合理的焊接工艺顺序，以减少焊接变形和焊接应力。焊接顺序应从小单元中间向两端发展，以确保每道焊口都能自由收缩。无论在任何情况下都不得同时施焊同一杆件上的两端焊口。小单元焊接顺序见图4.2．5—l。小单元组焊程序见图4．2．5—2。焊接工艺第一层焊缝按顺序施焊材料复验车床下料对口考虑收缩量后核对尺寸焊缝收缩值试验无损检测三遍施焊至焊完从胎具吊下校核实际尺寸焊条烘干下道工序图4.2.5-2焊接顺序4．2．6小单元吊运当小单元在专用胎具上完成第一遍焊接后，可从专用胎具上吊下平稳的放在钢平台上，进行第二遍焊接直至全部焊完。这样可以充分利用胎具，进行流水作业，提高工效，然后用履带吊车吊运到高空组拼的预备场地，进行下道工序。4．3外沿逐圈的高空组焊4．3．1脚手架的搭设 脚手架塔设可和小单元预制同步进行，因为外沿逐圈从外向里进行组拼，脚手架搭设顺序也应从外向里逐圈进行。脚手架搭设应能满足现场施工需要，主要承受荷载为：构件重量、施工人员运动荷载、对点焊定位的预制单元进行微量调整、防止变形措施中临时支撑、连接杆件的重量等。脚手架材料应符合有关规定要求。其扣件螺纹完好，其紧固力矩为39－49Nm（4-5kgfm）最大不超过59Nm。脚手架参数的确定及校核依据为“《建筑施工手册》、9－l脚手架工程”及该章节中的部分图表，根据搭设高度套用表中“砌筑”型脚手架由表来确定立杆纵横间距a、b。我们根据高度荷重确定a＝1．2mb＝1．6mh＝1．6mh—步距根据a、b、h，由于9－10查得允许搭设高度为Hmax＝68（作业层数为1）。未考虑到实际搭设中各种因素的影响，手册中规定增加安全系数1．5－1．7，则脚手架搭设最大安全高度为：脚手架立杆下方最好能放支撑座。在回填土场地搭设脚手架时，立杆下面必须至少加垫木，回填土必须是已夯实。必要时木板上方应放槽钢。脚手架搭设顺序为：扫地杆→逐根立杆→立杆与扫地杆扣紧→扫地小横杆并与立杆或扫地杆扣紧→安第一步大横杆（与立杆扣紧）→安第一步横杆→第二步横杆→加设临时斜撑杆（上端与第二步大横杆扣紧）→第三四步大横杆和小横杆→联墙杆→安立杆→加设剪刀撑→铺脚手板。立杆垂直偏差：架高在30m以内时应不大于架高的1／200。其他大横杆、小横杆、剪刀撑等偏差都应在规定内。在铺设脚手板的操作层上必须设护栏和挡脚板。栏杆高度为0．8－lm。挡脚板亦可加设一道距脚手板面0．2－0．4m的低栏来代替。垫板必须铺平放稳，不得悬空。4．3．2三维空间坐标的控制大跨度球面网架结构，球节点空间定位必须使用精密仪器，因此需要把原坐标转换成极坐标，以圆点转角测距、高程定位的方法来确定球节点的空间位置。使用经纬仪、远红外线测距仪、水准仪才能达到设计精度。国内外大量资料表明，以圆点中心定位，从外圈向里安装具有更多的优点，它可以减少封闭误差。我们根据吊装能力由外想内中心分为四环带，采取流水作业。小单元地面预制后，逐环带空间组拼。每个环带上的小单元球节点都在脚手架上设球底座。这个底座经测量后三维空间坐标完全和小单元各球节点相对应。应校核尺寸和坐标并记录。由于从外向里流水作业，使三仪定位法（见图4．3．2）得以实现。脚手架上的球底座应该做成便于调整的形式调整好后应临时固定。 4．3．3高空组拼（见图4．3．3）小单元预制在场馆外，因为场馆内为吊车吊装运输场地。采用8Ot履带吊车可以解决水平运输和吊装，它比塔吊更有优越性。组对顺序应选任一合适直径为基准对称进行。在两对称的半圆内，从中间向两侧进行。整个环带留两个自由伸缩缝，使组焊时产生的焊接应力得以消除。保证连接杆件焊口的收缩得以实现。各小单元构件在连接时可使用简单工具进行位置的调整。当l、2两圈逐个小单元组焊起来后，再用杆件将l、2两圈连接组焊起来，当第3圈逐个小单元组焊起来后，再用杆件将其和第2圈连接组焊起来，直至完成。小单元高空组拼用80t履带吊吊装。材料理化复验预制平台搭设单元胎架测量杆件车床下料球体预制单元球接点坐标定位脚手架搭设三维空间定位单元组对焊接地面防腐处理空间组对无损检测尺寸复验记录焊口刷油连接焊口无损检测焊接整体尺寸校核吊装第二圈循环4．3．4外沿逐圈施工工序流程见图4．3．4。4．4中心圈吊装（见图4．4）中心圈即为第三圈以内的中心部分（第四圈为悬挑部分）。该部直径大小取决吊装能力。我们取中心圈直径为35m，重32t。中心圈的网架在地面组装。小单元预制完成在中心抱杆立起后从外向里组焊。中心抱杆预留部分待吊装就位拆除抱杆后再进行组焊。中心圈网架组焊完了后，将中心预留部分的连接杆件、球等都放在网架的脚手架上一起起吊。起吊时先试吊测变形，如果无变形经几次试吊后可起吊。抱杆的揽风绳系在已组焊完的第三圈网架上。用1200×1200格构式钢抱杆。抱杆总长40 m（长度可接长和缩短），最大吊重45t，采用两侧对称吊装。吊装到位后，将中心圈网架用导链固定在设计标高位置。并和三圈相应球找正。然后连接中心部分和第三圈脚手架进行安全防护后组焊连接杆件。特别注意将卷扬的牵引绳锁住，进行双保险。因为网架的几何尺寸和空间坐标在地面上已进行找正和校核，因此吊装就位后只找相对位置即可。全部组焊完成了拆除抱杆。详细计算可根据双卷扬对称起吊单根抱杆进行计算。4．5中心圈抱杆的拆除中心圈网架和外圈合拢后，整个球面网架已经完成，中心抱杆超出穹顶，拆除方法，用80t履带吊车，将抱秆吊起，从下部逐节卸掉螺栓。用20t吊车将底节吊除，以此类推。当抱杆拆除后再将穹顶最高点（抱杆超出部分留的孔）空缺部分用球和杆件连接起来。5质量标准5．l技术条件5．1．l材料及焊条应按《GB700－88》、《GB5ll7》《GB5ll8》规定要求，严格进行物理、化学、力学性能复验。5．1．2钢球应符合《钢网架焊接球节点》JGJ75．2—92要求，球几何尺寸偏差见表5．1．2。球几何尺寸偏差表5．1．2项目直径极限偏差优质品合格品球直径D＞300±1.5±2.5球圆度D＞300≤1.5≤2.5壁减薄量≤10%且≤＜1.2　≤1.3%且≤＜1.5两个半球对口错边≤0.5≤1.0焊缝高度-1.5-1.5球应进行力学试验，其极限承载力应按JGJ752--91表1、2规定。加肋球、肋板应位于上下弦自身平面内。5．1．3支座平整度，要求板两端偏差应≤3mm，相邻支座高差小于L1／800，且≯300mm（L1--为两支座距离）。5．1．4无缝钢管件允许长度偏差为±1mm，单件高允许偏差±2mm，上弦对角线允许偏差±3mm，上下弦节点中心偏差2mm，分条或分块网架单元长度不大于20m时，拼接边长度允许偏差±10mm，当条或块的长度大于20m时，拼接边长度允许偏差为±20mm，在总拼装前应精确放线，放线的允许偏差分别为边长及对角线长的1／10000。5．l．5焊接按GBJ205《钢结构工程施工及验收规范》要求进行。受拉焊口20％超声波探伤（但施工中实际扩大到50％超探），要求二级焊缝。5．2引用标准：JGJ7—91网架结构设计与施工规范；GBJ205钢结构工程施工及验收规范；GB699优质碳素结构钢号及一般技术条件；CB3087低中压锅炉用无缝钢管GB222钢的化学分析试样取样法及成品化学分析允许偏差；GB228金属拉伸试验法；GB223铁及合金化学分析法；GB2975钢材力学及工艺性能试验的取样规定。JGJ75．2--91《钢网架焊接球节点》 6劳动力组织劳动力组织见表6．l。天津体育中心主赛馆、球面网架劳动力每班作业人数表6．l工种人数工作地点责任范围总指挥l整个施工现场负责各方面协调工作，对工程进度，质量安全负责。是工程总负责人。副指挥2整个施工现场一位负责生产调度，一位负责技术管理。焊接责任工程师l负责小单元制作及现场安装对全部焊接工艺、焊接质量，无损检测，进行把关、控制。焊接工程师1负责小单元制作及现场安装跟班、进行焊接程序把关，技术交底，焊接记录，资料的整理结构责任工程师l铆焊现场对全部工程的作业负责。落实施工组织设计，工艺程序把关，解决技术问题。结构工程师1铆焊现场进行跟班质量把关、技术交底，处理技术问题，施工记录检查，整理资料，计算机处理。安全员2施工现场及生活区进行安全交底、检查、督促、安全教育，对安全生产负责。检查安全措施落实，提出隐患。质量检查员1施工现场及生活区负责质量标准和质保体系运转的检查。对产品检查签署意见。材料责任工程师1材料仓库及施工现场对所有采购的材料规格、型号、质量负责。负责提供材料合格证及办理复验。材料员2仓库、现场负责采购、保管及发放手续、对材料检验、计量。现场回收测量员4现场负责测量、数据积累、复查测量数据，绘制测量图铆工36其中12人预制24人高空组拼负责小单元预制组对及高空组拼及中心圈组拼电焊工38其中12人预制焊接，26人高空组焊负责焊接作业，质量责任落实到人头，每道焊口打钢号汽焊工4现场预制，现场组焊负责汽焊、汽割作业车工2预制场钢管杆件下料及坡口加工油工6预制场除锈刷油起重工20现场小单元体的运输、高空吊装及中心圈吊装架子工50现场脚手架搭设及拆除，按计划和图纸要求进行。包括脚手管扣的修理及现场力工活。总计1737安全措施本工程高空作业多，施工难度大。对于高空作业的安全措施尤为重要。7．1脚手架的搭设一定要按规程进行，在稳定的问题上要有1．7倍的安全系数（按手Hmax要增大1．7倍）关于脚手架的稳定问题哈建院徐学宝教授进行了研究试验。在没有准确试验基础时尽量按手册要求搭设；7．2脚手板要两端绑在脚手架上；7．3周围要有扶手和护栏；7．4要有安全网；7．5高空作业必须带安全帽、安全带，否则不准进行施工；7．6场地脚手架下不得通行，不得站人，不得操作；7．7进行班前安全交底，详细填写安全记录； 7．8用电设备要有合格地接地。要有漏电保护器。专用设备专人操作；7．9非维修电工不得任意接线。临时用电按正式架设；7．10建立安全值班制。项目班子每班有一位领导负责安全值班；7．11建立安全责任制，每班除一位领导负责现场安全外，还设两名专职安全员，分区分块把关；7．12严防高空坠物作为施工的安全重点加强交底监护；7．13现场必须遵守天津劳动局（198）津劳护字406号关于发布《天津市高处作业安全技术管理规定》的通知及国标GB6067—85起重机械安全规程》；7．14对每个职工必须经过三级安全技术教育，对特殊工种如电工、电气焊、吊车司机、大型动力设备的操作工等都必须有安全操作合格证。8主要施工机具主要施工机具见表8．l。表8．L设备名称规格型号单位数量备注超声波探伤仪台3电动坡口机台2吊装现场用自动切割机台l交流焊机台38车床台l预制场管材下料及坡口加工锯床G72台1手提砂轮机台38汽车吊20t台l履带吊车80t台1汽车吊50t台l格构式抱杆长40ml200×1200根1倒链5t个10倒链10t个10焊条烤箱台2卷扬机5t台2道木块509经济效益该工程获得较大的社会效益和经济效益。为天津市增加了一个大跨度的体育馆。工程从开工到竣工有效工期75天，日历工期95天。从方案上节约38．4万元（仅脚手架一项就节约10万余元）。'