大跨度屋面钢网架_壳_结构施工技术(1)

来源：意榕旅游网

施　工　技　术

CONSTRUCTIONTECHNOLOGY2010年2月

第39卷　第2期

大跨度屋面钢网架(壳)结构施工技术

汪道金,曾繁娜

(11中国新兴建设开发总公司,北京　100039;21河南省建筑工程质量监督总站,河南郑州　450003)[摘要]基于北京奥运会老山自行车比赛馆工程和北京科技大学体育馆工程,介绍焊接球形网壳屋面利用拔杆接

力转换提升技术、大型螺栓球网架结构整体提升技术在工程施工中的应用。重点阐述施工工艺、应力应变监测、质量控制等关键技术。结果表明,该两项大型体育场馆工程新技术适用于施工场地狭小、安装困难、条件差的情况。同时,工期短、造价低,保证施工质量和安全。

[关键词]钢结构;球形网壳;整体提升[中图分类号]TU745.2

[文献标识码]A　　　　[文章编号]100228498(2010)0220024203

ConstructionTechnologyofLarge2spanSteelGrid(Shell)Structure

WangDaojin,ZengFanna

(11ChinaXinxingConstruction&DevelopmentGeneralCo.,Beijing　100039,China;

2.He’nanConstructionQualitySupervisionGeneralStation,Zhengzhou,He’nan　450003,China)

Abstract:BasedontheengineeringexamplesincludingLaoshanVelodromeinBeijingOlympicandBeijingScienceandTechnologyUniversityGymnasium,theapplicationofliftingtechnologyis

introduced,suchasrelayconversiontechnologybypullbarsofwelding2sphericalshell,integralliftingtechnologyoflargebolt2spheregrid.Thekeytechnologiesareoutlinedincludingconstructiontechnology,monitoringstressandstrain,qualitycontrolandsoon.Theresultsshowthatthesetechnologiesaboutgymnasiumengineeringareapplicabletobadconditionssuchasnarrowconstructionsiteanddifficultinstallation.Besides,thereareadvantagesofshortperiod,lowcost,whichcanensureconstructionqualityandsafety.

Keywords:steelstructure;sphericalshell;integrallifting　　近年来,随着我国建筑业的发展,钢结构建筑越来越高、规模和跨度越来越大、造型也越来越复杂,普通的钢筋混凝土结构已经不能满足建筑造型的需要,出现了大跨度和造型新颖的钢结构工程,这些异形钢结构给建筑施工带来了很大困难,迫使建筑施工企业在施工管理及施工技术上要有不断的突破和创新,才能满足钢结构施工的需要。本文主要介绍两种在工期短、造价低、施工场地狭小和安装困难条件下的大型体育场馆工程的大跨度网架(壳)钢结构施工技术。

1　焊接球形网壳屋面提升技术

图1　北京老山自行车比赛馆钢网壳屋面结构

Fig.1　SteelshellroofofBeijingLaoshanVelodrome

大高度35m,由8052根杆件和1675个焊接球组成,单件最大截面尺寸19m×12m,网壳整体重547t。如图1所示。

屋面钢结构为全焊接结构,其中80%为现场焊接,工期紧、造价低、质量要求高,高空作业多,吊装风险大。钢结构施工时,混凝土看台已施工完毕,大型吊装设备也无法使用,施工材料运输困难,施工场地也受

[收稿日期]2009207210

[作者简介]汪道金,中国新兴建设开发总公司总工程师,教授级高级工程师,北京市海淀区太平路44号　100039,电话:(010)68227808,E2mail:xxwdj310@sina.com

第29届北京奥运会老山自行车比赛馆建筑面积

33320m,是亚洲第一个全封闭室内自行车比赛场馆,

屋面采用双层球面钢网壳结构,跨度133106m,水平投影直径1491539m,是我国已建成的跨度最大的双层球面网壳结构。该钢结构由球面网壳、封闭式环形桁架、双向倾斜的人字柱和球铰体系铸钢支座组成。网壳最

2010No.2汪道金等:大跨度屋面钢网架(壳)结构施工技术

到限制,钢网壳结构只能在建筑物中心范围内安装,如图2所示。

钢网架结构。其中比赛馆屋面网架面积为8490m,水平投影尺寸为76180m×110155m,网架厚319～515m,总重约570t,网架下弦球节点标高为181100m。北京科技大学体育馆网架平面布置如图3所示。

图2　钢结构施工场地

Fig.2　Constructionsiteofsteelstructure

为满足奥运工程的工期、安全和质量要求,根据实际情况和现场施工条件,通过计算机模拟分析、验算与多次专家论证,最终选择逐圈外扩拼装、拔杆接力提升、整体安装就位的施工方案。即网壳结构在建筑物中心区开始拼装,利用拔杆提升,网壳杆件逐圈外扩,然后逐步提升就位。由于该网壳结构的跨度为

133106m,施工时必须依次设置3圈拔杆,以接力转换

图3　网架平面布置

Fig.3　Layoutofgrid

该体育馆钢网架总工期要求为92d。钢结构施工时,体育馆框架结构及混凝土看台已经完成,网架下方的作业面呈“长条形”,施工现场非常狭小,由于现场条件限制,吊装设备无法使用,施工难度很大。

如果采用常规的施工方法,不但成本高、安全风险大,而且无法保证工期,根据实际情况并经现场研究,决定采用拔杆群提升、逐步外扩拼装技术。211　螺栓球节点杆件的应力控制的方式完成网壳的整体提升,具体施工方法如下。

1)网壳在建筑物中心点的地面处开始拼装,在中

心的周围适当位置架设第1圈拔杆,然后把网壳结构提升到一定高度后继续外扩拼装。

2)当第1圈拔杆达到设计应力后,开始架设第2螺栓球网架与焊接球网架最大不同在于:螺栓球节点采用高强螺栓连接。网架提升时,提升点处杆件的抗剪和抗弯能力比焊接球节点弱很多。经过科技查新,目前国内尚无近80m大跨度螺栓球网架利用拔杆整体提升成功的先例,该工程单个螺栓球连接高强螺栓最多达12个。若采用拔杆整体提升存在很大的安全风险,为解决提升吊点处网壳杆件抗剪和抗弯能力弱的问题,经过研究发明了“螺栓球C形凹槽吊装保护装置”使杆件处于正常的受力工况下,不会因网架提升而使杆件产生应力集中,解决了网架整体提升时提升点处高强螺栓受剪和受弯的应力问题。

212　螺栓球C形凹槽吊装保护装置的应用

1)吊装保护装置制作时,要有钢丝绳的定位装置,

圈拔杆,第1圈拔杆的荷载逐渐向第2圈拔杆过渡,两圈拔杆实现空中接力转换,此时的网壳结构由第2圈拔杆继续提升和外扩拼装,当第2圈拔杆完全受力后,撤出第1圈拔杆。

3)重复上面过程,撤出第2圈拔杆。

4)当网壳结构提升到设计标高时,利用坐标控制

点,复核和调整网壳控制点标高,达到设计要求后,拼装网壳最后一圈杆件,实现网壳结构与支座环形钢桁架空中对接。当网壳结构安装完毕,经检查达到设计和质量标准后,按对称要求依次撤出第3圈拔杆,完成屋面钢网壳结构安装施工。

采用该方法施工不但安全、低耗,而且缩短了工期,提高了结构的安装精度。通过监测应力应变,网壳杆件最大应力比0142,拔杆最大应力比016,与仿真分析计算值基本吻合。网壳安装后自重下的挠度值为

51mm,为理论计算值的72%。网壳中心偏移15mm,为

防止网架提升时钢丝绳移位。

2)吊装保护装置安装时,要保证网架提升时螺栓

球吊点各杆件应力释放。

3)吊装保护装置摆放的角度,不要影响网架主要

规范允许值的50%。网架一次焊接探伤合格率达

98%。与满堂红脚手架高空散拼法相比,仅脚手架可

杆件的安装。

213　网架拼装和提升

1)施工前根据网架提升过程中的各种工况对网架

节约措施费用近300万元。提前工期近1个月。

2　大型螺栓球网架结构整体提升技术

及提升设备进行验算,主要包括:网架提升点受力杆件、拔杆、跑绳、吊索绳、地锚、缆风绳等。

2)工程共采用28根拔杆,布置在东、西两侧。拔

北京科技大学体育馆是第29届北京奥运会柔道、跆拳道比赛场馆,建筑面积24663m,建筑物南北长

167170m、东西宽83175m,檐高23175m。体育馆下部

杆布置原则:不妨碍网架拼装和提升,拔杆受力均匀、基础牢固可靠。

采用钢筋混凝土框架结构,屋面为大跨度螺栓球节点

　26施工技术第39卷

3)当拔杆布置完毕并固定牢固后,开始在地面拼球C形凹槽吊装保护装置突破了原有施工技术的限制,填补了大跨度螺栓球网架整体的空白,是一种适用于任何平面形状、任何外形的空间结构施工方法,可广泛应用于同类钢结构施工中,具有良好的推广前景。

3　网架(壳)提升注意问题311　网架(壳)试提升

装网架,当体育馆中心地面布满网架,无法继续拼装时,开始第1步提升,提升高度根据混凝土看台的位置和方便施工而定,如图4a所示。

4)当网架提升到需要的高度后,网架开始外扩拼

装。直到不能拼装时再次进行网架提升和外扩拼装。本工程共提升和外扩拼装6次,最后到达设计标高,如图4b所示。

网架(壳)在提升前,要进行试提升,试提升过程是检验提升方案合理性的重要保证,试提升目的包括:①检验起重设备的安全可靠性;②检查提升点对网架刚度的影响;③协调指挥、提升、缆风绳、跑绳和提升装置等操作统一配合情况。

首先启动提升装置,使网架(壳)离开地面支撑

300mm,静止放置12h。然后对提升机具进行全面检

查,检查项目包括:①拔杆支撑系统(拔杆垂直度、拔杆加固等);②滑轮和卡环系统(是否完好,有无裂痕、锈蚀及转轴的灵活度);③缆风绳和地锚(是否有松动等

图4　提升范围示意

Fig.4　Liftingarea

现象);④检查提升装置固定及保险装置的可靠性;⑤如果是螺栓球网架,还应检查C形凹槽吊装保护装置的位置状况,不要使已固定的杆件受力和方便拼装杆件安装。312　网架(壳)提升过程的控制与微调

214　网架空中就位

由于支撑网架的框架柱已经施工完成,为避开网架提升时框架柱的影响,网架在地面拼装时,整体向南侧偏移了600mm。网架提升至设计标高后必须再向北偏移600mm后才能就位。1)最后一步提升时,将网架提升高出设计标高200mm。

2)将所有的提升钢丝绳和跑绳全部锁死,防止网

提升过程中应保证网架(壳)各吊点同步上升,当网架(壳)整体离地面1000mm时,应停下来检查各提升点处的实际受力状况及各锚固点安全程度,检查完毕后匀速提升,确保相邻两个提升点升差值控制在相邻点距离的1/400内,且不宜大于100mm。每次提升一定高度时,要进行一次校核和微调。

313　同步保证措施

1)滑轮组钢丝绳的缠绕方法以及滑轮数须一致。2)起重钢丝绳的直径须选用同一规格(同一强度

架下滑。

3)将拔杆上部的一侧缆风绳缓慢放松,用倒链将

另一侧钢丝绳缓慢拉紧,然后拉紧另一侧钢丝绳,使网架向北移动。移动时两侧钢丝绳相互配合,缓慢地把拔杆顶部和整体网架同步向北平移600mm至设计位置,每次移动步距为200mm。

4)网架平移到设计位置后,把网架缓慢下落200mm,然后与支座安装固定。

5)网架就位后逐步撤出拔杆和C形凹槽提升吊

等级),因为采用人工提升时,起重钢丝绳的直径会直接影响线速度。

3)提升钢丝绳的初始长度必须统一,并在正式提

升前将钢丝绳的张力控制在同一松紧程度。

4)设专职观察人员用精密仪器对相邻提升点间高

装装置,对网壳结构进行检测和整体验收,并对屋顶辅助钢结构进行施工。

采用该方法施工,不但避免了高空作业、降低了安全风险,而且便于施工过程控制和提高施工质量。同时,缩短了工期,降低了成本。网架安装后在自重荷载作用下的挠度值为50mm,符合设计规范要求。与满堂红脚手架高空散拼法相比,仅脚手架可节约措施费用

7518万元,提前工期两个多月。

差进行观测,读取每个控制点上的数据,随时向提升总指挥汇报网架(壳)提升过程中提升点相对标高和误差值,发现问题及时调整。

5)网架(壳)提升过程中,要对网架(壳)的关键杆

件和拔杆进行应力监测,随时掌握网壳提升时受力杆件及提升拔杆的应力变化情况。

4　结语

以上两种类型的网架施工方法适用于土建结构工程施工基本完成然后进行钢网架(壳)结构安装的大　　　

(下转第29页)

该网架安装技术是多项技术的集成,各分项技术均具有独立性和完整性,可分别推广应用。其中螺栓

2010No.2吴伟杰等:大跨度体育馆索托结构施工技术　29

考虑到体校建成后的维护和管理以及施工简便等因素,本工程拟采用千斤顶加载法和频率法准确测试缆索索力,达到安全合理施工目的。

1)对于正在张拉的拉索———千斤顶法

412　预应力张拉分析

为了验证张拉方案的合理性并保证结构在施工过程中的稳定,需要对拉索张拉过程中进行分析计算。

41211　第1级张拉(张拉至90%初始预张力)

千斤顶法需要把千斤顶和油压表配套标定,同时制作与缆索索头匹配的大型工装,且加载过程必须始终保持缆索不松弛,保证结构安全。

2)对于已张拉的拉索———频率法

经计算可知,结构变形最大值133mm,发生在主桁架下弦杆,此时拉索索力值为954kN。

41212　第2级张拉(张拉至100%初始预张力)

经计算可知,结构变形最大值132mm,发生在主桁架下弦杆,此时拉索索力值1061kN。

在施工现场对拉索张拉过程进行实时监测,所得数值基本与仿真分析理论值相吻合。

5　结语

频率法应用于本工程的最大难点在于准确建立索力和频率的对应关系。不同于桥梁结构的是,本工程缆索一端连接固定钢屋盖,一端连接钢拱,缆索之间相互影响较大,索端视为弹性支承,必须考虑整体结构频率与单索频率的耦合。同时注意以下方面:①在制索单位,在拉索预张拉时标定索力2频率关系,此时拉索两端固定,索力值由试验加载设备直接读取;②在张拉现场,对正在张拉的拉索再次进行索力2频率标定,此时拉索参与结构中,两端为弹性支座,索力值由液压千斤顶的油压表读取。

3151212　结构变形监测

伴随我国空间结构的迅速发展,索托结构体系在建筑钢结构中的应用越来越多。对索托结构体系、节点设计和施工技术进行总结、介绍也显得比较重要,索托结构体系受力合理,可节约50%的锚头。

参考文献:

[1]　张波,徐国彬,闻之琦.索托结构在屋盖结构中的应用[J].钢

结构,2003,18(3).ZhangBo,XuGuobin,WenZhiqi.Applicationofcableheldstructuretorooftruss[J].SteelStructure,2003,18(3).(inChinese)

[2]　JGJ8122002建筑钢结构焊接技术规程[S].北京:中国建筑工

结构变形是结构受力下的总体反应。监控预应力张拉过程中结构的变形状况,可间接了解结构特性、验证理论分析、把握整体结构的施工质量等。为保证施工放样或观测的精度和速度,对放样或观测的主要控制点应设强制对中固定观测墩座;对于其它控制点也应尽量设强制对中固定标志杆,以便于精确照准。采用全站仪可直接由控制点进行三维放样,以达到较高的精度效果。

4　预应力拉索张拉计算411　计算模型建立

业出版社,2003.

JGJ8122002Technicalspecificationforweldingofsteelstructureofbuilding[S].Beijing:ChinaArchitecture&BuildingPress,2003.(inChinese)

[3]　冶金工业部建筑研究总院.GB5020522001钢结构工程施工质

量验收规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

GeneralResearchInstituteofBuildingandConstruction,MCC.GB5020522001Codeforacceptanceofconstructionqualityofsteelstructures[S].Beijing:ChinaArchitecture&BuildingPress,2002.(inChinese)

考虑到本工程的重要性和复杂性,采用有限元分析软件MIDAS/Gen,建立整体模型。

(上接第26页)

3)没有大型运输和吊装设备,提升可以采用人工

型屋面,并且施工场地和作业面都受到很大限制的工程。该方法具有以下优点。

1)施工简捷、科学、合理,安装精度高,现场没有大

做动力,也可以采用液压提升,施工方便灵活,降低了噪声污染。另外现场没有大量的周转材料运输,降低了环境污染,实现了绿色环保的目的。

4)没有大型机械的进出场费、没有搭设脚手架钢

量的周转材料,便于施工协调和指挥。绝大部分网架拼装在地面或低空完成,检查方便,便于施工过程控制。钢结构的防火涂料及涂饰均可在低空操作,避免了高空作业,降低了安全风险。

2)采用该方法施工,分区明确,可同步作业,不需

管的租赁和人工费,所有提升设备可多次周转使用,降低了材料损耗,施工成本低,与其他施工方法相比,节约措施费用达20%～35%。

5)该方法施工的科技含量高,在同类工程施工中,

要搭设脚手架,提高了工效。焊接、安装、涂饰、焊口测试和质量检查可以在网架提升前同时进行,使施工速度加快,缩短了工期,与其他施工方法综合比较,可缩短工期20%～30%。

有广泛的推广价值,两项工程完成后,老山自行车比赛馆的“网壳外扩法拔杆群接力转换整体提升施工工法”获国家级工法;北京科技大学体育馆工程的“网架球节点C形凹槽吊装保护装置”获国家发明专利。

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