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            大跨度球面網架加工施工工法

            在大跨度球面網架加工結構施工中,充分利用球面穹頂的幾何特性,較低的外沿部分采用小單元地面預制空中組拼;距地面較高的中心圈部分,采用整體吊裝方法,最后在空中把外沿和中心圈組焊成整體,最大限度地減少了腳手架用量并確保了工程質量和安全生產。這種安裝方法,既體現了整體吊裝的優點,又克服了散裝法的不足。大跨度球面網架加工結構的施工方法, 通過了中建總公司組織的技術鑒定。專家們認為這項技術,突破了常規施工模式,具有一定獨創性和先進性,成套技術開發應用填補了我國大跨度球面網架加工結構制作及安裝的空白,達到國內領先水平,網架加工施工質量達到國際先進水平。該項技術獲總公司科技進步一等獎,該項技術的應用工程—天津體育中心第43屆世乒賽主賽館, 獲魯班獎。該館屋面為108m跨度的球面網架加工,覆蓋直徑135m,中心圈頂點高35m,是我國及亞洲最大的穹頂結構。

            1特點

            1. 1 根據球面網架加工結構特點和其下部結構情況,將網架加工劃分成若干個環帶,采用了外幾圈小單元地面預制逐圈由外向內高空組拼和中心圈地面預制整體吊裝相結合的施工工藝;

            1.2 地面小單元預制采取坐標系旋轉的方法,把原設計球節點坐標轉換成新坐標系,這樣降低了預制胎具的高度。節約鋼材,減少高空作業;

            1.3 利用看臺和穹頂外圈標高低的特點,減少了腳手架用量;

            1.4 中心圈高,中間無看臺,采用整體吊裝法。地面組焊成形一次起吊到位,利用一根抱桿,起吊時攬風繩系在外圈上,減少了攬風繩長度;

            1.5 通過試驗測出焊縫收縮量,編制合理的焊接程序,有效地控制焊接變形和消除焊接應力;

            1.6 采用遠紅外測距儀、水平儀、經緯儀,利用地面永久標記的圓點控制球節點三維空間坐標。

            2適用范圍

            2.1 適合大跨度球面網架加工結構;

            2.2 適合大跨度中間高外沿低的曲面網架加工結構;

            2.3 適合大跨度平面網架加工結構。

            3工藝原理

            3.1 任何一個球冠如果把它水平投影,沿半徑方向劃分為幾個球帶,沿球冠圓周等分后每環帶所得的單元體是相等的。這樣球面網架加工小單元地面預制胎具的種類就相應減少了,等于劃分的環帶數節約了材料;

            3.2 無論是外圈的高空組焊,還是中心圈的地面組焊,都以小單元為單元體。因此只要提高小單元預制精度,確保其幾何尺寸,就能保證組焊后的網架加工整體各球節點坐標。小單元的球節點坐標靠胎具保證;

            3.3 小單元地面預制,操作方便,減少高空作業,減少誤差積累。由于采取坐標平衡、旋轉(見圖3.3),降低了預制胎具的高度。通過數字計算,把原設計的坐標換算新坐標,有效地控制了小單元制作每個球節點的三維空間位置,保證了小單元精度,也為高空組拼和中心圈地面組拼提供了數據的保證。

            如果以Y軸旋轉又將小單元網架加工放倒,使1球和2球連線與X軸重合,此時新坐標系的值發生變化,XYZ為新坐標,則它們與原坐標的關系是:

            X=xcosα+zsinα

            Y=y

            Z=zcosα=xsinα

            3.4 關于三維空間控制原理,對于球面體,地面圓心控制點是關鍵。所以從外向內組裝就便于控制。把原設計的坐標換算成極坐標就更方便了。對球面徑向每個球節點要滿足球面方程式(1),對于緯向環狀球節點要滿足圓的方程式(2)。

            x2+y2+z2=R12 R——為球的半徑

            x2+y2 =R22 R!獮閳A的半徑

            3.5 按公式(1)可校核Z值

            Z2=R12-X2-Y2

            按公式(3)校核兩桿件長度L:

            4施工工藝

            4.1安裝區段的劃分

            4.1.1中心圈直徑的確定原則

            首先要計算準備用來吊裝中心圈網架的單根格構式抱桿起吊能力和穩定性,根據已有(或新設計)抱桿起吊能力選定中心網架的直徑(吊裝重量)。然后再計算所選定直徑的中心圈網架因自重引起的變形,并通過現場試吊校核變形值。通過測試,一般43kg/m2 的網架中心圈直徑選在30-50m為宜。

            4.1.2外沿逐環帶的劃分原則

            整體吊裝的中心圈網架的直徑確定后,把剩余外圈分為若干環帶。根據吊裝高度和吊車的吊裝能力,適當的選擇小單元的體積和重量。小單元的長度恰好等于所劃分環帶的寬度。小單元的寬度應當大于經向兩個球節點為宜。在吊裝能力允許的條件下盡量擴大小單元的體積。小單元以球節點開始到球節點結束。在同一環帶小單元尺寸應相等采取同一尺寸。由外向里圈逐漸增高,吊裝能力下降,應適當減小小單元的尺寸和重量,網架單重在43kg/m2時小單元可選擇12~20m長為宜。

            4.2小單元的預制

            4.2.1專用胎具

            網架加工小單元應在專用的胎具上制作,以保證桿件和節點的精度和互換性。

            首先在夯實的地基上鋪設道木,在道木上鋪設16-20mm鋼板組成鋼平臺(鋼平臺大小根據小單元尺寸而定,鋼板平整度要求在1/1000以內)。

            然后在鋼平臺上用換算后的X、Y、Z坐標確定每個球節點的空間位置,用鋼管作為球節點的定位支座,該定位支座高度可進行微量調整。支座鋼管的直徑根據球的大小而定,一般在φl08-φ159范圍內,在選定的坐標系中用儀器精確校核各球節點的空間位置,校核桿件長度。

            4.2.2空心球

            空心球可以自制或定貨?招那虻匿摬囊瞬捎脟覙藴省短妓亟Y構鋼》GB700-2006規定的Q235B或國家標準《低合金結構鋼技術條件》GB 1591—2008規定的Q345B鋼,

            產品質量應符合行業標準《鋼網架加工焊接球節點》JGT11-2009規定。

            4.2.3鋼管桿件長度的計算

            根據設計圖紙兩球中心距,并考慮組對間隙和焊縫收縮量,計算鋼管桿件加工長度(見圖4.2.3),鋼管桿件長度計算公式如下:

            L--為兩球設計中心距

            L1--件加工長度

            R1、R2--空心球外圈半徑

            a--鋼管桿件內半徑

            b--每道焊口組對間隙

            c--每道焊口焊縫收縮量(其值通過試驗確定)

            4.2.4鋼管桿件的下料加工

            焊接球節點的鋼管桿件宜采用車床下料并車制坡口,桿件長度允許偏差為±1mm。

            4.2.5小單元的焊接順序

            小單元拼裝應選擇合理的焊接工藝順序,以減少焊接變形和焊接應力。焊接順序應從小單元中間向兩端發展,以確保每道焊口都能自由收縮。無論在任何情況下都不得同時施焊同一桿件上的兩端焊口。小單元焊接順序見圖4.2.5—l。

            小單元組焊程序見圖4.2.5—2。

            4.2.6小單元吊運

            當小單元在專用胎具上完成第一遍焊接后,可從專用胎具上吊下平穩的放在鋼平臺上,進行第二遍焊接直至全部焊完。這樣可以充分利用胎具,進行流水作業,提高工效,然后用履帶吊車吊運到高空組拼的預備場地,進行下道工序。

            4.3外沿逐圈的高空組焊

            4.3.1 腳手架的搭設

            腳手架塔設可和小單元預制同步進行,因為外沿逐圈從外向里進行組拼,腳手架搭設順序也應從外向里逐圈進行。腳手架搭設應能滿足現場施工需要,主要承受荷載為:構件重量、施工人員運動荷載、對點焊定位的預制單元進行微量調整、防止變形措施中臨時支撐、連接桿件的重量等。腳手架材料應符合有關規定要求。其扣件螺紋完好,其緊固力矩為39-49Nm(4-5kgfm)最大不超過59Nm。

            腳手架參數的確定及校核依據為“《建筑施工手冊》、9-l腳手架工程”及該章節中的部分圖表,根據搭設高度套用表中“砌筑”型腳手架由表來確定立桿縱橫間距a、b。我們根據高度

            荷重確定

            a=1.2m

            b=1.6m

            h=1.6m

            h—步距

            根據a、b、h,由于9-10查得允許搭設高度為Hmax=68(作業層數為1)。

            未考慮到實際搭設中各種因素的影響,手冊中規定增加安全系數1.5-1.7,則腳手架搭設最大安全高度為:

            腳手架立桿下方最好能放支撐座。在回填土場地搭設腳手架時,立桿下面必須至少加墊木,回填土必須是已夯實。必要時木板上方應放槽鋼。

            腳手架搭設順序為:掃地桿→逐根立桿→立桿與掃地桿扣緊→掃地小橫桿并與立桿或掃地桿扣緊→安第一步大橫桿(與立桿扣緊)→安第一步橫桿→第二步橫桿→加設臨時斜撐桿(上端與第二步大橫桿扣緊)→第三四步大橫桿和小橫桿→聯墻桿→安立桿→加設剪刀撐→鋪腳手板。

            立桿垂直偏差:架高在30m以內時應不大于架高的1/200。其他大橫桿、小橫桿、剪刀撐等偏差都應在規定內。

            在鋪設腳手板的操作層上必須設護欄和擋腳板。欄桿高度為0.8-1m。擋腳板亦可加設一道距腳手板面0.2-0.4m的低欄來代替。墊板必須鋪平放穩,不得懸空。

            4.3.2三維空間坐標的控制

            大跨度球面網架結構,球節點空間定位必須使用精密儀器,因此需要把原坐標轉換成極坐標,以圓點轉角測距、高程定位的方法來確定球節點的空間位置。使用經緯儀、遠紅外線測距儀、水準儀才能達到設計精度。國內外大量資料表明,以圓點中心定位,從外圈向里安裝具有更多的優點,它可以減少封閉誤差。我們根據吊裝能力由外想內中心分為四環帶,采取流水作業。小單元地面預制后,逐環帶空間組拼。每個環帶上的小單元球節點都在腳手架上設球底座。這個底座經測量后三維空間坐標完

            全和小單元各球節點相對應。應校核尺寸和坐標并記錄。由于從外向里流水作業,使三儀定位法(見圖4.3.2)得以實現

            。

            腳手架上的球底座應該做成便于調整的形式調整好后應臨時固定。

            4.3.3高空組拼(見圖4.3.3)

            小單元預制在場館外,因為場館內為吊車吊裝運輸場地。采用80t履帶吊車可以解決水平運輸和吊裝,它比塔吊更有優越性。

            組對順序應選任一合適直徑為基準對稱進行。在兩對稱的半圓內,從中間向兩側進行。整個環帶留兩個自由伸縮縫,使組焊時產生的焊接應力得以消除。保證連接桿件焊口的收縮得以實現。各小單元構件在連接時可使用簡單工具進行位置的調整。當1、2兩圈逐個小單元組焊起來后,再用桿件將l、2兩圈連接組焊起來,當第3圈逐個小單元組焊起來后,再用桿件將其和第2圈連接組焊起來,直至完成。小單元高空組拼用80t履帶吊吊裝。

            4.3.4外沿逐圈施工工序流程見圖4.3.4。

            4.4中心圈吊裝(見圖4.4)

            中心圈即為第三圈以內的中心部分(第四圈為懸挑部分)。該部直徑大小取決吊裝能力。我們取中心圈直徑為35m,重32t。

            中心圈的網架在地面組裝。小單元預制完成在中心抱桿立起后從外向里組焊。中心抱桿預留部分待吊裝就位拆除抱桿后再進行組焊。中心圈網架組焊完了后,將中心預留部分的連接桿件、球等都放在網架的腳手架上一起起吊。起吊時先試吊測變形,如果無變形經幾次試吊后可起吊。

            抱桿的攬風繩系在已組焊完的第三圈網架加工上。用1200×1200格構式鋼抱桿。抱桿總長40m(長度可接長和縮短),最大吊重45t,采用兩側對稱吊裝。吊裝到位后,將中心圈網架加工用導鏈固定在設計標高位置。并和三圈相應球找正。然后連接中心部分和第三圈腳手架進行安全防護后組焊連接桿件。特別注意將卷揚的牽引繩鎖住,進行雙保險。因為網架加工的幾何尺寸和空間坐標在地面上已進行找正和校核,因此吊裝就位后只找相對位置即可。全部組焊完成了拆除抱桿。詳細計算可根據雙卷揚對稱起吊單根抱桿進行計算。

            4.5中心圈抱桿的拆除

            中心圈網架加工和外圈合攏后,整個球面網架加工已經完成,中心抱桿超出穹頂,拆除方法,用80t履帶吊車,將抱稈吊起,從下部逐節卸掉螺栓。用20t吊車將底節吊除,

            以此類推。當抱桿拆除后再將穹頂最高點(抱桿超出部分留的孔)空缺部分用球和桿件連接起來。

            5質量標準

            5.1技術條件

            5.1.1材料及焊條應按《GB700-2006》、《GB5ll7》《GB5ll8》規定要求,嚴格進行物理、化學、力學性能復驗。

            5.1.2鋼球應符合《鋼網架焊接球節點》JGJ11 —2009要求,球幾何尺寸偏差見表

            5.1.2。

            球幾何尺寸偏差表5.1.2

            項目

            直徑

            極限偏差

               

            優質品

            合格品

            球直徑

            D>300

            ±1.5

            ±2.5

            球圓度

            D>300

            ≤1.5

            ≤2.5

            壁減薄量

             

            ≤10%且≤<1.2

            ≤1.3%且≤<1.5

            兩個半球對口錯邊

             

            ≤0.5

            ≤1.0

            焊縫高度

             

            -1.5

            -1.5

            球應進行力學試驗,其極限承載力應按《鋼網架加工焊接球節點》JGJ11 —2009要求。加肋球、肋板應位于上下弦自身平面內。

            5.1.3支座平整度,要求板兩端偏差應≤3mm,相鄰支座高差小于L1/800,且≯300mm(L1--為兩支座距離)。

            5.1.4無縫鋼管件允許長度偏差為±1mm,單件高允許偏差±2mm,上弦對角線允許偏差±3mm,上下弦節點中心偏差2mm,分條或分塊網架加工單元長度不大于20m時,拼接邊長度允許偏差±10mm,當條或塊的長度大于20m時,拼接邊長度允許偏差為±20mm,在總拼裝前應精確放線,放線的允許偏差分別為邊長及對角線長的1/10000。

            5.1.5焊接按GBJ205《鋼結構工程施工及驗收規范》要求進行。受拉焊口20%超聲波探傷(但施工中實際擴大到50%超探),要求二級焊縫。

            5.2 引用標準:

            JGJ7—91網架結構設計與施工規范;

            GBJ205 鋼結構工程施工及驗收規范;

            GB699 優質碳素結構鋼號及一般技術條件;

            CB3087 低中壓鍋爐用無縫鋼管

            GB222 鋼的化學分析試樣取樣法及成品化學分析允許偏差;

            GB228 金屬拉伸試驗法;

            GB223 鐵及合金化學分析法;

            GB2975 鋼材力學及工藝性能試驗的取樣規定。

            《鋼網架加工焊接球節點》JGJ11 —2009要求

            6 勞動力組織

            勞動力組織見表6.1。

            天津體育中心主賽館、球面網架加工勞動力每班作業人數表

            工種

            人數

            工作地點

            責任范圍

            總指揮

            l

            整個施工現場

            負責各方面協調工作,對工程進度,質量安全負責。是工程總負責人。

            副指揮

            2

            整個施工現場

            一位負責生產調度,一位負責技術管理。

            焊接責任工程師

            l

            負責小單元制作及現場安裝

            對全部焊接工藝、焊接質量,無損檢測,進行把關、控制。

            焊接工程師

            1

            負責小單元制作及現場安裝

            跟班、進行焊接程序把關,技術交底,焊接記錄,資料的整理

            結構責任工程師

            l

            鉚焊現場

            對全部工程的作業負責。落實施工組織設計,工藝程序把關,解決技術問題。

            結構工程師

            1

            鉚焊現場

            進行跟班質量把關、技術交底,處理技術問題,施工記錄檢查,整理資料,計算機處理。

            安全員

            2

            施工現場及生活區

            進行安全交底、檢查、督促、安全教育,對安全生產負責。檢查安全措施落實,提出隱患。

            質量檢查員

            1

            施工現場及生活區

            負責質量標準和質保體系運轉的檢查。對產品檢查簽署意見。

            材料責任工程師

            1

            材料倉庫及施工現場

            對所有采購的材料規格、型號、質量負責。負責提供材料合格證及辦理復驗。

            材料員

            2

            倉庫、現場

            負責采購、保管及發放手續、對材料檢驗、計量,F場回收

            測量員

            4

            現場

            負責測量、數據積累、復查測量數據,繪制測量圖

            鉚工

            36

            其中12人預制24人高空組拼

            負責小單元預制組對及高空組拼及中心圈組拼

            電焊工

            38

            其中  12人預制焊接, 26人高空組焊

            負責焊接作業,質量責任落實到人頭,每道焊口打鋼號

            汽焊工

            4

            現場預制,現場組焊

            負責汽焊、汽割作業

            車工

            2

            預制場

            鋼管桿件下料及坡口加工

            油工

            6

            預制場

            除銹刷油

            起重工

            20

            現場

            小單元體的運輸、高空吊裝及中心圈吊裝

            架子工

            50

            現場

            腳手架搭設及拆除,按計劃和圖紙要求進行。包括腳手管

            扣的修理及現場力工活。

            總計

            173

               

            7安全措施

            本工程高空作業多,施工難度大。對于高空作業的安全措施尤為重要。

            7.1 腳手架的搭設一定要按規程進行,在穩定的問題上要有1.7倍的安全系數(按手Hmax要增大1.7倍)關于腳手架的穩定問題哈建院徐學寶教授進行了研究試驗。在沒有準確試驗基礎時盡量按手冊要求搭設;

            7.2腳手板要兩端綁在腳手架上;

            7.3周圍要有扶手和護欄

            7.4要有安全網;

            7.5高空作業必須帶安全帽、安全帶,否則不準進行施工;

            7.6場地腳手架下不得通行,不得站人,不得操作;

            7.7進行班前安全交底,詳細填寫安全記錄;

            7.8用電設備要有合格地接地。要有漏電保護器。專用設備專人操作;

            7.9非維修電工不得任意接線。臨時用電按正式架設;

            7.10建立安全值班制。項目班子每班有一位領導負責安全值班;

            7.11建立安全責任制,每班除一位領導負責現場安全外,還設兩名專職安全員,分區分塊把關;

            7.12嚴防高空墜物作為施工的安全重點加強交底監護;

            7.13現場必須遵守天津勞動局(198)津勞護字406號關于發布《天津市高處作業安全技術管理規定》的通知及國標GB6067—85起重機械安全規程》;


            7.14對每個職工必須經過三級安全技術教育,對特殊工種如電工、電氣焊、吊車司機、大型動力設備的操作工等都必須有安全操作合格證。

            8主要施工機具

            主要施工機具見表8.1。

            表8.1

            設備名稱

            規格型號

            單位

            數量

            備注

            超聲波探傷儀

             

            3

             

            電動坡口機

             

            2

            吊裝現場用

            自動切割機

             

            l

             

            交流焊機

             

            38

             

            車床

             

            l

            預制場管材下料及坡口加工

            鋸床

            G72

            1

             

            手提砂輪機

             

            38

             

            汽車吊

            20t

            l

             

            履帶吊車

            80t

            1

             

            汽車吊

            50t

            l

             

            抱桿

            長40ml200 ×1200

            1

             

            倒鏈

            5t

            10

             

            倒鏈

            10t

            10

             

            焊條烤箱

             

            2

             

            卷揚機

            5t

            2

             

            道木

             

            50

             

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