空间曲面大跨度H型钢桁架结构屋盖施工技术

魏桂顺 曹世阳

【摘要】汕头大学新体育馆工程选用大跨度空间H型钢结构形式，桁架最大长度65.9m，最大高6.948m，最大单重40.6吨。结构施工中H型钢构件的制作、弯曲、坡口的加工全部在工厂进行，运输至现场后，在地面拼焊平台上整体组装焊接完成，拆分成若干吊装单元，分单元吊装。采用专利技术-大跨度/悬挑钢结构工程支撑支架，施工完毕后单榀同步依次卸载。

【关键词】空间曲面钢结构；大跨度；H型钢桁架；施工技术

1、工程概况

1.1 汕头大学新体育馆工程位于广东省汕头市金平区汕头大学校园内，总建筑面积53643m2，建筑高度23.2m。屋盖主结构为8榀大跨度H型钢桁架，H型钢桁架最大跨度为56m，最大拱高6.948m。

1.2 本工程主材均采用Q345B材质，每榀主桁架下口均设有铰支座。主桁架上弦杆H型钢规格为H400*400*18*22，H400*400*18*25，H400*350*16*20。下弦杆H型钢规格主要为H400*350*16*25，H400*350*16*20。腹杆H型钢规格主要为H250*250*8*14，H300*300*10*16。H型钢桁架总重约为2100吨。

1.3 体育馆屋面为三个层面弧形过度，中间弧形屋面东西贯通，外围两侧的弧形屋面与中间弧形屋面在东西两端融为一体，屋面最大高差约2m，外围两侧弧形屋面最大宽度约11.5m。

2、施工难点

2.1 构件外形尺寸大，桁架最大长度56m，高6.948m，单重40.6吨，现场场地狭小，不能采用整体吊装的安装方式。

2.2 桁架分单元吊装必须采用临时支架，临时支架的设计必须方便组装和拆卸，临时支架安装精度要求高。

2.3 桁架高空对接安装时，上弦杆和下弦杆尺寸必须吻合，对拼装尺寸精度要求高。

2.4 构件拼装和安装精度要求高，必须严格控制构件加工精度、拼装尺寸、焊接变形及安装过程的吊装变形。

2.5 单榀桁架同步卸载作业难度大。

3、施工总体部署

3.1 H型钢桁架结构的杆件制作、弯曲加工，坡口切割，防腐底漆和中间漆全部在工厂加工，运输至现场。H型钢桁架结构现场整体放样，设置拼装平台，H型钢桁架结构构件在拼装平台上整体拼装和焊接，预留构件拆分接口，组装和焊接及面漆施工完成后，把H型钢桁架结构拆分成吊装单元进行分段吊装。

3.2 根据现场情况和H型钢桁架结构的特点，在H型钢桁架主弦杆和腹杆的节点处设置我司专利产品-大跨度/悬挑钢结构工程支撑支架（专利号：ZL201220050471.X）。H型钢桁架拆分成三段，从一端往另一端依次安装。一榀桁架安装完成后安装与之相邻的一榀主桁架。

4、施工工艺流程及操作要点

4.1 施工工艺流程

杆件清点和复核→施工准备→地面放线→拼装平台定位固定→H型钢桁架结构拼装、焊接和面漆施工→临时组合支撑胎架定位安装和固定→构件拆分和倒运→端部一侧H型钢桁架结构安装、固定→端部中间H型钢桁架安装、固定→端部另一侧H型钢桁架结构安装、固定（一榀主桁架安装完毕）→与之相邻的一榀主桁架的安装、固定、次杆件、联系杆的安装（方法同上至桁架安装完毕）→依次卸载和拆除临时组合支撑胎架。

4.2 操作要点

4.2.1 拼装平台定位、固定

（1） 建立平面坐标系，对主桁架节点坐标进行转换，用全站仪测定主弦杆及H型钢桁架节点处在地面上的水平投影位置，H型钢主桁架节点交点、弦杆中心线等作为控制点在地面设固定标示，并对原始控制点和控制线的位置进行复核。

（2） 在主桁架节点相交处侧面附近1m处定位、加工制作拼装平台，拼装平台设置位置应避开桁架节点位置，满足焊工的施焊空间。拼装平台采用H型钢地梁，如标高不滿足施焊要求可设立柱，拼装平台间距2.5m左右，对基础条件较好的部位可以制作预埋件，把立柱直接焊接在预埋件上。

（3） 在拼装平台横梁上放出上下弦杆端面定位线、中心线及分段长度位置线，作为H型钢桁架拼装验收的依据。

（4） 单榀主桁架拼装焊接完毕后，可在其上铺设H型钢梁，调整拼装平面标高，进行另一榀桁架的拼装和焊接。

（5） 拼装平台之间设置支撑保证拼装平台结构的整体稳定性。

（6） 拼装过程中对拼装平台随时进行测量，防止拼装过程中拼装平台受外力作用发生位移，从而影响安装精度。

4.2.2 H型钢桁架拼装、组装

（1） 先拼后焊，整体拼装完成，尺寸检查验收后开始焊接。先拼装H型钢桁架主弦杆，再拼装H型钢桁架腹杆。先焊接主弦杆，再焊接腹杆。

（2） 为减小焊接应力，控制焊接变形，主弦杆和腹杆的焊接从桁架中间往两侧开始焊接。

（3）为保证对接接口对接质量，工厂制作时在接口位置设置H型钢杆件对接接口调节装置，使用螺栓夹板进行对接固定，通过千斤顶和铁楔调节H型钢对接接口参数，拧紧螺栓后进行焊接作业，控制焊接变形。节点形式如下图所示：

4.2.3 临时组合支撑胎架定位、安装和固定

（1） 为了避免单榀桁架单重及外形尺寸较大，吊装时容易造成结构构件塑性变形，同时满足选用吊装设备经济性的要求，主桁架分成三段，分段拼装，分段吊装。

（2）临时组合胎架的现场组装成标准节，采用镀锌螺栓连接，安装完成后测量临时组合支撑胎架的垂直度及上口标高，并在每个角设一层钢丝绳校正收紧，钢丝绳与地面连接处设置地锚，连接牢固，并用紧线器和地锚连接。

（3）临时组合支撑胎架顶部设置可调式桁架搁置支撑点，可以对支撑搁置点标高尺寸在一定范围内进行调节。

（4）钢支架内部设钢爬梯，方便施工人员从钢支架上安全的山下通行。

（5）通过调整临时组合支撑胎架基础钢支架的高度尺寸来进行调节临时组合支撑胎架的支撑高度。

4.2.4 H型钢桁架结构安装准备

（1）主桁架整体拼装、组装和焊接完成后，拆分成吊装单元，把构件从拼装平台里吊离，倒运至吊装位置。

（2）使用临时组合钢支架四个角上设置的钢丝绳，校正钢支架空间位置，并收紧。使用其顶端的标高调节装置，把支撑点的标高调节到设计标高位置。

（3）为满足在H型钢桁架上行走操作的要求，在H型钢桁架上设置生命线，操作人员高空作业时安全带扣在生命线上作业，确保安全。

4.2.5 H型钢桁架结构安装

（1） 构件吊点的设置、分段位置、结构吊装顺序等等施工过程应进行施工验算，按施工方案进行施工。

（2） 计算单元吊装构件的重心，并计吊装算钢丝绳长度，采用两吊点起吊。

（3） H型钢桁架两端分别系好两根缆风绳，保证吊装过程中构件受控。

（4）起吊前在桁架上下弦之间设置简易钢爬梯，方便操作人员由桁架下弦杆爬到上弦杆进行操作。

（5）高空对接节点部位挂设吊篮，待吊装就位后，操作人员进入吊篮进行高空作业。

（6）主桁架从一端按顺序往另一端开始安装。主桁架结构构件吊装就位校正尺寸后，另一台吊车随即安装与之相邻主桁架结构之间的联系杆件，连接牢固后主桁架结构构件方可摘钩，確保结构的稳定性。

4.2.6 钢结构卸载作业

（1） 汕头大学新体育馆工程采用单榀同步依次卸载的方法，经计算整个卸载过程中，最大位移发生在第五榀桁架卸载时，最大位移值为23.5mm。

（2） 卸载从一端往另一端按顺序逐榀进行，每榀桁架两个卸载点同步卸载，5mm为一级。

（3） 卸载前，对各工序的卸载人员进行必要的岗位培训和卸载演练，并对其进行书面技术、质量、安全交底，预防发生安全和质量事故。

（4） 卸载信息传递应及时准确，并有备用信息传递系统。

（5） 卸载由专人指挥作业，保证卸载的同步，一次哨令，只进行一次行程的卸载，应力变形检测数据收集汇总分析，满足要求后方可进行下一级卸载作业。

（6） 支撑胎架上口设置卸载装置，卸载作业时，通过可调节千斤顶装置达到卸载的目的。

5、结论

汕头大学新体育馆工程采用通过实践创新多项技术，解决大型构件运输、拼装和安装的难题，降低施工成本，既确保了施工阶段安全，又能保证工程质量，为今后类似工程的施工提供了宝贵的经验，具有一定的参考价值和指导作用。

作者简介：魏桂顺，男，1978年生，工程师，注册建造师，毕业于南京建筑工程学院建筑工程系。

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