安阳曹操高陵保护工程大跨金属屋面施工技术

2022-03-08樊超田大鹏贾振林田文静孟凡磊赵晓雷

工程建设与设计 2022年1期

樊超，田大鹏，贾振林，田文静，孟凡磊，赵晓雷

（1.河南天丰钢结构建设有限公司，郑州 450000；2.曹操高陵管委会，河南安阳 455000；3.清华大学建筑设计研究院有限公司，北京 100084）

1 工程概况

安阳曹操高陵本体保护与展示工程B 区遗址保护棚采用周边混凝土柱（2 m×2 m）+119 m 大跨度钢屋盖结构体系。钢屋盖为四坡顶形式，钢屋盖主体为双向正交正放H 型钢桁架，上铺金属屋面，结构平面尺寸长160.0 m，宽140.0 m，桁架下弦高度为17.4 m，桁架屋脊高度为25.4 m，建成效果如图1 所示。

图1 曹操高陵项目实景图

2 金属屋面连接件焊接方案

现场主体钢结构状态如图2 所示。

图2 曹操高陵主体钢结构

金属屋面开始施工时，主体结构钢桁架已处于受力状态。在已经受力的钢结构上再焊接连接件对结构受力影响非常大，选用合适的焊接顺序和焊接工艺非常重要，为减小焊接对结构的影响，根据清华大学研究的本工程的焊接实验结果采用如下焊接顺序。

1）上弦杆连接件焊接方案：在桁架结构上弦表面，由于构件均处于受压状态，焊接区域划分和焊接顺序可以依据有利于推进施工进度由施工单位自行确定。建议按图3 所示区域划分和焊接推进顺序进行。

图3 桁架上弦连接件焊接区域划分及焊接推进顺序

2）下弦杆连接件焊接方案：在桁架结构下弦表面，构件均处于受拉状态，焊接区域和焊接顺序可以依据图4 展开，且满足下弦表面任意相邻结点之间的下弦杆同一时间只能在一处位置进行焊接且只能有一把焊枪进行焊接作业。此外，下弦杆焊接还应遵循棋盘式网格划分方案（见图5），即将所有阴影部分网格的上下左右4 条边归为4 类，用4 种颜色标明。在焊接时，可以允许先焊接所有某一种颜色的线对应的下弦杆，全部完成后再焊接另外一种颜色的线对应的下弦杆，以此类推直到4 种颜色的线对应的下弦杆全部完成焊接。

图4 桁架下弦连接件焊接区域划分及焊接推进顺序

图5 下弦和腹杆连接件焊接棋盘式焊接方案示意图

3）腹杆连接件焊接方案：桁架结构所有腹杆的连接件焊接方案也应遵循棋盘式网格划分方案（见图5），即将所有阴影部分网格的上下左右4 条边归为4 类，用4 种颜色标明。在焊接时，可以允许先焊接所有某一种颜色的线对应的腹杆连接件，全部完成后再焊接另外一种颜色的线对应的腹杆连接件，以此类推直到4 种颜色的线对应的腹杆连接件全部完成焊接。此外，同一边线上，下弦杆连接件全部焊接完毕之后才能焊接腹杆的连接件。

3 金属屋面施工方案及技术措施

大跨金属屋面的施工顺序为：放线定位→主檩托板施工→主檩条施工→次檩托板施工→次檩条施工→天沟檐口→铝合金T 形固定座安装→玻璃棉保温层安装→铝镁锰合金屋面板→泛水及屋面板收边施工→屋面天窗施工→交工验收。

金属屋面施工技术措施包含如下几个方面。

1）放线定位

在屋面上建立测量基准点。用经纬仪得出各控制节点现状尺寸，找出檩条调节的重点位置并确定檩托最大调节高度。

2）各部件安装

主檩托板的高度根据屋面现场放线定位时得到的测量数据确定，保证屋面檩条有足够的调节空间。主檩托板与主体桁架采用焊接连接，焊接前对焊接部位进行打磨达到St3 级，同时焊接过程中保护防锈漆不被破坏。

主檩条与檩托连接也采用焊接，在焊接前应检查檩条顶面是否与已安装的相邻檩条顶面平齐，如不平齐应做调整，相邻檩条顶面标高误差控制在3 mm 内。天沟部位的檩条截面和放置方向应注意核对，檩条安装后及时安装拉杆和檩条支撑，使之形成稳定的檩条结构体系[1]。

次檩条和主檩条连接后，主次檩条上表面要基本齐平。用经纬仪将轴线引测到檩条上，作为铝合金T 形固定座安装的纵向控制线。铝合金固定座沿板长方向的位置要保证在檩条顶面中心，铝合金固定座的数量根据图纸设计要求确定。铝合金固定座用自攻螺钉与檩条连接，安装铝合金固定座时，其下面的隔热垫要同时安装就位。铝合金固定座安装精度用拉通长线的方法进行检查，如有偏差要及时纠偏改正。

保温层采用在板底平铺的超细离心玻璃棉进行施工，遇到T 形铝合金固定座时在保温棉上切割缝隙并穿过固定座。保温层施工必须在晴朗天气，阴雨天暂停施工。同时，屋面面板铺设需与保温层铺设同步进行。

安装屋面金属板时分6 组，每组派专人安装定位点，先将板移到安装位置，对准板端控制线，然后将搭接边（大肋）用力压入前一块板的搭接边（小肋）并用一颗防水铆钉固定住一端，保证屋面板在热胀冷缩时向天沟方向滑动。铆钉总长11～12 mm，铆钉头被下一片板所遮盖。面板位置调整就位后，安装端部面板下的泡沫塑料封条，然后进行锁边。

天沟两侧的泛水为底泛水，必须在屋面板安装前安装。屋面四周的收边及屋脊泛水均为面泛水，其施工方法与底泛水基本相同。

天沟每面设4 道伸缩缝，焊接时，在天沟的底部焊接一条褶皱，使天沟依靠褶皱拥有一段伸缩变形空间。安装好一段天沟后，先要在设计的落水孔位置中部钻几个小孔，避免沟内存水，对施工造成不利影响。

3）打胶要求

打胶前要清理接口处的灰尘、污物及水分，并将胶带贴在打胶区域两侧适当位置上，对于夹角部位，在胶打完后用直径合适的圆头物体刮胶一遍，使胶变得均匀、密实、美观。

4）金属板焊接要求

屋面板焊接前，先将咬完边的板肋切成45°斜角，然后用大力钳将其夹扁，使其紧密咬合。天沟对接焊接前需将切割口打磨干挣，焊接间隙不超过1 mm，并点焊固定，确认满足要求后再焊接。焊条型号根据母材确定，直径为2.5 mm。

5）屋面天窗、洞口处理

屋面安装有采光天窗，对天窗的收边进行重点处理，采用焊接的方法将泛水板牢固固定。

6）铝镁锰板制作安装

铝镁锰板卷材运输到现场后，要进行入场检验，侧边不能有剐蹭、凹陷等缺陷。经检验合格后，放至料区，并用防水布盖好。由于本工程跨度较大，给铝镁锰板的制作安装带来巨大挑战，为尽量减小铝镁锰板长度过长的影响，将铝镁锰板制压机设置至屋面，压制完成的铝镁锰板直接在屋面进行定位安装。在安装过程中，铝镁锰板不得压褶、弯曲。发现裂纹或者撕裂的情况要重新制作。

屋面材料可靠的防腐蚀性能是保证金属屋面不渗漏的关键因素，同时也是影响屋面美观和耐久性的重要因素。鉴于本项目的重要性，本工程铝合金屋面采用国际知名企业生产的铝镁锰合金卷材及国内知名企业生产的铝单板，以确保屋面板的抗腐蚀性能，并从产品质量和供货周期上保障工程的顺利实施。

本工程下层金属屋面选用屋顶系统材料A3004 牌号铝镁锰合金卷材制作屋面板，面板涂层采用氟碳树脂烤漆涂层，氟碳喷涂厚度大于35 μm，氟碳树脂含量大于70%。该产品质量轻、强度高、耐腐蚀性好，因此能适应各种大气环境。经权威机构认证，采用A3004 铝镁锰合金制作的屋面板在正常环境下的使用寿命大于50 年。

本工程金属屋面板采用特殊的隔水方式，对安装有着特别的要求，保证整块的板材运输至指定的安装位置显得尤为关键，也是保证隔水效果的重要要求。所以坡面的板材为整片覆盖，最长达到70 m。为了能够安全将70 m 长板材吊装到位采用副架进行辅助吊装。

7）安装精度控制

金属屋面横向尺寸为160 m，宽度为140 m，高程至25.935 m。阶梯水平标高控制困难，为达到外观要求，从屋脊至外檐处设置4 200 多个水平标高控制点，通过焊接件进行上下调差达到安装精度控制要求。

8）温度变形

金属屋面横向长为160 m，横向伸缩控制困难，金属屋面受温度影响较大，气温最高和最低相差50～60 ℃。为控制温度变形，屋脊至外檐采用多段式伸缩缝，单坡伸缩缝超过80 道，环形伸缩缝超过50 道，以保证屋面伸缩余量。