多层次多曲面单层焊接球钢结构网架施工技术

白丽楠

(中交一航局第一工程有限公司，天津 300456)

近几年体育馆、展览馆等大跨度建筑中大量使用多层次多曲面焊接球网架，它既可以满足建筑刚度、强度方面的要求，保证整体结构稳定、安全；同时还能支持复杂的造型，对提高建筑的美观度和艺术性也有帮助。但是这类钢结构网架对施工技术有着严格要求，并且由于桁架跨度大、悬挑长度长、安装高度高，增加了施工难度。因此，在钢结构网架施工中必须采取精细化管理，前期要做好设备的选型、材料的检验，中期要加强现场管理和质量控制，后期要仔细做好验收。通过加强施工管理、把控施工要点，才能提高工程建造质量，发挥多层次多曲面焊接球钢结构网架的应用优势。

1 工程概况

某体育馆占地总面积7270m2，建筑总高度23.8m，整体呈椭圆形，共分为3 层，采用多层次多曲面单层焊接球钢结构网架施工技术。工程中使用的钢管为Q345B 型钢，空心球材料为Q235-B 钢，连接件为Q345 钢，焊条为E50 系列焊条。整个工程中使用到的焊接球件共计4032 个，钢管10422支，网架自重497t。

2 网架施工流程及技术要点

2.1 制作焊接球

在制作焊接球时，必须要严格遵循《钢网架焊接空心球节点》(JG/T11-2009)中的有关规定，包括基础材料的品类、质量要求、制作方法等。钢板下料时要注意预留焊接收缩余量，并且保证切割后的钢板边缘没有刨边、变形等问题。然后将准备好的料丕进行加热，使其温度上升至800℃左右，放到漏模中进行热压，得到半球。使其自然冷却，然后用样板修正半球的弧度、打磨切边与坡口；按照同样的方法制作和处理另外一个半球，最后将两个半球组对拼接，形成一个完整的球件。焊接半球时，通常要进行多层、多道焊接，保证焊道焊平，没有明显的焊缝外凸现象。

2.2 放线定位

参考施工图纸，根据网格尺寸和节点位置在施工平面上进行放线。通过空间坐标的测量、控制，标记出每一个网架球件的准确位置，并在相应位置上做球件定位控制点，如图1所示。

图1 球节点测量放线定位示意图

在球节点测量放线时，还要注意每个区段尽量多布置几个控制点，以消除因为误差带来的施工质量问题。使用全站仪进行高程定位，保证同一曲面上多个空心球的高度误差在允许范围内；使用铅垂仪确定平面位置，为后续网架分层施工提供参考。

2.3 搭设承重平台

本次工程中操作平台为高低跨阶梯式满堂钢管脚手架，根据施工需求的不同，操作平台各处的规格也有差异，最小作业面积不低于5.5m×5.5m。平台上堆放材料的最大荷载为2 个铁球、4 根杆件，施工时的均匀分布荷载为280kg/m2。另外在平台周边布置栏杆、安全网，保证高空作业安全。楼面下方需要使用立杆支承时，在立杆底部放置一块厚度为30mm、尺寸为150mm×80mm 的长方形垫板垫平。承重平台搭设完毕后，现场质检人员根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2011)进行验收。

2.4 固定球节点

空心焊接球制作完毕并经过质量检验确认符合施工要求后，将其安装到承重平台的支架上。选择可调节螺杆制作临时支架，在螺杆的底部用扣件将其固定在承重平台上，按照施工图纸将所有可调节螺杆固定到相应的位置后，在水准仪的辅助下调节螺杆的高度，使其与图纸上标定的高度一致。然后用起重机将准备好的空心焊接球垂直吊起，放到由螺杆组成的临时支架上。现场施工人员采用3 点固定式将球焊接在支架顶面，如图2 所示。

图2 焊接球节点安装示意图

2.5 安装钢支杆

钢支杆的作用是将原本相互独立的焊接球节点连接起来，从而形成单层焊接球钢结构网架，安装方式如图3 所示。在钢支杆安装过程中施工人员要重点关注以下技术要点：

图3 钢支杆安装示意图

(1)将网架划分成若干个区段，并在每个区段内设置3-5 个不等的控制点。以控制点为参考，校正网架拼装中的误差。要求节点偏移量＜2mm，对角线误差＜3mm；

(2)钢支杆同样需要进行质量检验，有弯曲、变形或者划损的一律不得使用；

(3)钢支杆下料时要求采用机械切割，并且留出2mm 的收缩余量。在杆件组装前，需要检查钢支杆的端口与球面是否吻合，若留有明显空隙需要重新处理钢支杆的坡口；

(4)焊接方式以点焊为主，小管径采用三点焊，大管径采用四点焊，并且保证焊透、焊牢；

(5)焊接完毕后再进行一次质量检查，利用经纬仪检测焊接球的高低差，若误差超出允许范围需要调整。

2.6 网架的焊接

2.6.1 焊接工艺

本次工程中选择手工电弧焊，所用焊条有E5015 和E5016 两种，直径分别为3.2 和4.0mm。两种焊材的焊接工艺参数如表1 所示。焊接前要检查一遍网架，如果构件表面有油垢、锈迹等要清理干净，为焊接作业创造良好条件。在焊接点下方可以铺上防火板，防止焊渣掉落对钢结构造成破坏。现场焊接人员清理坡口两侧20mm 范围内的杂质，并使用角磨机清根、打磨。经现场质检人员评定确认符合焊接条件后开始进行焊接。

表1 焊接工艺参数

2.6.2 球管焊接

本次工程中球管焊接选择了“单面焊双面成型网架管球对接焊缝”技术，具体操作流程为：使用Φ3.2 焊条进行打底焊，调节设备设定为合适的焊接电流，起弧后将坡口钝边烧溶成溶孔，按照同样的方式立即烧溶空心球的对应位置。然后压低电弧，将烧溶后的管口与球面对接。在冷却以后，形成了补强焊缝，再选择Φ4.0 焊条补焊至指定高度。在球管焊接时，第一层焊缝必须要完全焊透，同时兼顾背部成型良好，为第二层焊接创造有利条件。第一个球管焊接完毕后，按照相同的方法依次完成其他球管的焊接，直到整个网架焊接完毕。另外，每完成一个球管的焊接，要求现场施工人员将焊缝及承重平台表面掉落的熔渣、药皮等清理干净，营造良好的作业环境。

2.6.3 无损检验

整个钢结构网架焊接完毕后，安排质量检验人员进行外观检查，主要检查内容包括球管焊接处有无裂纹、咬边、漏焊等常见缺陷。如果有要及时做好记录，并由焊接人员进行处理。完成外观检测后，再使用无损检测技术进行潜在质量缺陷的检查。本次工程中选择超声波探伤仪，对网架各个阶段进行检测，将所得检测结果与《钢结构工程施工及验收规范》(GB 50205-2020)进行对比，如果有不符合标准的，做好记录并及时返修。所有缺陷返修结束后进行第二次检测，直到确定整个网架不存在焊接缺陷。

2.7 安装弹性支座

弹性支座安装在钢结构网架的支承结构处，其作用是为上部网架提供适量的自动收缩空间，从而提高网架结构的稳定性。弹性支座的结构组成及组装方式如图4 所示。

图4 弹性支座结构图

在一块正方形的底板上，分别固定了钢管支托和肋板。将支座球安装到底板上，底板地面与过渡板之间采用滑动连接，而过渡板通过加劲肋固定在预埋板上。预埋板的另一端固定于钢筋混凝土结构中。在多层次多曲面焊接空间钢结构网架安装结束后，通过弹性支座既可以调节网架的位置精度，又能增强其整体稳定效果。

2.8 安装拉索

本工程中使用到的钢结构网架还配备了由拉索和弦支球撑杆组成的弦支结构。该结构内置4 条对称分布的预应力索，每条长度22.5m，两端设有可调节式锚具，最大调节范围120mm。安装拉索前，现场施工人员要检查千斤顶、卷扬机等设备，保证设备工况良好；检查操作平台，保证平台牢固和作业安全。在安装时，将拉索运送到指定位置后，按照施工图纸现场组装拉索，并扭动两端的调节杆，方便安装拉索。在拉索两端索体外安装起吊抱箍，并使用卷扬机将其吊升至指定高度，完成连接。按照相同方法依次完成4 根拉索的安装。

2.9 同步张拉

拉索安装完毕并经过质量检查无问题后，开始同步张拉。张拉前让千斤顶空载运行2 次，目的是排除油缸、油管内的残余空气。然后将连接器、千斤顶、张拉杆等按照顺序连接起来，重新启动油泵后，缓慢增加压力。随着压力上升，同步调节拉索，并最终达到设定的张拉值。现场张拉人员要密切观察压力示数，达到对应的压力后立即停止加压，记录此时的示数后在拉索两端同步张拉，保证网架的受力均衡。每根拉索分3 次张拉，张拉到位后拧紧锚具螺母，然后千斤顶卸压。观察控制标高是否满足施工要求，若不满足则重新调整索具。张拉结束后拆除承重支架，按照“先中间，后边缘；先网片支架，后支座支架”的顺序，逐步卸载防止网架因为受力不均衡而出现应力变形。

3 网架施工质量控制

在本次工程中贯彻落实精细化质量管理理念，在各个阶段均采取了严格的质量控制措施。例如准备阶段仔细检查杆件、球件的质量，制作钢管时必须保证切割面平滑无毛刺，空心球表面无波纹、凹陷等；在网架焊接阶段，所用焊接材料及辅助材料都必须有合格证书，焊条使用前需要烘干，构件焊接前要检查圆度、长度、平直度，焊接完成后要进行外观检查和超声波检查等；在张拉阶段保证千斤顶与油表配套标定，张拉速度不得超过100MPa/min 等。在质量控制中，误差控制是一项核心内容，也是保证网架结构稳定的关键因素。尤其是拼装单元节点中心偏移量、分条分块网架单元长度误差、网架结构制作中心偏移量等，都是现场施工管理中需要重点关注的对象。本次工程中各检查项目及其误差控制要求如表2 所示。

表2 网架结构安装允许偏差及检验方法

4 结论

多层次多曲面焊接球钢结构网架技术已经被广泛应用于现阶段的体育馆、展览馆等大跨度建筑中。在应用这一技术时，除了要熟悉施工流程外，还要强化质量管控意识，从前期制作钢支杆、焊接球，到中期网架焊接，再到后期质量检测，实行全过程的精细化管理，从而消除网架质量缺陷，发挥这一技术的应用优势。通过推广应用焊接球钢结构网架施工技术，促进我国建筑行业的绿色、环保发展。