基于格构柱法的大跨度穹顶钢结构搭设、安装与加固技术研究

文／孙石清 云南建投第四建设有限公司 云南昆明 655003

引言：

格构柱作为当前钢结构施工工艺中相对简单且施工进度快的施工工艺，目前格构柱施工技术常见于基坑变形或格构柱倾斜的“抢救”工艺，格构柱整体施工效率较快，在满足不同工程多元化需求的同时，对于提高工程施工进度及减少工程成本支出具有促进意义。格构柱作为新型工艺，目前在具体施工使用中仍存在难点，文章以采用格构柱法进行大跨度穹顶钢结构安装进行讨论与分析，选取采用格构柱法进行大跨度穹顶钢结构安装的实例进行讨论与分析，以期为广大学者运用采用格构柱法进行大跨度穹顶钢结构安装提供参考与帮助。

1.案例概述

A 职业技术学院ZY 校区建设项目（以下简称A 工程）为钢框架结构，建筑高度为23.75m，总建筑面积：6179.29 m2。钢结构工程总量725 吨。该建筑结构形式为双层椭圆抛物面落地钢网壳（局部为单层网壳），网格布置采用肋环型交叉桁架。底层平面纵向最大跨度79.0m，横向最大跨度为 59.0m，网壳厚度为1.2m，约为短向跨度的1/50；椭圆抛物面网壳的底边两跨度之比为1.33，横向矢高比约为1/2.5；网壳落地支座采用橡胶板式支座。具体可参考图1 所示。

图1 A 工程实例与3D 效果图

图2 吊装A 工程中心桁架

2.格构柱搭设、安装

根据现场地质报告与工程实际情况，围绕工程预期目标、进度及要求，对型钢加固格构柱施工可行性分析后编制施工方案，对施工人员进行技术交底。要求施工人员按照既定施工流程、计划，做好立柱、立柱桩帄面图，做好桩位轴线、定位点的设置，测量高程水准点，放线工序完成后办理验收手续。钻桩操作前施工人员应进行安全技术交底，并在操作前对现场施工机械设备进行检查，以此保障整体施工安全性与质量[1]。

2.1 格构柱搭设

根据现场场地标高与立柱顶标高对格构柱进行定位与固定，结构柱搭设应提高立柱安装质量，通过科学、合理对格构柱垂直度进行控制，以此提高整体施工质量。在具体施工中，通过对格构柱定位点进行确定后，施工人员安装定位器，格构柱安装、就位后施工现场人员对格构柱搭设的垂直度进行控制与定位，进而通过垂直度检测合格后方可下导管。搭设完成后，根据格构柱四边中心坐标点进行测量放线，确保整体偏差小于10mm。本次工程施工主体高度为23.75m，为保障格构柱吊装安装效率，工程现场施工人员根据现场施工条件采用先吊装A 工程中心格构柱及侧门的方式，具体如下：

A 工程四周主桁架吊装主要采用1#桁架→2#桁架→3#桁架→4#桁架→5#桁架→6#桁架→7#桁架→8#桁架（主桁架吊装采用对称吊装）（图3）。1#桁架与4#桁架之间、2#桁架与3#桁架之间焊接临时支杆，保证次桁架安装整体稳定性、减小变形量。

图3 A 工程四周主桁架吊装

图4 A 工程四周主桁架吊装

吊装A 工程四周主桁架吊装顺序为9#桁架→10#桁架→11#桁架→12#桁架→13#桁架→14#桁架→15#桁架→16#桁架（主桁架吊装采用对称吊装）。A 工程四周主桁架，并完成屋顶中心部位圆形次桁架吊装[2]。

A 工程四周剩余主桁架吊装顺序为主桁架吊装采用对称吊装完成后，对A 工程主大门及已吊装主桁架腹杆、A工程主大门主桁架及A 工程主大门西侧主桁架腹杆等结构进行吊装[3]。

2.2 格构柱安装

A 工程格构柱搭设采用塔吊标准节进行搭设，安装顺序：格构柱预埋件安装→支架标准节吊装→标准节爬梯安装→连接横杆安装→顶部安装调节横梁→布置临时支墩设施→上人梯段防坠器安装→支架预压，格构柱预埋件安装施工可参考图5 所示。

图5 格构柱预埋件安装施工

格构柱预埋件安装施工完成后，需进行立柱桩混凝土浇筑，以确保稳定性。此次工程采用灌注桩混凝土采用水下 C30，坍落度为 18～22cm，导管选用Ф250。

表1 立柱桩入岩具体可参考如下标准

本次工程在对格构柱及其支撑结构拆除中，采用20T汽车吊进行辅助拆除，实际放样流程为拆除顶部临时胎架、防护措施→顶部调节梁→水平横杆、拉杆→主体标准节。

3.格构柱加固

此次格构柱加固采用型钢加固格构柱工艺，型钢加固作为对已有钢结构进行加固的工艺，具体施工中主要通过型钢材料对格构柱进行改造与加固，提高格构柱抗扰强度、承重能力的同时，对于提高整体施工质量及保障工程稳定性具有促进意义。型钢加固格构柱的具体施工中，可通过型钢材料强度、塑形及人行等特点，对格构柱承载能力、抗震能力进行加固，以此有效提高整体建筑结构的稳定性与安全性。目前型钢加固格构柱的常见工艺为加强、加固连接与加大造型及增加截面面积等方式加固。本次工程根据上述施工流程，对A 工程格构柱展开加固，具体加固流程与思路如下：

3.1 加固材料

型钢加固材料是保障型钢加固质量的关键。型钢加固格构柱施工工艺相对简单，其材料质量决定了型钢加固格构柱能否实现预期目标。型钢加固前，应对所需钢材料进行准备，对型钢加固材料类型、规模、数量及质量进行确定后，结合工程格构柱尺寸、质量要求进行调整，以此保障各格构柱加固效果[4]。此外，为进一步提高型钢加固格构柱质量，应根据型钢加固工艺，对焊接材料与连接方式进行合理优化与调整，本次工程材料与设备主要如下：

为保障此次型钢加固格构柱施工质量，项目部在立柱施工过程中通过加大机械设备投入力度，以此保障整体施工质量。具体施工机械设备可参考表2 所示。

表2 施工机械设备表

钢结构选材应保障钢结构品种、级别与规格符合设计标准与需求的同时，钢结构表面无明显老锈、油污，根据工程设计标准对钢结构进行取样试验，试验合格后方可投入使用。格构柱角钢强度为Q345，缀板强度为 Q235。格构柱对接焊接中应保障格构柱接头错开，具体标准可以同一格构柱的截面角钢头不超过50%，相邻角刚错开的位置≥50cm。角钢接头焊接时，角钢侧可采用铜材料段角钢补焊。具体加工允许偏差值可参考表3 所示[5]。

表3 格构柱加工允许偏差值

表4 型钢切割原则

立柱桩格构柱构造的设计参数主要围绕格构柱型号表，插入钻桩部位为3.0m，缀板中心间距为450mm。格构柱采用场外钢结构加工厂加工预制，原材料入场后对格构柱质量合格证明文件进行检验后，对格构柱材料外观进行检验，合格后方可入场。格构柱主要依据《钢结构工程施工验收规》GB50205-2001 及本工程型钢加固格构柱施工设计要求进行验收，材料验收合格后方可入场使用。

3.2 加固技术

型钢加固格构柱前应根据建筑特征、地理条件及特色，科学合理设计出型钢加固格构柱加固方案。其中主要涵盖型钢加固格构柱方案、加固位置、加固材料及加固结构等。应确定加固方案后围绕现场实际情况进行加固。根据加固方案与加固结构确定后，对型钢进行切割，通常情况下，型钢切割需要围绕以下原则进行。

按照施工队伍确定的加固方案与步骤，对格构柱与材料进行加固。在具体加固过程中，应保障格构柱加固的合理性，通过对尺寸大小合理确定，确保材料结构连接牢固、可靠，加固材料合理使用。在联的基础施工阶段中，其合理性直接关系到型钢加固格构的稳定性，对于整体建筑物的结构质量具有直接影响。对此，在联底结构中应保障各项施工标准符合施工要求，同时做好工艺控制，以此提高型钢加固格构稳定性。具体施工以测量方向—型钢加工—打入型钢—槽钢焊接—止水环施工的流程进行加固。

型钢加固格构柱时，如条件允许，应尽可能停止周边施工活动，以确保型钢加固格构柱施工安全。如工艺流程不允许停产，设计人员应根据结构实际负荷状态进行型钢加固格构柱过程中的结构安全性能验算，当不符合施工安全要求时，应进行停产型钢加固格构柱。型钢加固格构柱设计应与实际施工方法紧密结合，并应采取有效措施，保证新增截面、构件和部件与原结构对接可靠，使其形成整体共同工作。型钢加固格构柱施工工艺中，应对做好预防性工作，主要针对型钢加固格构柱施工工艺中的安全预防措施，通过对钢材防腐、防蚀及做好型钢加固格构柱产生的噪声与粉尘，以此降低型钢加固格构柱对建筑周围生态环境造成的影响。

3.3 型钢加固优势

综合上述分析可以看出，型钢加固格构柱技术具有较强的广泛性与实用性，尤其是在我国钢结构工程领域中得到了广泛应用。较比传统混凝土加固方式而言，型钢加固格构柱具有直观、实际的优势，且钢结构材料性能、强度等优势，使得型钢加固格构柱技术成为钢结构工程中相对常见且施工的加固方案。具体优势如下：

（1）有效提高钢结构货物承载能力。型钢加固格构柱改造与加固，可以有效提高钢结构承载重力的同时，为钢结构安全性、稳定性提升提供良好基础。

（2）型钢加固格构柱可以有效增加建筑结构稳定性。通过型钢加固格构柱加固与优化，可以有效提高建筑整体结构稳定性，对于保障建筑结构具有较强的抗震、抗风能力，为建筑提供安全保障具有深远意义。

（3）型钢加固格构柱施工周期较比传统混凝土加固方案而言具有明显优势。型钢加固格构柱加固与改造周期短，对于缩短施工周期与降低施工成本具有促进意义。

（4）型钢加固格构柱实现可持续发展。型钢加固格构柱技术具有节约施工材料与降低施工成本的同时，对于促进建筑事业可持续发展具有深远意义。型钢加固格构柱材料较比传统混凝土材料而言，具有较强的节能性、环保性，有利于推动我国建筑行业资源的节约与利用。

结语：

综上所述，现代化社会发展趋势下，建筑事业为我国社会经济发展与建设提供了有力支撑。型钢加固格构柱技术作为当前建筑工程加固中相对常见且使用的加固方式，为建筑结构稳定性、安全性提升提供了良好基础。型钢加固格构柱加固效果具有较强的优越性，同时型钢加固格构柱具有施工周期短、施工成本低等特点，是当前建筑领域中相对突出且优秀的加固技术。对此，型钢加固格构柱技术对于提高建筑安全性、稳定性上具有促进意义。我国学者应加大型钢加固格构柱的研究，以此为我国建筑施工领域发展提供良好基础。