圆弧空间曲线梁架钢结构施工技术

杜月胜

（山西省第一建筑工程公司，山西 侯马 043000）

近年来，某些大型公共建筑采用了圆形的建筑造型，并谋求大空间以满足各种功能的需要，如中国国家大剧院、上海铁路南站、天津霍元甲纪念馆等，虽然上述工程采用的结构形式各不相同，但无一例外采用了钢结构，而且在设计上都采用了圆弧曲线梁。

1 工程概况

我公司施工的天津霍元甲纪念馆工程，见图 1，该工程主体结构为圆形钢结构，建筑外形为仿古建筑，圆形建筑中心的顶部外形构造从上俯视是太极阴阳鱼造型，它的结构形式为圆弧及空间曲线梁架。弧形曲线钢梁的原材料为热轧H型钢，规格有9种，最大的为HN800×300×14×26，最小的为HN300×150×6.5×9，柱为钢管柱，所有用料材质均为Q345B，总用钢量为2 000 t，其中圆弧曲线钢梁约为500 t。弧形曲线梁含太极顶共计7层，每层最多的有6圈，最少的有3圈，平面圆弧钢梁的直径分别为8.2 m、16.2 m、32.4 m、46.2 m、60 m、64.8 m，太极顶部脊的投影是直径为24.3 m的半圆弧，而在立面，最高处与最低处的高差为8 m，这就使该弧形脊钢梁在空间结构中形成平滑曲线。

图1 霍元甲纪念馆效果图

2 施工存在的制约问题

由于该工程工期紧，有24个国家参加的国际性精武会议在这里按期召开，从工程地基处理打桩开始到精装修、馆内布展、附属建筑及广场等总工期只有240 d，其中主体钢结构工期为100 d。通过对该工程钢结构的施工，结果表明，要保证施工安全、工程质量、缩短施工工期、降低施工成本，存在的主要问题如下：

2.1 弧形钢梁的制作受到施工设备的制约

目前弧形钢梁的加工主要是靠热煨，即采用氧乙炔火焰加热到高温，靠借助外力加工而成，见图2，且温度要控制在900～1 000 ℃，低合金结构钢当温度降低到700～800 ℃时应停止加工，且应自然冷却。该工艺虽然简单，但效率低，施工速度慢，关键是钢梁的弧度曲线和曲线半径无法保证，易形成折线弯，还可能出现褶皱，既降低了功效还增加了施工的成本，只能适合少量加工。

2.2 施工前的策划和工艺的合理选择与否决定工程的顺利进行

为了保质保量安全完成施工任务，在接到工程图纸后，技术人员利用软件建立实体模型，对施工图纸进行深化设计（包括构造设计和构造连接节点设计），保证各个环节的精度，根据放样图绘制各构件、节点的加工分解图，见图 3，深化设计完成后，编制工艺规程，包括焊接工艺评定和进行焊接时的加工设备及用以保证构件外观尺寸和焊接变形的工艺装备。另外，考虑安装的施工工艺，提前策划，尤其是圆弧钢梁的安装顺序和安装方向的选择，给施工的顺利进行奠定基础。在工程实施过程中，深化设计、节点设计、加工详图、构件制作、现场拼装、吊装定位等全过程均按同一三维实体模型，确保各个阶段精度达到设计要求。

图2

图3

3 工艺原理

我公司通过对霍元甲纪念馆工程的施工，总结出了大型圆弧钢梁施工一套可行的方法，该方法效果明显，既经济又安全，关键是缩短施工工期。其工艺原理是把热轧H型钢通过自动液压拉弯设备加工成所需曲率半径的圆弧后，进行切割下料，同时打坡口，焊接加劲板，最后进行安装栓接和焊接。

其工艺流程：原材料热轧H型钢进厂→拉弯→检验→校弧→切割下料→焊接加劲板→断头上下翼缘开坡口→检验→除锈→涂装→出厂检验→吊装→校正及高强螺栓紧固→钢梁翼缘与钢柱焊接→无损探伤检验。

4 施工关键、难点技术

4.1 计算机辅助深化设计三维实体模型的建立

我们在接到施工图纸后，技术人员立即组成技术攻关小组，对设计图纸进行仔细研究分析，制定方案。因为该工程结构复杂，材料规格、构件品种繁多，构件互换性差，首先通过计算机进行辅助设计和实体建模，通过不同的视点建立多个视窗，可以方便、直观的对复杂结构进行空间定位。三维实体模型可视性好，形象直观，惟妙惟肖，施工人员可直接观察三维模型，做到身临其境，在建筑物没有建成时去真实体验它的存在，实现真实再现，见图4。有了模型后，对构件及节点进行深化设计，详细计算尺寸，按1∶1精确绘制构件的加工分解图，严格按照加工图制作构件，确保制作精度，保证弧型梁安装后的整体圆度、轴线定位及弧线的平滑度，实现实体的观感美，见图5。

图4 计算机三维模型图

图5 太极顶部实体模型

4.2 弧形曲线梁的制作加工

根据工程的工期和工程量，圆形弧梁的制作加工是本工程的关键，也是难点，通过计算，靠人工加热煨弯制作弧形梁远远完不成任务，圆弧曲率半径质量无法保证，成本也较高。针对本工程我们采用了先进的机械设备，即型钢拉弯机，见图6。该设备采用了全自动化液压系统，用此设备可以加工各种型材，我们根据图纸和1∶1的实体模型大样按照不同的曲率半径制作胎具，来调整液压卡具针对不同弧形梁的弧度，利用电动液压拉弯设备冷弯加工弧形钢梁，保证顶弯后H型钢的弧线度和平面度，也保证了圆弧的曲率半径。且加工的弧形梁不会损伤材料表面，在其延伸率范围内不会断裂，内壁不会起皱，截面不会发生畸变，此外由于金属材料的冷作硬化，材料拉弯后可以改善其综合机械性能。采用该设备加工工艺，效率大大提高，加快了施工速度也降低了成本。

图6 型钢拉弯机

4.3 施工起重设备的选择和布局

起重机性能的选择：根据吊装范围的最重构件、位置及高度，选择相应的最大起重力矩所具有的起重量、回转半径、起重高度。除此之外，还应考虑塔式起重机高空使用的抗风性能、起重卷扬机滚筒对钢丝绳的容绳量、吊钩的升降速度。

起重机数量选择：根据建筑物平面、施工现场条件、施工速度、塔吊性能等，合理选择起重机数量，在满足起重性能的情况下，尽量做到就地取材，避免发生二次倒运。

本工程为直径60 m的圆形主体结构，主体结构外一周圈为30 m的室外台阶，即该建筑为直径120 m的圆形建筑。在钢结构施工的同时室外台阶也要进行施工，综合钢结构主体和室外台阶土建的施工，经过严密计算我们选择了三台 QT5513型塔式起重机，臂长均为45 m，分别设置在120°方位上，见图7。这样在进行立体交叉作业时互相错开，不影响作业施工面，安全也得到了保障。

4.4 弧形钢梁安装工艺的选择

弧型框架钢梁与钢柱的连接通常为上下翼缘板焊接、腹板栓接，或者是全栓接、全焊接的连接方式，本工程为上下翼缘焊接、腹板栓接的形式。弧型框架钢梁的吊装宜采用专用吊具，两点捆扎吊装，吊升中必须保证使钢梁保持水平状态。

吊装顺序的选择：一节钢柱一般有2～4层梁，横向构件由上层向下逐层安装，由于上部和周边都处于自由状态，易于安装和控制质量。在同一圆弧直径上的弧梁从中间跨开始对称地向两端扩展安装，同一跨上的弧梁先安上层再安中下层。次梁根据实际施工情况一层一层安装完成。在吊装时合理划分流水作业区段，确定流水区段的安装、校正、固定。本工程按照塔吊的位置分为三个吊装区域，吊装顺序见图7。

安装方向的选择：圆形建筑同一弧形的相邻两根钢柱之间的弧形钢梁安装，一般钢柱与钢梁的连接是通过钢柱上的连接板和钢梁腹板螺栓固定，然后焊接上下翼缘板。在弧形钢梁安装时是垂直弧形由外向内安装还是由内向外安装，其安装方向至关重要，关系到钢柱上连接钢板的焊接位置，更关系到弧形钢梁能否插进两钢柱之间。如果在制作时按由内向外安装，钢梁的两端上下翼缘和圆管柱相碰，安装不上，除非把圆弧钢梁一端或两端翼缘板外侧割掉一部分，安装完成后再补焊。此时如果现场改为由外向内安装，则圆弧钢梁两端与钢柱间隙就超出设计及规范要求，圆弧梁的轴线向外偏移，而且螺栓孔发生错位导致高强螺栓无法安装，这样既无法保证质量，又降低了施工效率。我们经过认真思考提前预测，根据模型大样分析、实验，采取了由外向内的安装方法，见图 8，既保证了弧形梁的安装精度，又加快了施工进度。

图7

图8

5 结束语

通过对天津霍元甲纪念馆大型圆弧空间曲线梁架施工技术的应用与研究，充分体现了纪念馆设计的阴阳鱼及太极的复杂构造，也充分体现了仿古建筑的风格，有效的保证了工程质量和施工进度。我公司很好的利用计算机辅助设计进行二次深化设计并建立直观的实体模型，采用先进的施工工艺，合理选择和布置起重设备，有效利用现场施工条件，合理安排施工流程，确保了构件的制作质量和安装精度，缩短了施工工期，降低了施工成本。在施工中，高空作业量大，立体交叉施工作业面多，施工人员多，在安全施工中采取有效措施，安全防护到位有效，安全无事故，顺利完成施工任务。