多曲面悬挑网架施工技术

雷志芳 闫月勤

1 工程概况

高平市体育中心体育场看台网架结构为正四角锥、空心球—管焊接结构。网壳投影面积约5500 m2，采用厚皮圆钢管独立柱多点支撑。支撑柱两排，网架前后悬挑，呈多变曲面，曲面最高点标高+29.000 m，最低点标高+21.471 m，球坐标不一，杆件规格尺寸甚多。

2 施工难点及其分析

1)锚栓成型式安装技术;2)厚皮管圆柱加工技术;3)光谱试验的应用;4)错落有致的台模架搭设技术;5)计算机模拟杆件与球节点的相贯量、经验数据加减、全站仪测量定位技法、单面施焊双面成型技法、高空散装法，消除焊接应力的施工工艺。

3 施工方案确定

从锚栓安装、钢柱制安到网架成型施工组织一体化。根据多变曲面错落有致地搭设符合曲面的台模，结合全站仪打点定位测量技术，采用高空散装及三向定点拼装工艺，按先成片后定支座、先中间后向四周扩散的拼焊，以减少焊接残余应力。应用单面施焊双面成型的焊接技法，网架焊接完毕后采用间隔同步卸载法卸载。

4 关键施工技术

4.1 锚栓的安装

多曲面悬挑网架钢柱锚栓的安装精确度对钢柱安装及网架支座的定位精确度有很大影响。用逐条安装法在安装现场操作，不易保证锚栓的垂直度及相互之间的尺寸要求，且积累误差大，也不易现场检测、复核、验收。为此对每个柱脚锚栓采用成型式整体安装法。

采用此办法施工分两个主要工序:

1)根据图纸要求柱脚锚栓的布置及锚栓间相对位置尺寸将已加工合格的锚栓组装成型。具体做法:a.制作成型模架。用8 mm厚钢板制作柱脚板模具，模具上按施工图要求的锚栓位置和尺寸开孔。孔径以刚好穿进锚栓为宜，不得大于锚栓直径0.2 mm。利用角钢做支架与上下两块模板组装成专用模架。b.在模架上安装锚栓后，利用钢筋将锚栓连接牢固，点焊成不变形结构。

2)安装分初装和校准两步，初装是在锚栓间钢筋未完全安装之前，经测量放线将成型栓体吊装安装支设到施工图要求的相应位置，并拉结临时固定。校正是在相应处钢筋安装完毕，模板支设加固完毕，并检查验收合格后，在水准仪和全站仪的检测下，校正到所要求的标高和精确位置，并用钢筋作电焊加固。安装校正准确定位用全站仪跟踪检查。准确定位前，模板支设及加固必须全部完成，经检查验收可靠后进行。

4.2 焊接圆钢管柱的制作安装

大体量悬挑钢架一般钢柱直接用型钢的不多，如高平体育场悬挑网架钢柱为φ508×30的圆形柱，材质要求为Q235B，柱体采用30 mm厚Q235B钢板，圆柱制作采用3000 t液压冲压机冲压成型，自动埋弧焊内外施焊工艺焊接而成。

1)制作工艺流程为:板材检查→下料铣边→预弯→成型→合缝预焊→内焊→外焊→精整→校直→管体校圆→焊缝超声波探伤→平头倒角→测长称重。

2)定位焊用CO2气体保护焊，内外施焊采用自动埋弧焊，管体校圆采用校圆机，校圆机有内模滚和外模滚，在模滚与管体的滚动下将管体校圆，偏差控制在规范允许范围内。

3)钢柱安装采用汽车式起重机吊装，对高重钢柱安装时，在起重机的配合下拉结好临时缆风绳，并用水准仪和全站仪检测，通过调整锚栓上下螺帽校正钢柱的垂直度、柱基板标高和准确定位。并在二次浇筑部位，沿柱基板周围四个方向支设垫铁。检测复查准确无误后方可摘吊车钩。为了保证钢柱柱基的二次浇筑质量，采用无收缩混凝土，自流平灌浆法施工。

4.3 焊接空心球的加工

1)空心球一般用热压工艺制作，首先将钢板下料后加热至850℃～900℃，这个温度区段属于钢材正火处理温度，加热后的坯模经过空气中自然冷却，保持钢材强度的同时能够保持良好的塑性和韧性，对钢材是有利的，但是加热温度超过1000℃钢材易产生脱碳现象，除影响钢材的强度外同时影响焊缝质量。脱碳现象较严重时表面有麻点可以通过肉眼看到，不严重时表面几乎看不出迹象，解决这方面问题，通过对其做光谱试验来检验。经检验合格后的压制球壳，在车床上修切边缘及开设坡口，最后进行钢球的组对和施焊。

2)空心球的焊接方法:把组对好的空心球放在转胎上，用手工电弧焊施焊。壁厚大于16 mm的大型空心球焊接时用埋弧自动焊，先用CO2气体保护焊或手工电弧焊，小直径焊条打底，以保证在焊透的同时避免烧穿，然后用自动埋弧焊填肉、盖面。

4.4 网架拼安台模的搭设

1)台模设计。根据符曲线的变换搞好台模设计。根据网架曲面形状和下弦球的空间位置，分区分段、分片设计不同标高的平台面，以便支设可调节下弦节点托，支撑下弦球。必须先通过验算三保证，即保证台模架有足够的强度、刚度和稳定性。采用换载计算法，验算看台梁板能否满足台模、网架及施工荷载作用，并绘制台模施工搭设图。

2)台模架的搭设施工。a.根据台模搭设图布置杆件采用全站仪在网架下基面打点，并标注标高。b.台模搭设形成一个稳定体系过程中，必须采用软硬连接使台模架与已施工完毕的混凝土建筑可靠连接，以保证施工安全万无一失。c.台模架周边和台模架的高低差处必须搭设安全防护栏，挂设安全防护网。d.分区分片对台模上可调式下弦球节点托的位置进行再次检测和复核，并做好加固调整，方可进入下道工序钢球及杆件吊装安装。

4.5 网架杆件的制作

在杆件制作之前应做好三项准备:

1)技术准备:根据设计说明并考虑杆件的温度影响、焊接收缩量、相贯量等因素，确定杆件下料长度。利用计算机配料，以控制下料的损耗。杆件下料宜用机床下料，杆件长度的允许偏差应为±1 mm。下料后开设坡口，对加工场地、摆放场地、使用现场等作周密的规划和布局，由于杆件尺寸种类繁多，分类摆放，防止混杆和错杆。2)现场规划准备:根据工艺流程和现场场地，结合安装使用，对杆件从原材料堆放、喷砂、下料、检查验收、半成品放置、涂刷底漆、成品杆件放置，作合理布置。3)配备专业人员根据现场需求，检查、验收、摆放、管理、领用。按要求分区、分类，按标识摆放。

4.6 网架的高空散装法

1)依据先成片后固定支座、先中间后向四周扩展的拼装顺序，采用杆件三向定位球节点与现场测量相结合的放线定位技术。2)在中间区下弦球网格基准点，按图纸中钢球编号先将带杆件的钢球吊置于可调下弦球节点托上，用全站仪测量空心球定位基点，并用拉对角线尺寸的方法复核后，点焊牢固，形成下弦网格。以形成的下弦网格为基础，定位上弦球，上弦球采用空间三杆定点法，用导链吊装到位。形成锥体后，依次向四面扩展拼装。3)球与每个杆件头的连接焊口，采用3处定位，根据焊口直径大小，确定定位焊的焊缝长度，一般为20 mm～50 mm。在正式施焊前，必须清理好定位焊缝表面，并用砂轮机将焊缝头尾打磨与未焊坡口处成斜坡过渡，以便正式施焊时均匀焊透。4)复核定位及尺寸符合要求后，进行球—管接口的施焊。焊接遵循先下弦后上弦的焊接原则，在支座区域内的杆件与空心球节点焊接完成后再次复核检测，根据实际变形情况，调整柱帽杆件的下料长度，进一步消除焊接残余应力的集中，同时减少积累误差。焊接采用单面施焊，双面成型的焊接技法，完成球体与杆件的焊接。焊接完后清除表面并做好检查验收和按要求做无损探伤试验。5)卸载。网架拼装及施焊全部完成，经验收合格后，根据网架结构的情况和各支撑点的结构自重挠度值确定卸载方案，采用间隔同步卸载法，先卸高处后卸低处，防止个别支撑点集中受力，每次卸载不大于10 mm。

4.7 除锈、涂装

1)按照设计要求达到规定的除锈等级，“Sa”为抛射喷射，“St”为手工及机械除锈，“F1”为火焰除锈。钢球一般采用喷砂或抛丸除锈，经验收达到图纸要求的除锈等级后涂刷专用底漆到要求涂层厚度。涂装前表面锈蚀度等级和除锈等级按国标GB 8923-88涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级规定执行。2)杆件底漆在杆件下料及开设好坡口且除锈验收合格后进行，底漆涂刷时在需用焊接的管头留100 mm长。在杆件组装，焊接质量验收合格，方可进行补刷涂层，补层应按规定的涂刷遍数分层补刷，涂层应完整，附着良好。面漆的涂刷必须在杆件和球体表面清理干净且底漆验收合格后进行，涂刷必须做到涂层均匀，无流坠，表面平滑。

5 质量安全控制措施

5.1 质量控制措施

1)编制详细的施工方案。

2)测量人员必须持证上岗。所用的测量仪器和钢尺必须统一，并经过计量检验合格。测量过程做好详实记录，认真填写不得任意涂改。

3)其他特殊工种必须持证上岗。为保证焊接质量，所有施焊人员必须经现场考核，全方位焊接技术过关，单面施焊双面成型施焊技法过关，方可实施焊接。

4)执行“三检”制度。

5)加强对材质的检验及验收，材质不清或不明的绝不能使用。

6)工序细节的控制和验收执行JGJ 7-91网架结构设计与施工规程、JGJ 61-2003/J 258-2003网壳结构技术规程、JGJ 81-2002建筑钢结构焊接技术规程、GB 50205-2001钢结构工程施工质量验收规范、JGJ 78-91网架结构工程质量验收评定标准、JG/T 11-2009钢网架焊接空心球节点的相关内容。

5.2 安全控制措施

1)贯彻相关的安全技术操作规程、严禁违章作业。2)搞好进场作业的安全培训与教育，作业中适时根据情况组织安全技术会议。3)用电设备必须安全可靠，线路绝缘，接地良好。4)进施工现场必须戴好安全帽，各工种必须配置相应的安全防护用品。

6 实施效果分析

采用此技术施工，缩短了工期，提高了效率，减少了危险且确保了结构造型和施工质量。由于场地限制只能采取此技术。经过测算采用此施工技术可以省去大笔大型机械费用，比现场外围制作高空拼装节约资金40万元。

7 结语

随着人民生活水平的提高和城市基础设施建设的发展，将建筑工程与艺术融为一体，以达到满足使用功能和美化城市的双重效果。特别是近几年来城市公共设施的完善和建设，许多公共场所采用造型独特的具有艺术美感的建筑结构，给施工单位带来很大的施工难度，大体量多曲面造型悬挑网架即是其中多见之一，因此对于这种类型的网架施工成为施工单位研究的重要课题。

[1]陆惠明，金 玉.体育馆工程主体钢结构施工技术应用[J].山西建筑，2010，36(4):141-142.