椭球面壳体屋面钢桁架施工浅析

胡瑞靖，谌世荣

（中江国际集团公司海外工程分公司，江苏 南京 210008）

1 工程概况

埃塞尔比亚阿姆哈拉州议会中心建筑群项目位于埃塞尔比亚阿姆哈拉州巴哈达市青尼罗河畔。国际会议中心总建筑面约6 800 m2，半地下结构形式，地上2层，屋面顶标高为+16.50 m。钢桁架支撑的椭球穹顶投影面积2 500 m2，其中长轴67.20 m，短轴47.20 m。钢桁架下部混凝土结构由24根弧线形混凝土柱，由一宽0.25 m、高2.50 m的连系斜梁连接所有柱顶端，形成碗口状的整体造型。由2榀三角主桁架，20榀单片次桁架组成的椭球面壳体屋面钢桁架支撑于这24根弧形柱上。根据工程现场情况施工条件，2榀主桁架采用高空散装法，20榀次桁架采用跨外对称吊装法。该工程桁架平面布置图如图1所示。

2 钢构件的精细化预制作

图1 桁架平面布置图

椭球壳体屋面钢桁架采用弯曲管桁架，其加工制作精度要求高。由于工程项目特殊，所处国家没有符合要求的钢结构厂家，因此所有管件只能进口，在现场进行焊接拼装。2榀主桁架及20榀次桁架的全部管件必须按照设计图要求进行精确下料，成型，坡口切割。对于弯曲管桁架，上、下弦椭圆曲线成型准确是保证椭球壳体屋面达到设计效果的关键。下料、切割的准确是现场焊接、拼装顺利进行的保证。特别是2榀主桁架采用高空散装法，对此类特殊造型钢桁架的制作、加工，必须采用数控精密切割，精确成型技术。桁架上，下弦管件按设计图精确下料、成型，管件坡口采用半自动精密切割且下料后进行二次矫平处理，并对所有管件根据桁架进行编号。把好这第一道关的重要性在工程执行过程中也得到充分的体现。不管是管件的长度把控，曲线成型，破口切割都符合照设计图纸要求，对现场焊接、拼装的质量以及对进度都起到了促进作用。

3 次桁架的现场拼装

20榀单片次桁架呈中心对称辐射状布置，因而每种同类桁架只有四榀，总共分为5种规格，其管件的规格种类繁多，选料配料必须准确。次桁架平面图见图2。

图2 单榀次桁架平面图

这时，前期钢构件的精细化加工制作的优越性开始体现。虽然管件钢材按大小分类装箱到达现场，但都对应桁架有编号。在拼装区放出大样后，根据桁架编号，对应选取上弦管件、下弦管件及腹管件进行拼装。拼装结束后，按要求要对次桁架外形进行复检，发现超出允许范围的尺寸偏差要及时进行矫正。由于前期管件预制作的精细化加工，拼装的所有桁架均按施工图尺寸完成，各管件的相贯线均交汇于节点中心，尺寸误差均在规范允许范围内，并且完成时间比计划工期提前10 d，加快了工程施工进度。

4 主桁架定位和组装

4.1 主桁架定位方案

由于项目现场条件限制，对于跨度67.20 m的长轴及跨度47.20 m的短轴主桁架，只能进行高空散装法。主桁架平面图见图3。

图3 长短轴主桁架平面图

为保证主桁架的顺利组装，在碗口状区域内搭设主桁架安装胎架。这就到了钢桁架施工最重要的环节：确保主桁架的就位准确，既长、短轴主桁架上弦管或下弦管同一高度上的四个管件中心点落在此高度上的设计椭圆方程上，并且主桁架截面为三角形桁架，这就要确保上、下弦管件的定位准确。

首先是定位方案的确定。以确定下弦管件为例。在CAD图形软件同一视图中打开桁架平面布置图、建筑长轴剖面图及建筑短轴剖面图，并将两剖面图中心线分别与平面图中心线对齐。根据设计，主桁架高2.50 m，上、下弦成椭圆曲线，其椭圆中心共于-8.00 m处，分别在两剖面图上以-8.00 m处公共椭圆圆心画出主桁架下弦管件曲线所在椭圆。在建筑长轴剖面图中，以所画椭圆中心为起点，沿长轴以1.20 m为间距画垂直于长轴的构造线①交于长轴主桁架下弦及桁架平面布置图的长轴。过构造线①与长轴主桁架下弦焦点画构造线②垂直于构造线①。将全部构造线②复制，再逆时针旋转90°命为构造线③。根据同样相对标高布置于建筑短轴剖面，与短轴主桁架下弦相交。过构造线③与短轴主桁架下弦交点画构造线④垂直于构造线③交于桁架平面布置图的短轴。最后，以桁架平面布置图中心点为椭圆圆心，以构造线①与桁架平面布置图的长轴的交点距中心距离为长轴，以构造线④与桁架平面布置图的长轴的交点距中心距离为短轴，画出椭圆，即为长轴主桁架与短轴主桁架下弦杆在同一相对标高上四个中心点所在的椭圆。至此，就可以在地面层标记出这些椭圆与主桁架平面布置图长、短轴的交点，这些点即为长、短轴主桁架下弦水平位置控制数据，而高度控制数据分别是构造线①与构造线④分别交于长、短轴主桁架下弦杆的相对标高。定位方案示意图见图4。

4.2 主桁架组装

图4 主桁架下弦管件定位方案示意图

定位方案确定后，就可以根据方案在地面标记出控制点位，按设计要求进行胎架搭设。根据定位方案得出的数据，设置支撑点。胎架必须有足够的刚度及稳定性，还要确保桁架支撑点的受力均匀。胎架完成后，对胎架进行水平及垂直位置检测，确保其精确度。下面进行到主桁架的安装：将长轴主桁架中所有构件按施工图控制尺寸，按照定位方案在胎架上完成拼装。拼装过程中，确保各杆件的相贯线应交汇于节点中心。这又显示出钢构件精细化制作、加工的优势所在，拼装完毕，其验收结果完全符合规范要求。

5 次桁架吊装

次桁架采用支架法施工，即吊装阶段在壳体内设置胎架支撑作为构件空间定位的依托，并解决吊装阶段的结构稳定。胎架支撑在桁架安装全部完成后，再卸载，拆除支撑。吊装顺序采用以短轴主桁架为中心，向长轴两边对称进行吊装。吊装时，吊点必须设在桁架三汇交节点上。起吊时离地50 cm时暂停，检查无误后再继续起吊。安装第一榀次桁架时，吊装到位后，在松开吊钩前进行初步校正，底部对准次桁架支座中心线或定位轴线就位，上部对接长轴主桁架，调整其垂直度，并检查桁架侧向弯曲。各项检查完成后，不要松钩，与长轴主桁架校正固定，跟着安装部分檩条，与短轴主桁架固定。这样，第一榀次桁架与主桁架形成一个具有空间刚度和稳定的整体。接下来，以同样的步骤吊装剩余的次桁架。

在次桁架吊装期间，应建立对主、次桁架整体外形复测的监测记录。主桁架整体外形及整体标高需定时定期复测，做好记录，以确保整个壳体桁架安装精度。在吊装工程中，安排专人对胎架进行跟踪检查，确保施工安全与吊装准确度。对胎架标高进行实时复查，避免由于胎架出现下沉、变形等问题而造成桁架安装错位的发生。

6 卸载

在钢桁架全部安装完成，所有连接节点及整体外形、标高经验收合格后，方可进行卸载，卸载当天的风力不得大于4级。卸载应依据结构计算分析、一切考虑结构安全采取实时监控的措施实行。卸载时，应注意几组支点同步对称下降，在下降过程中，幅度不要过大，应该是逐步按对称分区分阶段按比例下降，或者用每步不大于100 mm的等步下降法拆除支撑点。

卸载过程中应有安全员和安全监控员全过程监测胎架，发现异常情况及时报告。同时对钢桁架控制点特别是主桁架的变形进行监测记录，最后与计算值进行对照。

7 结语

钢桁架要满足椭球面壳体屋面的造型独特、在加工，制作及安装等各方面较高的技术与工艺要求。通过对此项目的实施过程的分析研究，总结出在椭圆壳体钢结构工程实施过程中要注意的关键节点，以及椭球壳体屋面空间的定位方法。

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