大跨度超高变曲率跨层桁架施工技术

张玉宽，张文斌，吕 洋，贺 斌，程淑萍，田瑞斌

（中国建筑第八工程局有限公司钢结构工程公司，上海 200125）

随着现代建筑工业的不断发展，大跨度钢结构在建筑结构中的应用越来越普遍，钢结构有强度高、自重轻、整体刚度好、抵抗变形能力强的优点，但其连续性、大跨度、高空作业量较多、焊接节点多等，给现场施工带来很大的困难。如何合理分段、拼装、吊装，一直是现场施工的控制的难点和重点。

1 工程概况

中央美术学院青岛校区项目位于西海岸新区唐岛湾南岸，项目由教学综合楼、艺术家工作室综合楼、学生公寓综合楼、礼堂综合楼等几部分组成，其中，以“莫比乌斯环”造型呈现的教学综合楼是整个项目的精华所在。从空中俯视，教学综合楼由2 个“8”组合而成（图1）。“莫比乌斯环”环状钢连桥为变曲率流线型，桁架及构件的选型布置难度较大。

图1 项目整体效果图

教学综合楼地上结构为3座主楼及2座连桥，总建筑面积11.9 万m2。其中1#连桥地下1 层，地上5 层，高度24m，3 个交通体通过2 个跨层桁架连桥进行连接，跨层桁架高度8.6m，最大跨度60m。分段后单重最重约70t，整体造型成“S”形，截面尺寸超高，自重大，节点复杂，变曲率造型，定位难度大，安装精度要求高，保证该大跨度变曲率跨层桁架施工精度为项目施工重点。

2 施工技术原理

由于建筑结构造型原因，连桥跨层桁架为非常规桁架（图2、图3）。根据设计结构特点、加工厂行车吊车性能、运输车辆尺寸限制、工具式临时支撑架支撑重量、地基承载力、现场选用吊装设备机械性能、施工流程等进行合理分段，并布置临时工具式临时支撑架支撑体系。将跨层桁架划分为10 个吊装单元，采用“地面拼装，分段吊装”的方式，拼装胎架的设计以控制节点为主，减少拼装累计误差，以保证桁架拼装精度，同时最大限度地减少高空作业，有效保证焊接质量。通过结构分析软件对施工全过程进行仿真模拟分析，充分了解每个施工环节中结构的安全性能，理论分析指导现场施工，保障施工安全。跨层桁架分段下部设置3 对临时支撑结构，吊装前使用三维激光扫描仪对桁架进行扫描，核查拼装精度，吊装到位后可精确定位，快速固定。

图2 1#连桥钢结构整体模型

图3 1#连桥跨层桁架模型

3 施工工艺原理

大跨度超高变曲率跨层桁架分段后单体最重约70t，整体造型成“S”形，属于超大超高超重构件，定位难度大，安装精度要求高，运用1∶1三维建模技术建立三维结构模型，将二维的结构图纸变成可视化的三维模型指导现场施工，实现桁架的精确定位安装。本项目主要运用Tekla 三维建模软件以及3D MAX 软件模拟现场施工，可在模型中进行桁架的分段、桁架拼装胎架和工具式临时支撑架的设计和出图，桁架在拼装和安装过程中所需的测量数据均可从三维模型中提取，通过坐标转换得到。施工过程中，根据设计结构特点、加工厂行车吊车性能、运输车辆尺寸限制、工具式临时支撑架支撑重量，地基承载力、现场选用吊装设备机械性能、施工流程等进行合理分段，为检验构件是否满足安装质量要求而进行预拼装。针对不同的分段桁架设计不同的拼装胎架，拼装胎架以控制节点为主，减小拼装累计误差。在分段桁架下部设置工具式临时支撑架，实现分段桁架快速、精确定位吊装。同时，应对分段吊装单元进行吊装模拟分析，确保杆件的受力和变形均在规范允许范围内，否则应对桁架采取临时加固措施。运用三维激光扫描技术，地面分段拼装，加设工具式临时支撑架，准确定位吊装的方法确保安装精度，提高施工质量，缩短工期，降低建造成本。

4 施工操作要点

主要施工工艺流程如图4 所示。

图4 施工工艺流程图

4.1 三维模型的建立

根据结构图纸，使用钢结构三维深化设计软件Tekla 建立三维模型，采用3D MAX 进行三维施工模拟，模型应准确、详细和全面，模型中应包含桁架拼装位置和大型机械设备的站位等内容。

根据现场实际条件，深化阶段对桁架合理分段，桁架分为上弦杆、中弦杆、下弦杆、直腹杆、斜腹杆。

4.2 吊装机械设备选型

根据现场条件、结构特点、桁架拼装吊装位置，确定采用500t 汽车起重机进行吊装。

4.3 桁架的分段

大跨度超高变曲率跨层桁架均采用四点吊装，经计算选用直径为“6×37-62-196”麻芯钢丝绳，根据卸扣国家标准GB/T 25854-2010《一般起重用D 型和弓形锻造卸扣》，配W 型销轴、极限工作荷载为100t 的8 级D 型卸扣。

4.4 桁架拼装胎架的设计

采用H 型钢技术措施拼装，根据大跨度超高变曲率跨层桁架结构特点及其拼装的原理，确定工艺流程，地样线绘制、胎架搭设及构件就位三道工序分别完成后，通知监理单位、总包单位及拼装班组联合进行检测，经检测合格后方可进行下道工序的操作。地样线绘制地样线绘制完毕后，由制作班组自检、初检后，报专业质检员检测，确认合格后方可进行胎架的搭设。

1）搭设胎架 拼装胎架为组装H 型钢胎架，根据胎架与构件接触部位与地样线之间的距离，确定胎架的高度尺寸，使用前采用水准仪将顶面超平，变曲率位置需用全站仪定位，搭设竖向H型钢胎架。

2）桁架弦杆定位 大跨度超高桁架分为上弦、中弦、下弦、直腹杆、斜腹杆，根据拼装放样图，进行上下弦，对接节点位置处应按要求进行起拱，构件的定位通过端部点以及各主要控制点进行控制，采用吊铅垂线使其主要控制点与地样上的投影点重合方法来调整构件位置，跨度两端支撑面最外侧距离误差控制在（+5.0mm，-10.0mm）以内，采用钢卷尺检查。

3）桁架腹杆、中弦杆定位 根据弦杆拼装定位，依次放置直腹杆、斜腹杆、中弦杆，安装时，应根据弦杆牛腿端部不断调整安装位置，使端部的错边偏差尺寸最小，桁架对接口截面错边误差控制在2.0mm 以内，用焊缝量规检查。

4）整体检查 根据实际拼装构件与放样线的对应关系，从整体拼装要求出发，对桁架拼装构件进行局部调整，调整结束后，按各杆件的对应关系进行对应端口的对装标识，以保证现场吊装工作的顺利开展。利用三维激光扫描仪对拼装完的桁架进行扫描（图5），对扫描模型与Tekla 模型在电脑中进行拼装精度匹配，对于杆件位置调整过程中暴露出的不符合验收要求的问题，特别是相邻构件对接接头错边及间隙超偏问题，应做相应的标识和记录，以便预拼完成后对其进行相应的处理。桁架按设计要求起拱值控制在±1/6 000，用拉线和钢尺检查。通过检查发现，由于个别弦杆牛腿存在局部变形及长度拼装时存在累计偏差等综合原因，弦杆现场焊接位置局部存在错边超差及间隙过大现象，通过坡口修正、板面局部火焰矫正及装配间隙的调节，能有效解决以上问题。其余位置现场接头最大间隙为13mm（包括设计要求10mm 间隙），最小间隙为8mm，最大错边量为1.5mm。

图5 三维激光扫描仪扫描示意图

4.5 工具式临时支撑系统设计

大跨度超高变曲率钢桁架分段后单重最重约70t，属于超大超高超重构件，根据分段原则，通过计算比选确定现场工具式临时支撑架类型和搭设位置，工具式临时支撑架外尺寸为1500×1500mm，采用4 根钢管（∅159×10mm）为主肢、圆管（∅114×6mm）为横向缀条，圆管（∅76×5mm）为斜向缀条、型钢（HW200×200）为底座组成，如图6 所示。

图6 工具式临时支撑架示意图

1）工具式临时支撑架布置 根据工具式临时支撑架的相关设计图纸和桁架分段重量，布置合理数量和位置（图7），使用全站仪放样定位，工具式临时支撑架顶部应设置有柱顶工装，以确保桁架精确定位；桁架分段吊装前，应对工具式临时支撑架上部的柱顶工装的坐标进行复核，无误后方可进行吊装，否则应对其进行校正。

图7 工具式临时支撑架布置图

2）工具式临时支撑架基础 工具式临时支撑架基础设计前需搜集基础底部地基承载力和需承载的构件重量等信息，土层基坑开挖，浇筑100mm 厚混凝土垫层，绑钢筋支模板，混凝土浇筑振捣，养护7 天，混凝土浇筑前顶部埋设工具式临时支撑架埋件，达到设计强度值后方可立工具式临时支撑架。

3）工具式临时支撑架组装 工具式临时支撑架设计成双轴对称的四肢格构式截面，由上底座、下底座、桁架单元、活动横缀条和活动斜缀条组成，桁架单元由2 根肢杆和分布在肢杆之间的横缀条和斜缀条焊接而成。肢杆两端均设有连接耳板，采用销轴和底座连接。底座上下也均设有连接耳板，便于接长组装成不同的高度。将体积庞大的工具式临时支撑架分解成片状的桁架单元部件和活动缀条，能大幅度提高运输效率和减少存储面积，具有现场组装速度快、安装高度可根据需要灵活组装等优点，更符合大体量重型钢桁架结构工程的施工需要。为保证工具式临时支撑架系统的安全可靠，必须验算基础承载力、强度、整体稳定性。

4.6 桁架分段吊装

1）吊装前准备 中央美术学院青岛校区大跨度超高变曲率跨层桁架总共分为10 榀，设置6 个对称的工具式临时支撑架，桁架分段吊装时，应选择合适的钢丝绳和卸扣，并对分段单元进行吊装模拟计算，以确保其具有足够的刚度并保证吊装变形在安装允许范围内。

2）按顺序吊装 跨层桁架吊装顺序为：①浇筑工具式临时支撑基础（图8），安装工具式临时支撑架（图9）；②吊装B1B4 跨层桁架；③吊装B3B6 跨层桁架；④吊装A1A3 跨层桁架；⑤吊装B2B5 跨层桁架；⑥吊装A2A4 跨层桁架（图10）。

图8 浇筑工具式临时支撑基础

图9 安装工具式临时支撑架

图10 跨层桁架吊装

4.7 应力应变检测

大跨度变曲率跨层桁架为重大危险源，安装过程中容易发生错口和沉降，宜进行应力应变检测，对于最后合龙处桁架安装后和卸载后必须进行应力应变检测。

4.8 焊缝检测

根据结构设计要求对现场焊缝进行UT 探伤检测，检测合格后，焊口进行打磨补漆。

4.9 工具式临时支撑架卸载

大跨度变曲率跨层桁架安装完成并验收合格后，开始对工具式临时支撑架进行卸载。卸载过程中，由交通体和工具式临时支撑架共同承担结构的竖向荷载转变为仅由交通体承担，结构进入自承重状态，桁架结构发生内力重分布，完成整个结构受力体系转换。由于桁架是主受力结构，一旦某个局部由于受力过大而产生局部失稳，极易引起连锁反应，造成连桥结构的整体失稳，因此应对卸载过程进行仿真模拟分析，确保结构在卸载过程中的安全。大跨度变曲率跨层桁架的安装方案应经专家论证通过后，方可实施。根据卸载过程模拟分析，选择合适的卸载顺序。采用不同的拆撑顺序进行卸载，过程中应力和变形的重分布也不相同，最大竖向反力也不相同，拆撑过程中应注意复核最大的工具式临时支撑架竖向反力，用以设计工具式临时支撑架及其基础（图11）。

图11 桁架卸载顺序示意图

5 效果检查

1）社会效益 通过对中央美术学院青岛校区大跨度变曲率跨层桁架安装方法的研究，解决了大跨度超高变曲率跨层桁架安装难题，能够直接指导类似工程施工，缩短施工周期。对此项技术的研究与创新，既保证了施工过程的结构安全，又保证了材料的可重复利用，节约了大量技术措施投入，施工过程无污染，营造环保、节能、绿色施工建筑，思路创新，社会效益显著。

2）经济效益 工具式临时支撑架标准化，所用材料成本低、损耗少、可重复利用率高，节约了一次性技术措施投入，节约人工费和机具费。

6 结语

以中央美院青岛校区项目连桥钢桁架的安装施工为研究对象，从设计、加工、安装、焊接、卸载、监测等各个环节来采取措施，保证大跨度变曲率跨层桁架钢结构的施工精度，通过对中央美院青岛校区项目连桥钢桁架施工的实践，为大跨度超高变曲率跨层桁架钢结构的施工工艺积累经验。