首都博物馆东馆梭形钢柱体系施工技术

阎中钰 武文涛 唐志超 胡雨 郑奇星

0 引言

首都博物馆东馆项目位于北运河畔，由主楼和市民共享大厅两部分组成，宛如“运河之舟”，喻义深远（如图1）。首都博物馆东馆定位为智慧型综合博物馆，建成后将充分利用北京丰富的历史文化资源，向参观者展现出一个北京文化遗产与自然遗产的宝库，成为提升城市副中心文化软实力的重要阵地和展示城市发展的生动窗口，为参观者带来文化熏陶与情感共鸣，进一步满足市民的文化休闲需求。

图1 “运河之舟”效果图

1 梭形钢柱体系施工概况

梭形钢柱体系包含球铰支座、梭形钢柱、人字形钢梁、连接梭形钢柱与人字形钢梁的销轴、弧形钢梁等组成（如图2）。梭形钢柱与混凝土基础通过球铰支座进行连接，球铰支座下支座板与上支座板分别与基础预埋件和梭形钢柱焊接连接。梭形钢柱通过销轴与主楼屋面的人字形钢梁连接，起到支撑作用。弧形钢梁与人字形钢梁焊接连接，经过节点设计优化，弧形钢梁与人字形钢梁连接节点位于销轴后面，达到突出梭形钢柱的建筑效果。

图2 梭形钢柱体系三维模型

梭形钢柱体系是首都博物馆东馆项目施工中的重点、难点。梭形钢柱体系位于主楼钢屋面北侧结构。为了营造高低错落的船帆形象，梭形钢柱体系内的6 根梭形钢柱不仅重量、长度不同，梭形钢柱的倾斜角度和指向各不相同。同时，梭形钢柱与人字形钢梁连接的销轴耳板的高度、人字形钢梁两肢的标高、弧形钢梁的跨度和两端的设计标高等数值均存在一定的差异，每个梭形钢柱体系的施工过程数据无法共享。主楼屋面钢结构的6 个梭形钢柱体系需要分别进行施工数据的计算分析。借助有限元分析技术，使用Midas 软件计算整个钢屋面结构体系在施工过程中的应力应变具体数值，指导施工过程。

2 梭形钢柱体系施工技术要点

2.1 球铰支座施工技术

梭形钢柱体系内共有6 个球铰支座，球铰支座与梭形钢柱相对应，呈弧形放射状排布，倾斜角度范围为27～30。球铰支座上部连接梭形钢柱，下部连接混凝土基础预埋件（如图3）。预埋件材质与梭形钢柱保持一致，便于进行球铰支座焊接工艺评定。球铰支座安装前先安装预埋件，调整加固后再安装焊接球铰支座，最后浇筑预埋件下混凝土。安装预埋件时，预先在预埋件下混凝土柱内设置埋件支架，浇筑混凝土柱时将埋件支架固定在混凝土中，用于预埋件安装校正与固定。

图3 球铰支座连接示意图

球铰支座结构的上、下支座板采用铸钢材质，在与梭形钢柱焊接施工时，需提前进行焊接工艺评定，采用科学合理的焊接工艺，保证球铰支座的焊接质量。焊接时严格按照焊接工艺施焊，避免因焊缝不均匀收缩引起结构变形和其他焊缝质量问题。球铰支座与混凝土结构的预埋件焊接时，采取先焊接、后浇筑的施工顺序，即先将球铰支座与预埋件之间的焊缝焊接完成，待其探伤合格后，再进行预埋件的浇筑。在浇筑混凝土之前对球铰支座进行方位调整，保证球铰支座安装精度。本工程预埋件下部混凝土采用灌浆料，首次浇筑混凝土时浇筑标高低于预埋件，待球铰支座焊接完成后，使用灌浆料将预埋件完全包裹，避免先浇筑后焊接造成预埋件下混凝土过热开裂，影响结构安全性。

2.2 梭形钢柱施工技术

球铰支座安装校正、焊接完成，埋件下混凝土强度达到梭形钢柱按安装强度以后进行梭形钢柱的安装。考虑车辆运输限制及吊装便利性将梭形钢柱分为4 段，在加工厂进行加工，运输至施工现场后先在地面拼装，分两段进行吊装。减少高空拼装作业，一方面降低高空作业风险，一方面在地面拼装有利于提高梭形钢柱整体直线度与安装精度。梭形钢柱安装采用高低分布的台阶式支撑胎架（如图4），利用高、低两个胎架安装上、下两段梭形钢柱，安装完成校正后将两段梭形柱进行焊接。焊接时严格按照焊接工艺所述的焊接方法进行，避免产生焊接质量问题。

图4 台阶型高低胎架支撑梭形钢柱

梭形钢柱安装前先安装支撑胎架，采用标准型支撑胎架，可增加胎架周转利用次数。在施工前对支撑胎架和梭形钢柱的安装进行有限元分析，利用有限元分析技术得出的支撑胎架和梭形钢柱的变形数据，调整梭形钢柱的施工，合理选用标准型支撑胎架。台阶型布置高低胎架相较于龙门型布置胎架，节省胎架用量将近一半，但胎架整体结构的侧向刚度有所降低，采用热轧H 型钢对高低胎架进行连接加固，并提前在建筑结构上预埋钢埋件，使用热轧H 型钢将胎架焊接连结于建筑结构上，同时拉设缆风绳，提高胎架整体抗变形能力。在胎架顶部设置调节段，对梭形钢柱进行标高的调整。

梭形钢柱安装前，通过有限元分析计算得出梭形钢柱的应力应变数据，确定梭形钢柱预起拱数值，应用到施工测量数据中，避免梭形钢柱在卸载后出现下挠。在安装前，利用有限元分析技术得出的数据确定吊装吊点的位置与选用的钢丝绳规格，利用Tekla Structures 建立三维模型，确定吊装时钢丝绳的长度。梭形钢柱倾斜角度为27～30，主吊点位置设置在吊装构件的重心靠上位置，承担构件的主要重量，为便于对梭形钢柱的安装角度进行调整，在构件底部设置辅助吊点，用于对梭形钢柱的安装角度进行调整（如图5）。

图5 梭形钢柱吊装示意图

梭形钢柱采用350t 履带吊进行吊装，在吊装时提前进行调整，首先布置好吊装钢丝绳，将梭形钢柱提升至离地面300mm，待吊装构件稳定后，检查梭形钢柱安全无误后，将梭形钢柱提升至设计位置并进行校正，调整胎架调节段的高度，对梭形钢柱进行标高调节。由于6 根梭形柱长度、重量各不相同，在分析计算和建立模型时需分别进行，得到不同的数据，施工数据不可复制，但施工顺序相同。为了避免梭形钢柱下挠，对梭形钢柱进行反向起拱，所以吊装完成后，梭形钢柱的空间坐标位置与设计坐标位置有所出入。在梭形钢柱安装完成后，测量梭形钢柱的实际位置坐标，计算梭形钢柱销轴耳板与屋面南侧钢梁接口处的空间距离，为人字形钢梁的地面拼装提供数据支持。

2.3 人字形钢梁施工技术

“人”字形钢梁一端与屋面钢梁焊接连接，一端通过销轴与梭形钢柱相连。考虑加工与运输的便利性，人字形钢梁采用分段加工运输，现场拼装，整体吊装的施工方法进行安装。人字形钢梁与屋面钢梁连接一端的标高低于销轴处标高，整体由南向北呈向上姿态，带有一定的倾斜角度，安装时需进一步控制。采取地面拼装方法，降低高空作业难度与高空作业时间，有利于控制施工成本，降低施工安全风险。

人字形钢梁位于主楼屋面钢梁北段，在屋面南侧钢梁与梭形钢柱安装完成之后安装人字形钢梁。人字形钢梁分段运输至施工现场后，在地面制作胎架，先进行拼装，拼装完成后整体吊装。由于运输车辆的限制人字形钢梁分三段进行加工，每段钢梁需在组装焊缝处留6mm 的间隙。人字形钢梁安装前，首先对屋面钢梁与梭形钢柱销轴耳板进行三维坐标测量，测量得出的数据反馈到使用Tekla Structures 建立的三维模型中，得出人字形钢梁的实际总长度。人字形钢梁构件长度超出测量得到的梭形钢柱与屋面南侧钢梁的净空距离，调整人字形钢梁构件长度，使其满足构件设计要求，并使其契合施工现场的安装需要。

人字形钢梁安装时采用四点吊装，人字形钢梁向上倾斜一定的角度。利用有限元分析技术和Tekla Structures 三维模型技术，确定吊装吊点的位置与选用的钢丝绳规格长度，根据钢丝绳的长度调整人字形钢梁仰角（如图6）。将人字形钢梁吊装离地300mm，待人字形钢梁构件稳定后，对其倾斜仰角进行检查调整，使其能够顺利插入梭形钢柱销轴耳板。选用钢丝绳的规格需要经过有限元分析计算，保证人字形钢梁吊装过程中钢丝绳承受最大拉力时的安全性。

图6 人字形钢梁吊装示意图

人字形钢梁一端通过直径300mm 销轴与梭形钢柱连接，梭形钢柱上设计销轴耳板。人字形钢梁与梭形钢柱销轴耳板的销轴孔直径仅比销轴直径大2mm，在安装时控制人字形钢梁与梭形钢柱的精度十分重要。人字形钢梁安装前测量人字形钢梁设计位置的三维坐标，确定人字形钢梁的安装位置，合理控制人字形钢梁构件加工长度。控制人字形钢梁各构件组装时的焊缝间隙，最后组装人字形钢梁，保证销轴顺利贯穿的同时，提高人字形钢梁的安装精度，保证人字形钢梁焊接端的焊接工艺要求。为营造屋面起伏的建筑效果，梭形钢柱销轴耳板设计高度各不相同，与之对应的人字形钢梁销轴耳板及人字形钢梁仰角也各不相同，在施工时，需分别进行过程分析得出相对应的施工数据，正确引导施工。

2.4 弧形梁施工技术

弧形钢梁位于两个梭形钢柱和人字形钢梁单元中间，起稳固结构体系和营造建筑形象作用。弧形梁位置相对于梭形钢柱后移，人字形钢梁销轴耳板后部设置牛腿与弧形梁连接，人字形钢梁销轴端标高各不相同，弧形梁两端标高也不相同，弧形梁跨度37.5m。根据实际运输情况将弧形梁分为三段在加工厂进行加工，为避免弧形梁下挠，在加工时预先起拱，运输至施工现场后，在地面布置拼装胎架，拼装完成后进行整体吊装。

弧形梁在拼装前，首先测量连接弧形梁两端人字形钢梁牛腿的净空距离。确定弧形梁的空间尺寸数据，根据测量得到的数据，对分为三段的弧形梁进行调整，焊接时严格执行焊接工艺，降低焊接收缩变形对弧形梁整体的影响。弧形梁安装时在梁跨中间位置设置标准支撑胎架，胎架顶部设置调节段，控制弧形梁吊装过程中的下挠变形和弧形梁标高，为钢结构屋面后续构件的安装提供安全保障，待钢构件全部安装完毕后和梭形钢柱下的支撑胎架同步卸载。

弧形梁由于跨度较大，需要对吊装过程进行有限元分析，选择合适的吊点，避免弧形梁在吊装过程中产生较大的下挠变形。综合考虑弧形梁的自重与有限元分析结果，采取四点吊装，两吊点选择在弧形梁中间位置，剩余两吊点选择在弧形梁两端，梁中两吊点的距离考虑350t 履带吊吊钩的尺寸确定（如图7）。根据有限元分析的结果，建立吊装三维模型，弧形梁两端吊点连接钢丝绳用于承担吊装职能的同时，还可利用钢丝绳的长度调整弧形梁两端的标高。弧形梁安装到位后先采用安装螺栓，调整校正完成后，使用扭剪型高强度螺栓替换安装螺栓，扭剪型高强度螺栓终拧后外露丝扣不应少于2 扣，最后进行焊接作业，焊缝探伤合格后，再行安装梭形钢柱体系之间的剩余构件。

图7 弧形梁吊装示意图

3 结语

博物馆类建筑通常承载一定的历史文化特色，常设计较为复杂的结构形式与建筑形象，在施工过程中实现设计意图具有一定的难度。施工过程中对结构进行有限元分析时，应综合考虑结构自重荷载与屋面荷载，避免卸载后的其他施工过程引起结构下挠。通过本文的叙述，将复杂结构施工重难点进行拆分，铺陈施工方法，借助有限元分析技术，总结此类博物馆建筑的施工过程与方法，给以后类似博物馆建筑的施工提供借鉴。