淺談某單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，鼓形節(jié)點的應(yīng)用

摘 要：

本文介紹了鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的施工特點及應(yīng)用，并以蒲城縣鹵陽湖科普館工程為例，重點對鋼網(wǎng)殼安裝關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述，明確了施工工藝流程，為后續(xù)類似鋼網(wǎng)殼的安裝提供參考。

關(guān)鍵詞：

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；空間曲面網(wǎng)格；鼓形節(jié)點；網(wǎng)殼梁焊接

引言

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種可以最大程度滿足不同曲度要求及節(jié)省用鋼量的空間結(jié)構(gòu)，主要由各種不同規(guī)格的桿件在空間體系中按一定的規(guī)律組合而成，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)既有桿系性質(zhì)又兼具殼系性質(zhì)，受力合理，結(jié)構(gòu)具有較大的剛度，可以跨越較大的跨度。主要應(yīng)用于大型會展中心、體育場館、游泳館、候車廳等需要最大自由空間的結(jié)構(gòu)。

但因其跨度大，構(gòu)件多，所以網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的安裝問題是項目的重難點之一。

圖1   鹵陽湖科普宣教館

工程概括

01

鹵陽湖科普館項目位于天鹵驕湖連接段湖心島上，項目總投資6848.38萬元，建設(shè)用地面積57404 ㎡，建筑面積6566㎡。整個結(jié)構(gòu)為混凝土型鋼柱+球型支座+鋼網(wǎng)殼，屋面為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，長度99.2米，寬度64.9米，高度17米，最大懸挑跨度48米。

鹵陽湖科普館屋面網(wǎng)殼為雙曲率弧面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，中心凸起，向四周逐漸趨于平緩，桿件以直代曲，外形酷似草帽，主要由矩形管桿件和桿件相交點處的圓管鼓形節(jié)點構(gòu)成。按相應(yīng)的軸線將科普館網(wǎng)殼屋面劃分為平行四邊形，每個平行四邊形網(wǎng)格內(nèi)利用桿件劃分為數(shù)個三角形，這樣各網(wǎng)殼梁表面的內(nèi)力分布會大致相同,大跨度情況下更加穩(wěn)定。

鹵陽湖科普館分為上下2層，上層為屋面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；下層為屋面網(wǎng)殼正下方直徑為24米的球殼，為空間曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。如下圖所示：

圖2    上層：網(wǎng)殼示意圖

圖3   下層：球殼示意圖

圖4   網(wǎng)殼局部俯視圖

安裝難點

02

鹵陽湖科普館網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體長度99.2米，寬度64.9米，高度17米，最大懸挑跨度48米。有2937根矩形桿件，且桿件截面種類較多，如此帶來以下問題：

（1）桿件數(shù)量多，相鄰桿件截面大都不同且存在高度差，直接連接錯臺較大，難以保證焊縫質(zhì)量；

（2）同一連接點連接桿件較多，不易施焊，且焊縫多，在安裝過程中易出現(xiàn)累積偏差；

（3）建筑跨度大，在高空中不易安裝；

（4）此外本網(wǎng)殼梁施工周期短，任務(wù)重。采取何種施工方案，既要滿足工程的安裝精度，又能滿足建設(shè)工期，成為本項目施工的關(guān)鍵。

解決方法

03

經(jīng)過分析研究，并參考設(shè)計院意見，解決方案為在矩形管連接點之間增加可以連接不同截面，不同高度桿件的“鼓形節(jié)點”，如圖5所示。鼓形節(jié)點構(gòu)造簡單，適用于節(jié)點處多管連接，易于加工和安裝。能適應(yīng)構(gòu)件存在一定扭轉(zhuǎn)角，傳遞彎矩作用直接，受力性能好，節(jié)點剛度較大，也解決了桿件密集不易施焊的問題；對于網(wǎng)殼安裝，經(jīng)過綜合研究分析，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，確保安裝精度和效率，采取“分區(qū)地面預(yù)拼裝，高空組合”的施工方案，分區(qū)圖如圖6所示。

圖5   鼓形節(jié)點

鹵陽湖科普館以混凝土型鋼柱為分區(qū)節(jié)點，將主網(wǎng)殼梁分為17個區(qū)，外懸挑網(wǎng)殼分為20個區(qū)。按順序由1區(qū)開始依次安裝框架內(nèi)構(gòu)件，框架外懸挑構(gòu)件區(qū)域根據(jù)現(xiàn)場場地情況及吊裝條件靈活考慮。

圖6   網(wǎng)殼分區(qū)示意圖

具體方案

04

施工流程：

技術(shù)準(zhǔn)備 →測量放線 →球型支座安裝 →胎具加工→地面單根網(wǎng)殼主梁拼裝→單根網(wǎng)殼主梁高空吊裝 →散裝豎向、斜向網(wǎng)殼梁→補漆→自檢。

球型支座為網(wǎng)架安裝的第一步，安裝需格外注意放線精度，因為支座尺寸與上方節(jié)點鋼柱底板尺寸相同，若位置精確程度不夠，將會導(dǎo)致后期鋼梁拼接困難，遇到錯位、間距不符等問題。球型支座位于鋼混柱上方，如圖7所示，首先確定其偏軸線情況，以圖中的球型支座舉例，支座中心位置向西偏離軸線50mm，則需要在放線時向西讓出50mm。放線使用全站儀加經(jīng)緯儀，利用土建提供的放樣坐標(biāo)圖，在鋼混柱柱腳或附近合適位置（因與土建交叉施工造成的視線，位置被遮擋的情況）放出點位，再用經(jīng)緯儀引至柱頂，球型支座在柱頂先不焊接，給上方的梁留出容錯空間，便于后續(xù)調(diào)整。

圖7   安裝球形支座

胎具的作用是把屋面的雙曲率弧面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)（“草帽結(jié)構(gòu)”）分成區(qū)塊后在地面拼裝，以方便焊接和控制坐標(biāo)及標(biāo)高。施工過程為先制作6個節(jié)點和5個節(jié)點的胎具，在場地西側(cè)混凝土地面放出軸線，節(jié)點按照設(shè)計圖布置，以保證安裝的準(zhǔn)確性，胎具每個樁由雙層圓管（外徑108mm，6mm厚和外徑89mm，6mm厚），和槽鋼組成，圓管高度隨節(jié)點變化改變，最低處的圓管設(shè)置為30cm高度，以方便梁的焊接。槽鋼反扣到圓管上，兩端焊接上下好料的槽鋼，找出平面，組成可調(diào)節(jié)高度的胎架，胎架用槽鋼兩兩相連固定。

圖8   胎具

屋面網(wǎng)殼梁結(jié)構(gòu)從1區(qū)開始以條、塊為單位安裝單根主網(wǎng)殼梁，1區(qū)安裝從1號單根主網(wǎng)殼梁至8號單根主網(wǎng)殼梁依次安裝，再進(jìn)行9號豎向鋼梁及斜向鋼梁散裝。

圖9   地面預(yù)拼裝

東西方向和南北方向的梁組成后采用整體起吊的方法，先用板車將梁拉至對應(yīng)位置然后吊裝，例如1-C軸的10線到11線，跨距16m，梁總重3.5噸，吊至球型支座上方后焊接完成后松鉤。已有圓管的節(jié)點需要對接并焊上，待焊接完成后松鉤。

在胎架上根據(jù)彈好的軸線確定圓管構(gòu)件放置的位置，就位后用點焊臨時固定，將對應(yīng)的梁用吊車吊起從上方落入指定位置，先焊接上下平縫，再焊接兩側(cè)立縫以降低收縮變形的影響，再確定梁應(yīng)焊接至節(jié)點圓管的位置，拿石板筆進(jìn)行標(biāo)記，然后進(jìn)行吊裝并焊接。拼裝完成后的1號梁重量為46972kg，2號梁重量為6042kg，3號梁重量為3349kg，4號梁重量為4393kg，5號梁重量為2541kg，6號梁重量為1895g，7號梁重量為1778kg，8號梁重量為1978kg。剩余的9號梁多為1000kg以下的單梁依次安裝。

圖10   區(qū)網(wǎng)殼梁安裝順序圖

根據(jù)設(shè)計藍(lán)圖要求，網(wǎng)殼梁與鼓形節(jié)點的12條縱縫及12條橫縫為一級焊縫，主要焊接方式為加襯板的坡口熔透焊。先用焊機將網(wǎng)殼梁與鼓形節(jié)點點焊，再進(jìn)行焊縫打底，確保單根主網(wǎng)殼梁尺寸標(biāo)準(zhǔn)，然后吊運到地面進(jìn)行焊接。焊接時，由多人從兩端向中間方向以每隔500mm尺寸間斷焊接，以減小單根主網(wǎng)殼梁的焊接應(yīng)力，防止單根主網(wǎng)殼梁焊接變形過大。按照設(shè)計規(guī)范及施工藍(lán)圖要求對焊縫進(jìn)行第三方探傷，若焊縫內(nèi)無氣泡、無夾渣、無焊瘤、無裂紋等，進(jìn)而轉(zhuǎn)入待安裝區(qū)域，若焊縫出現(xiàn)質(zhì)量問題，必須按照施工工藝及現(xiàn)場技術(shù)交底要求整改，按照科普館報檢規(guī)程進(jìn)行每個工序的報檢，待整改完成后轉(zhuǎn)入待安裝區(qū)域。

根據(jù)施工工藝要求及現(xiàn)場總工的意見，保證焊接期間最大程度減小焊接變形量，減小構(gòu)件拼接完成后的校正及矯正難度。拼焊分區(qū)單根主網(wǎng)殼梁時我項目采用了每隔500mm尺寸焊接對稱施工焊法。如下圖所示，根據(jù)單根主網(wǎng)殼梁的焊接變形情況，按照施工工藝調(diào)節(jié)焊接順序。單根主網(wǎng)殼梁焊接順序為從中間向梁端逐步施焊，現(xiàn)場拼焊施工順序可根據(jù)變形情況進(jìn)行調(diào)整。單根主網(wǎng)殼梁焊接完成后進(jìn)行火焰校正，待校正完成后吊裝上胎架進(jìn)行尺寸復(fù)驗，以保證單根主網(wǎng)殼梁的構(gòu)件尺寸無誤差。

圖11  桿件和鼓形節(jié)點間的焊接

為了保證本項目單根主網(wǎng)殼梁焊接尺寸，根據(jù)現(xiàn)場實際的變形情況，進(jìn)行焊接過程控制及調(diào)整焊接順序以達(dá)到單根主網(wǎng)殼梁尺寸標(biāo)準(zhǔn)。為保證焊縫的垂直度，在焊接過程中對單根主網(wǎng)殼梁進(jìn)行翻轉(zhuǎn)調(diào)整，以保證仰焊變成平焊，從而降低焊接難度，保證本項目單根主網(wǎng)殼梁構(gòu)件尺寸。

單根主網(wǎng)殼梁最后一道焊縫焊接時，沿著最后一條焊縫方向連接好銅線引弧塊，調(diào)整焊槍與焊縫之間的距離，待焊接至焊縫末端50mm處時，調(diào)節(jié)電焊機電流大小，沿著焊縫方向至熄弧板上進(jìn)行收弧。將引弧板與熄弧部分的多余焊縫進(jìn)行切割，用角磨機修補后，再進(jìn)行修補漆膜，單根主梁尺寸精度復(fù)合完成后，吊裝至安裝區(qū)域。

通過水平尺、經(jīng)緯儀及卷尺、圖紙等工具對圓管胎架尺寸、單根主梁焊前尺寸、單根主梁焊后尺寸進(jìn)行多次復(fù)核以實現(xiàn)單根主網(wǎng)殼梁一次性成型。

由于12區(qū)單根主網(wǎng)殼梁高差尺寸較大，12區(qū)單根主網(wǎng)殼梁尺寸檢查較為困難，在地面進(jìn)行平面胎架組裝，平面胎架通過軸線及鼓形節(jié)點高差進(jìn)行控制，根據(jù)拼焊時的擋塊定位位置來確保單根主網(wǎng)殼梁的高差控制，焊接過程中只要采取正確的焊接順序和方法措施，就可以保證單根主網(wǎng)殼梁的構(gòu)件尺寸。對于局部變形，采用火焰噴槍進(jìn)行校正，確保單根主網(wǎng)殼梁符合構(gòu)件質(zhì)量要求。

圖12   高空拼裝

小結(jié)

05

由于對單根主網(wǎng)殼梁構(gòu)件制作與安裝關(guān)鍵技術(shù)的研究，并將成果及時應(yīng)用在鹵陽湖科普館項目中，大大降低了加工和焊接難度，減少了吊裝工作量，所以構(gòu)件質(zhì)量良好，焊縫一次性探傷合格率超過98％；構(gòu)件尺寸精度較高，所有構(gòu)件在現(xiàn)場一次性安裝成功，對接正確率100％。工程質(zhì)量和進(jìn)度得到施工方和監(jiān)理單位的一致性好評。

本文的安裝工藝及主要關(guān)鍵技術(shù)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果和安裝經(jīng)驗，也為后續(xù)類似項目的施工提供了重要的借鑒作用。