大跨度钢网壳外扩拼装与拔杆接力提升结合安装技术.doc

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大跨度钢网壳外扩拼装与拔杆接力提升结合安装技术
本文详细介绍了自行车馆工程大跨度钢网壳屋架外扩拼装与拔杆接力提升结合安装技术，从质量、安全、工期、经济性等方面综合分析了其应用效果。
一 概况
**自行车馆圆形钢结构屋盖水平投影直径149.536m，钢网壳跨度133.06m，矢高14.69m，网壳厚度2.8m，顶标高35.29m，整个屋盖系统是由双层球面焊接球网壳、全封闭相贯线节点环形管桁架、24组向外倾斜15°、高度10.35m的人字柱以及24组球铰可转动铸钢支座组成的组合结构体系。整个屋盖系统总重量约2000吨。

图1 钢网壳外观

图2 网壳主要外形尺寸示意图

施工中为便于区分，将整个屋盖系统分为A、B、C三个区，其中：A区为焊接球网壳部分，B区为环梁系统，C区为人字柱和铸钢支座（如下图示）。

图3 屋盖系统分区图

A区网壳覆盖直径133.06m，正放四角锥焊接球节点，网格尺寸约4m，总重量570吨。

二 施工方法概述
钢网壳安装采用外扩拼装与拔杆接力提升相结合的施工方法，逐圈外扩、逐步提升，提升系统采用由绞磨牵引的独脚拔杆系统。首先，在高度5.0m的混凝土平台上放出中心控制点和控制轴线，砌设支撑砖墩，由中心开始拼装网壳，逐圈向外扩散，当周围无法向外继续拼装时开始提升，每次提升高度满足外扩2-3
圈的要求，依次循环。提升拔杆系统由内环、中环、外环三圈拔杆组成。其中，内环共设置8根拔杆，采用Φ325×8钢管，布置在直径约40m的圆环上，提升网壳最大直径范围为72m，重量190吨；中环共设置14根拔杆，采用Φ450×10钢管，布置在直径约70米的圆环上，提升网壳最大直径范围为103m，重量400吨；外环共设置24根拔杆，采用Φ450×10和Φ480×8钢管，布置在直径约90m的圆环上，提升网壳最大直径范围为125m，重量520吨。随着网壳的外扩拼装，三圈拔杆以接力的方式完成网壳的提升任务。内环、中环拔杆分别在中环、外环拔杆完全受力后退出工作并拆除，整个网壳共分六次完成提升就位。

图5 钢网壳安装方法示意图

三 施工重点难点分析
1．钢网壳跨度大、高度大， 安装精度控制和焊接质量保证存在一定难度。
2．网壳在施工时的受力状态和受力模型处于不断变化之中，施工前必须全面考虑施工过程中的各种不利工况并进行验算。
3．拔杆群为临时支撑系统，柔性拉结体系，须长时间承受网壳自重，抵抗施工期间可能出现的各种荷载，保持自身的安全和稳定性。
4．拔杆转换过程中网壳及拔杆系统的受力状况复杂，应力变化大，存在一定的安全风险。
5．拔杆数量多，每根拔杆的提升动力由两台绞磨牵引，提升中的统一指挥、同步控制难度大。

6．网壳逐圈外扩，分次提升，最大直径为125m，重量520吨，空中微调难度大。

四 网壳拼装提升施工工艺
1．施工工艺流程
测量放线→砖墩砌设→网壳从中心开始外扩拼装至72m→内环拔杆架设→提升→继续向外扩散拼装至103m→中环拔杆架设→提升→继续向外扩散拼装至130m→外环拔杆架设→提升
2．测量放线
首先在混凝土结构5m平台上利用统一的基准控制点引测网壳中心控制点和控制轴线，该控制点和控制轴线应与混凝土结构施工控制网校核一致，利用该控制网引测网壳中心下弦球控制线，作为砌设砖墩的控制线。
3．砖墩砌设
在下弦球控制线位置楼板上砌设高度为200-500mm的砖墩，砖墩截面为240mm×240mm。网架拼装时用水准仪找平，用木楔子垫实。

图6 下弦临时支撑砖垛做法
4. 网壳从中心开始外扩拼装
混凝土楼面六个砖墩上分别测定中心十字线，将网架下弦球节点放在相应的位置，并连接拼装节点间杆件，形成下弦六边形单元网格，再用三根腹杆将上弦中心球定位，使上弦球中心与地面投影中心位置吻合，连接拼装其它三根腹杆，形成一个小单元基准控制点。中心区拼装焊接完成后，利用球和杆之间的相互定位逐渐向外扩展拼装，杆件和球就位后先点焊固定，每圈闭合后方可进行下一圈
的拼装。外围构件采用类似的方法扩展拼接。
5．球-杆焊接
设计要求球－杆焊缝为二级焊缝，按照规范要求，二级焊缝可抽查20%进行超声波探伤，本工程为了确保焊缝质量，都进行100%的超声波探伤。

图7 球-杆焊接操作

图8 焊缝质量

图9 对焊缝进行超声波测试

图10 球节点区除锈

图11 油漆补涂
5．拔杆架设
拔杆的架设与网壳拼装穿插同步进行，提升前完成拔杆系统的安装、调试和验收等工作，拔杆的设置位置应避开网架节点、杆件位置，尽可能的沿圆周均匀布置，同时应尽量落在混凝土柱头或梁上，减少对混凝土结构的加固工作量。拔杆底部自由坐落于地基上，相邻拔杆之间用钢丝绳拉结，拔杆顶部用钢丝绳相互拉结，每一组拔杆形成柔性封闭圈，每根拔杆外测沿径向用缆风绳拉结，使拔杆形成理想的两端铰支结构。每根拔杆顶部设两个对称吊耳，每个吊耳设一套六门滑轮组，通过底部导向滑轮由一台绞磨牵引。拔杆的高度由网壳提升最大高度确定，断面尺寸通过稳定性验算确定。根据以上原则，内环拔杆由8跟Φ325×8钢管组成，全部坐落于混凝土柱头上，单根拔杆最大承重量为25吨；中环拔杆群由14根Φ450×10钢管组成，其中4跟落在混凝土柱头上，4跟落在混凝土梁上，6根穿过后浇带落在地面上；外环拔杆群由24根Φ480×8钢管组成，其中12跟落在混凝土柱头上，12根落在混凝土梁上。

图12 拔杆平面位置布置图

6．分次提升
6.1 当网壳下弦扩展至第五圈时。第一圈拔杆与网壳形成穿插，此时进行第一次网壳的整体提升。
6.2 当网壳下弦扩展至第七圈时，第二圈拔杆与网壳形成穿插。第一圈拔杆和第二圈拔杆共同承担网壳结构重量，提升后，第一圈拔杆退出工作，所有重量由第二圈拔杆承担。以此类推，第三圈拔杆开始参与工作后，第二圈退出工作。下图示出了“网壳逐圈外扩、逐级提升、最终整体提升到位，与环形桁架空中合拢”的过程。

图13 逐圈外扩逐步提升示意图

6.3 网壳共分六次提升到设计标高，随着网壳外扩，拔杆数量和提升人员不断增加。最后一次提升在2006年1月12日完成，提升网壳直径125米，重量520吨，提升高度12米，共动用600人同步推动52台绞磨完成提升任务。

图14 网壳提升的过程

五 技术保证措施
1．在详图设计时，根据钢管规格预留焊接收缩余量，抵消焊接收缩变形。
2．对网壳提升过程中的各种受力工况进行了结构验算，控制了杆件应力比，对应力比超过0.7的杆件进行了代换或加固。
3．对拔杆系统各种受力状态进行了验算，根据验算结果确定拔杆截面，保证拔杆系统杂提升过程中的稳定性。
4．增加了拔杆转换过程中的结构受力分析验算，保证拔杆接力过程中结构的安全。

六 质量控制措施
1．严格控制网壳杆件下料尺寸精度，确保下料偏差不超过±1mm，保证了网壳拼装及焊接后的总体尺寸精度。
2．加强测量复验制度，保证测量基准的统一。对中心控制点、控制轴线由不同的人员，采用不同的方法反复复核无误后做好永久性控制标记，作为控制基准。
3．网壳逐圈外扩施工，每一圈的安装、焊接、涂装工序都作为一个单独验
收批独立验收，保证检查、验收的及时跟进。
4．加大了焊缝抽查比例，所有球杆对接二级焊缝全部进行了100%超声波监测。
5．编制了冬施方案，进行了低温焊接工艺评定，指导现场冬施焊接工作。
6．每一圈拔杆系统架设后，作为专项内容单独验收，加强观测。

七 安全措施
1．根据吊装验算结果，施工中对网壳关键杆件和拔杆系统进行了应力应变监测，保证施工中网壳结构和拔杆系统应力处于受控状态。
2．对提升系统钢丝绳进行了现场拉力试验，对拔杆地基进行了钎探和试压
3．对拔杆底部混凝土结构进行了支撑加固，保证混凝土结构只受压，不受弯。

图15 对拔杆底部的混凝土梁进行支撑加固

4．加强了施工过程中拔杆垂直度和地基沉降的监测。
5．每次提升前逐级报批，建立统一指挥系统，职责分工明确，保证提升过程的协调统一。

八 应用效果
1．质量方面
所有焊缝100％通过超声波检测合格；520吨重、125米跨度的网壳，提升12m到位，竖向变形50mm，中心偏差15mm，（规范规定允许竖向变形71mm，中心偏差30mm）。
2．工期方面
“外扩拼装、逐级提升”的方法使钢网壳与周边混凝土结构可以交叉施工，与混凝土结构完成后再整体拼装提升钢网壳相比较，进度明显加块。本工程借助成功的管理和先进的施工技术，在所有新建奥运场馆中第一个完成主体结构的施工，得到了建设单位的好评。
3．安全方面
绝大部分安装都在低空作业，避免了高空作业，施工安全得到了有效保障。
4．经济性方面:
该方法采用人工推动绞磨提供动力，无大型机械的投入；逐级外扩拼装，无须搭设满堂红脚手架；钢网壳与混凝土结构同时施工，节约工期，这些都为降低工程成本，提高经济效益起到了积极和显著的作用。

九 施工体会
**自行车馆工程的钢网壳屋架是迄今为止我国跨度最大的双层球面网壳结构，其中心网壳的提升是施工的难点之一，我们在进行了大量调研和多次专家论证的基础上，创造性的提出“外扩拼装与拔杆接力提升结合“的施工方法，传统拔杆工艺与先进的应力应变监测技术的组合应用互为补充，将传统工艺与现代科技有机结合起来，提升了施工工艺的科技含量，保证了施工安全。
以人力推绞磨为动力，以拔杆群相互拉结为承重机构，以滑轮组为牵引装置的整体提升系统在本工程中的成功应用，为大跨度结构整体提升技术在工程实践中的应用提供了新的思路，对今后类似工程施工具有一定的借鉴和指导意义。