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

摘 要：

本文介紹了鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的施工特點(diǎn)及應(yīng)用，并以蒲城縣鹵陽(yáng)湖科普館工程為例，重點(diǎn)對(duì)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(lèi)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(diǎn)；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(mǎn)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(huì)展中心、體育場(chǎng)館、游泳館、候車(chē)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(wèn)題是項(xiàng)目的重難點(diǎn)之一。

圖1   鹵陽(yáng)湖科普宣教館

工程概括

01

鹵陽(yáng)湖科普館項(xiàng)目位于天鹵驕湖連接段湖心島上，項(xiàng)目總投資6848.38萬(wàn)元，建設(shè)用地面積57404 ㎡，建筑面積6566㎡。整個(gè)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(zhǎng)度99.2米，寬度64.9米，高度17米，最大懸挑跨度48米。

鹵陽(yáng)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(diǎn)處的圓管鼓形節(jié)點(diǎn)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(gè)平行四邊形網(wǎng)格內(nèi)利用桿件劃分為數(shù)個(gè)三角形，這樣各網(wǎng)殼梁表面的內(nèi)力分布會(huì)大致相同,大跨度情況下更加穩(wěn)定。

鹵陽(yáng)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(diǎn)

02

鹵陽(yáng)湖科普館網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體長(zhǎng)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(lèi)較多，如此帶來(lái)以下問(wèn)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(cuò)臺(tái)較大，難以保證焊縫質(zhì)量；

（2）同一連接點(diǎn)連接桿件較多，不易施焊，且焊縫多，在安裝過(guò)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(mǎn)足工程的安裝精度，又能滿(mǎn)足建設(shè)工期，成為本項(xiàng)目施工的關(guān)鍵。

解決方法

03

經(jīng)過(guò)分析研究，并參考設(shè)計(jì)院意見(jiàn)，解決方案為在矩形管連接點(diǎn)之間增加可以連接不同截面，不同高度桿件的“鼓形節(jié)點(diǎn)”，如圖5所示。鼓形節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，適用于節(jié)點(diǎn)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(diǎn)剛度較大，也解決了桿件密集不易施焊的問(wèn)題；對(duì)于網(wǎng)殼安裝，經(jīng)過(guò)綜合研究分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(diǎn)

鹵陽(yáng)湖科普館以混凝土型鋼柱為分區(qū)節(jié)點(diǎn)，將主網(wǎng)殼梁分為17個(gè)區(qū)，外懸挑網(wǎng)殼分為20個(gè)區(qū)。按順序由1區(qū)開(kāi)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(chǎng)場(chǎng)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(cè)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(bǔ)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?yàn)橹ё叽缗c上方節(jié)點(diǎn)鋼柱底板尺寸相同，若位置精確程度不夠，將會(huì)導(dǎo)致后期鋼梁拼接困難，遇到錯(cuò)位、間距不符等問(wèn)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(shí)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(diǎn)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(cuò)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(guò)程為先制作6個(gè)節(jié)點(diǎn)和5個(gè)節(jié)點(diǎn)的胎具，在場(chǎng)地西側(cè)混凝土地面放出軸線，節(jié)點(diǎn)按照設(shè)計(jì)圖布置，以保證安裝的準(zhǔn)確性，胎具每個(gè)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(diǎn)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(kāi)始以條、塊為單位安裝單根主網(wǎng)殼梁，1區(qū)安裝從1號(hào)單根主網(wǎng)殼梁至8號(hào)單根主網(wǎng)殼梁依次安裝，再進(jìn)行9號(hào)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(chē)將梁拉至對(duì)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(diǎn)需要對(duì)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(diǎn)焊臨時(shí)固定，將對(duì)應(yīng)的梁用吊車(chē)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(diǎn)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(hào)梁重量為46972kg，2號(hào)梁重量為6042kg，3號(hào)梁重量為3349kg，4號(hào)梁重量為4393kg，5號(hào)梁重量為2541kg，6號(hào)梁重量為1895g，7號(hào)梁重量為1778kg，8號(hào)梁重量為1978kg。剩余的9號(hào)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(jì)藍(lán)圖要求，網(wǎng)殼梁與鼓形節(jié)點(diǎn)的12條縱縫及12條橫縫為一級(jí)焊縫，主要焊接方式為加襯板的坡口熔透焊。先用焊機(jī)將網(wǎng)殼梁與鼓形節(jié)點(diǎn)點(diǎn)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(yùn)到地面進(jìn)行焊接。焊接時(shí)，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(guò)大。按照設(shè)計(jì)規(guī)范及施工藍(lán)圖要求對(duì)焊縫進(jìn)行第三方探傷，若焊縫內(nèi)無(wú)氣泡、無(wú)夾渣、無(wú)焊瘤、無(wú)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(wèn)題，必須按照施工工藝及現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)交底要求整改，按照科普館報(bào)檢規(guī)程進(jìn)行每個(gè)工序的報(bào)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(chǎng)總工的意見(jiàn)，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(shí)我項(xiàng)目采用了每隔500mm尺寸焊接對(duì)稱(chēng)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?yàn)閺闹虚g向梁端逐步施焊，現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)，以保證單根主網(wǎng)殼梁的構(gòu)件尺寸無(wú)誤差。

圖11  桿件和鼓形節(jié)點(diǎn)間的焊接

為了保證本項(xiàng)目單根主網(wǎng)殼梁焊接尺寸，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的變形情況，進(jìn)行焊接過(guò)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(guò)程中對(duì)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(xiàng)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(shí)，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(shí)，調(diào)節(jié)電焊機(jī)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(jī)修補(bǔ)后，再進(jìn)行修補(bǔ)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(guò)水平尺、經(jīng)緯儀及卷尺、圖紙等工具對(duì)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(shí)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(guò)軸線及鼓形節(jié)點(diǎn)高差進(jìn)行控制，根據(jù)拼焊時(shí)的擋塊定位位置來(lái)確保單根主網(wǎng)殼梁的高差控制，焊接過(guò)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(duì)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(duì)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(shí)應(yīng)用在鹵陽(yáng)湖科普館項(xiàng)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(guò)98％；構(gòu)件尺寸精度較高，所有構(gòu)件在現(xiàn)場(chǎng)一次性安裝成功，對(duì)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(píng)。

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(yàn)，也為后續(xù)類(lèi)似項(xiàng)目的施工提供了重要的借鑒作用。