一种 环形大跨度双曲面屋盖管桁架安装新技术

作者；张毅                   

1  工程概况

    天津国际金融会议酒店位于天津滨海新区于家堡金融区起步区一期03 -04地块。该工程地下2层，地上12层，总高约62m。其中屋盖的整体造型呈∞形，最大高度达62m，跨中最大厚度达7.5m，端部结构的厚度逐渐变为0。为满足建筑造型与受力合理性的要求，采用双向桁架体系，将2个塔楼连接为整体。利用8个核心筒和内环框架柱作为竖向支撑，使大跨度悬挑屋盖形成稳定的连体结构。屋盖两侧分别布置有露天游泳池及高尔夫球馆，在其周边的平面桁架上通过局部三角桁架进行转换形成下沉空间（见图1）。

2  施工难点分析

    1)屋盖钢结构杆件较多，现场场地狭小

    屋盖钢结构部分主、次桁架共327榀；桁架间水平系杆约2 700根；现场散装牛腿5 400根，以上杆件的组对、拼装需要大量的场地，而现场可利用的在塔式起重机工作范围内的场地极少，这样，给屋盖杆件的大量组对、拼装造成极大困难。

    2)屋盖焊接节点多、焊接复杂

    屋盖桁架为薄壁管桁架，为增加屋盖管桁架结构面内刚度，采取交叉支撑体系布置，主要以腹杆与弦杆直接焊接，这种焊接方法对现场焊接质量要求高，尤其在每个节点相贯口数量都超过3个，同时屋盖管桁架通过钢管柱柱头与结构外框柱相连，每个球节点需焊接下弦杆、水平撑杆、腹杆、交叉的系杆，且该节点焊接属高空作业，焊接精度要求高，给工人高空作业带来很大困难。

    3)屋盖结构整体跨度大，部分区域为悬挑结构

    屋盖结构水平投影长232m，四周为悬挑结构，最小悬挑距离11m，最大悬挑距离22m，且该部位为室外部分，距离室外地面55m，悬挑部位结构构件的吊装、定位、焊接难度都比较大，同时工人的安全作业难以保证。

3  主要施工方法

3.1  分区分段安装

    首先将屋盖部位分成5个施工区，再将每个施工区划分成若干吊装分块，采取南北对称施工、对称安装的施工顺序（见图2）。

3.2现场拼装

    根据现场塔式起重机的吊重及布置情况将屋盖结构共分成43个吊装分块，同时在12层楼板上布置拼装胎架，每个分块桁架都会在布置好的胎架上安装及焊接（见图3），分块高度由胎架上的支撑点控制，支撑点的标高会在单榀桁架吊装前进行复测，保证桁架的高度准确无误，在吊装整体完成之后会对整体的桁架标高进行再次复测，确保桁架在安装和焊接过程中标高未有变动。在标高控制无误的前提下，对整个分块的桁架焊接质量进行超声波探伤检测，确保焊缝质量能够符合要求，在确认无误后进行单元分块吊装。

3.3  临时支撑胎架设置

    屋盖桁架周圈都是外悬挑结构，最大外悬挑量达22m，每个分块桁架在吊装到高空时都是一个单元体，独立存在，只有靠根部与核心筒或内框柱头焊接的方式才能固定，在横向延伸方向未进行高空对接，由于每个分块外悬挑量大，所以应在外悬挑桁架端部下布置临时支撑，确保屋盖桁架在整体高空焊接完成之前单组分块桁架的稳定。

    临时胎架是桁架拼装及焊接过程中最主要的工序，主要根据桁架的位置、起拱高度、支撑位置等因素进行合理布置，一旦临时胎架出现问题，很容易产生严重的质量、安全事故，必须确保定位胎架的位置准确，固定牢靠后再进行施工。该工程根据屋盖结构形式及特点，施工采用的是格构式支撑和单管支撑形式（见图4）。

3.4钢屋盖分片吊装就位控制

    该工程采用分片高空散装及散装吊装相结合的方法。所以，吊装前应对支撑架的定位进行控制。根据钢屋盖分片的吊装分段尺寸，划出支撑架的十字线，将预先制作好的支撑架吊上支架基础，定对十字线。把十字线驳上支撑架的顶端面和侧面，敲上洋冲，并加以明显标记。用全站仪检测支撑架顶标高是否控制在预定标高之内。钢屋盖分片吊装定位全部采用全站仪进行精确定位，通过平面控制网和高层控制网进行坐标转换，在吊装过程中对构件两端进行测量定位，发现误差及时处理。

3.5焊接施工

    待分块单元吊装就位后进行焊接固定。在大桁架构件的拼装焊接中，由于结构和节点复杂、焊接工作量大，必须采取合理的焊接工艺及焊接方法，对桁架构件的变形收缩、焊接精度、焊接应力的释放有很大影响。该工程屋盖管桁架焊接有几种形式：管桁架与核心筒焊接、管桁架与外框斜钢管柱焊接、管桁架与管桁架焊接。

    对于节点复杂的桁架尽可能采用分块焊接，即先局部后整体的顺序，首先将每个单元分块的主要受力杆件在胎架上进行焊接，每两个单元分块间的嵌补杆件吊装就位后进行焊接，这样可以大大降低高空焊接作业量。对于屋盖桁架与外框斜钢管柱连接节点，采取球形钢管柱柱头与屋盖管桁架吊装单元提前焊接、然后整体吊装的施工方法，该方法充分考虑了屋盖管桁架吊装单元自重大，与钢管柱连接的上、下弦杆及水平腹杆、连接系杆多且焊接工作量大等特点。通过采取钢管柱柱头与柱体分离，将钢管柱柱头与上、下弦杆、腹杆及次桁架进行预拼装，钢管柱柱体后焊接施工的方式，减少了高空焊接作业量，提高了焊接精度，降低了屋盖管桁架与钢管柱焊接难度大，保证了施工质量及安全，加快了施工进度。

    为将复杂问题简单化，在支管与主管的夹角小于900时，将直管端部的相贯焊缝分为A，B，C，D4个区域（见图5），其中A，B区采用坡口等强对接焊缝；D区采用角焊缝，焊缝高度为1.5倍支管壁厚；C区采用坡口角焊缝平滑过渡。在支管与主管相垂直时，支管端部的相贯焊缝分为A，B2个区域。

3.6钢屋盖合拢缝

    考虑工程整体荷载分布、不均匀沉降等因素，结合屋盖安装分区和合拢缝设置数量不易过多等因素，本工程屋盖安装施工共设置4条合拢缝（见图6）。

4  钢屋盖临时支撑卸载

    1)卸载原则在主结构部分施工吊装完成、达到设计验收标准后，即开始结构临时支撑卸载施工。卸载是将屋盖钢结构从支撑受力状态转换到自由受力状态的过程，即在保证现有钢结构临时支撑体系整体受力安全前提下，主体结构由施工安装状态顺利过渡到设计状态。本工程卸载方案遵循卸载过程中结构构件的受力与变形协调、均衡、变化过程缓和、结构多次循环微量下降并便于现场施工操作，即“分区、分节、等量，均衡、缓慢”的原则来实现。

    2)结构体系转换卸载方法  结构体系转换卸载具体方法是通过分级拆除在支架或支撑顶部的胎架模板，按多次循环、微量下降的原则，来实现荷载的平稳转移。

    3)卸载的步骤及方法  采用同区等距（局部不等距）、分步实施的方法来卸载。屋盖钢结构临时支撑卸载是在屋盖整体安装结束后进行，首先卸载I区、Ⅱ区的临时支撑；再卸载Ⅲ区、Ⅳ区的临时支撑，卸载方向为从内侧向外侧（见图7）。

    4)对卸载前后数据统计进行对比，结果符合设计及规范要求，成功卸载。

5  结语

通过对环型大跨度双曲面屋盖管桁架的深入分析与研究创新，极大地提高了现场的施工速度，顺利完成了大跨度、多曲面钢屋盖施工，从构件加工、预拼装，到巨型大跨度屋盖桁架分块吊装，整体拼装成型，最后整体临时胎架的顺利卸载，全过程采用了灵活实用的施工工艺及创新的施工技术，降低了高空焊接的作业量，提高了焊接精度，确保了施工质量及施工安全，加快了施工进度，为类似工程提供借鉴。

6[摘要]于家堡金融区起步区03 -04地块工程屋盖整体造型呈∞形，为复杂空间曲面，曲面轮廓呈马鞍形，最大高度60. 000m,最小高度49.  123m，水平投影尺寸为237. 655m（长）×96. 299m（宽）。屋盖结构分主桁架、次桁架及环向桁架，主次桁架共327榀，桁架间水平系杆共2 700根；现场散装牛腿5 400根。通过采用分块吊装、合理布置支撑胎架、有针对性的焊接工艺，解决了吊装单元构件重所带来的安装复杂、安装精度难以保证、对结构整体变形影响大等不利因素，降低了施工难度，加快了施工进度，保证了施工安全。