弦支穹顶组合式屋盖的建筑设计方法与施工技术浅析

黄运客

摘要：本文以沧州市城乡规划馆屋盖工程为例，首先介绍了弦支穹顶组合式屋盖的工艺原理及工法特点，然后对弦支穹顶组合式屋盖的施工进行了探讨，最后提出了控制施工质量和安全的措施。

关键词: 弦支穹顶；原理；施工；质量控制

中图分类号： TV523 文献标识码： A 文章编号：

1工程简介

沧州市城乡规划馆屋盖工程位于河北省沧州市运河新区，屋盖结构部分采用外圈径向管桁架与内部弦支穹顶组合构成。钢结构屋盖跨度为42.6m，矢高为4.25m，屋盖覆盖面积约为2000m2。弦支穹顶结构是基于张拉整体概念并综合了单层网壳和索穹顶结构的优点后发展起来的一种预应力大跨度网格结构体系。通过近年来的不断努力，确定了先进的外圈径向管桁架与内部弦支穹顶组合钢结构，与传统的上部单层网壳结构相比，大幅减少了钢结构用钢量。施工中，采用叉耳内旋式锚具工装张拉径向钢拉杆，通过分级分步实施张拉控制，确保了工程质量。

2弦支穹顶组合式屋盖的工艺原理

2.1屋盖位于内环，综合考虑径向管桁架结构特征及使用荷载要求，在屋盖覆盖面积范围内自基础底板顶直至屋盖最高点搭设满堂红脚手架支撑。

2.2所有桁架构件，全部在工厂定型加工，汽车运输至施工现场。按照图纸要求对桁架构件进行拉弯加工，确保桁架外观造型达到设计要求。按照图纸要求对于复杂节点进行多维放样，确定相贯面，钢管的相贯面切割应采用五维相贯线自动切割机切成带变化剖口的与连接管外表面完全吻合的空间曲线。

2.3现场进行桁架单元的拼装。吊装时要合理选择吊点，使主桁架起吊后两端的高差基本与设计高差相同，确保操作安全，安装精准。为确保屋盖整体结构的安装精度，采用全站仪三维坐标测绘方法实现主桁架结构单元的空间定位。

2.4模块化安装桁架单元体至屋盖桁架安装闭合后，再安装撑杆、环向钢拉杆及径向钢拉杆，最后按照分两级共十六步张拉施工原则，第一级先分四步张拉外环径向钢拉杆，再分四步张拉内环径向钢拉杆，然后按照同样的顺序张拉第二级，采用叉耳内旋式锚具工装实现径向预应力钢拉杆张拉。

3弦支穹顶组合式屋盖的工法特点

3.1外圈径向管桁架与内部弦支穹顶组合钢结构设计，改变了传统的上部单层网壳形式，设计形式新颖简洁，受力体系安全、合理。上部结构选用径向管桁架，减少了用钢量，节省了人工，有效降低了工程造价和施工成本。

3.2充分考虑钢结构屋盖设计特点，将上层径向管桁架分成16个相同单元体，依据模块化概念，通过现场工装，预拼组合，吊装精准就位后实施一次焊接，完成组拼。

3.3全部桁架拼装完成后，采用叉耳内旋式锚具工装张拉径向钢拉杆。张拉工艺采用先外径后内径，分两级、四步实施。通过张拉径向钢拉杆使屋盖脱离满堂红脚手架支撑，形成整体，钢结构屋盖支承于周圈16根钢骨混凝土短柱柱顶。

3.4充分考虑到屋盖结构工况以及单元体桁架重量，采用QTZ7030型塔吊完成钢结构构件吊装，既能满足安装需要又能节约成本。

4弦支穹顶组合式屋盖的施工工艺流程及操作要点

4.1工艺流程

径向管桁架与弦支穹顶结构组合式屋盖施工工艺流程如图1：

图1径向管桁架与弦支穹顶结构组合式屋盖施工工艺流程图

4.2操作要点

4.2.1设计方案优化

根据该屋盖工程跨度及造型要求，改变了传统的上部单层网壳与弦支穹顶结构组合的钢结构屋盖形式，优化设计方案，通过计算机仿真模拟分析，确定了外圈径向管桁架与内部弦支穹顶组合钢结构形式。

4.2.2满堂红脚手架搭设

搭设形式为满堂红脚手架形式。根据桁架结构特征，由于屋盖桁架自重较轻，脚手架搭设尺寸为：立杆纵横间距1.5m，横杆步距1.2m。自基础底板顶开始搭设直至屋面管桁架最高点。

4.2.3管桁架安装

（1）安装定位支座，校核轴线偏差；

（2）模块化拼装桁架吊装单元体，从起始安装位置向两侧进行安装；

（3）继续安装直至外圈桁架全部安装完成；

（4）安装中心环桁架。中心环桁架在安装过程中，由于没有任何约束，仅是临时固定在承重脚手架上，因此该环的空间定位必须准确，并保证其稳定性；利用全站仪测放中心点坐标，并控制主弦杆的连接接口上弦的坐标值，根据坐标值控制中心环的安装精度。

（5）安装外环主桁架与中心环桁架之间的桁架，安装方法及安装顺序与安装外环时相似；

（6）按此方法，分别向两个方向进行安装连接桁架，直至屋盖桁架安装完毕；

（7）安装撑杆、环向及径向钢拉杆。

4.2.4焊接工艺

（1）焊接方法：采用手工电弧焊进行焊接。

（2）焊接材料：钢材材质为Q235B，选用E4303焊条；钢材材质为Q345B，选用E5016焊条。

（3）焊接工艺评定：

按照JGJ81—2002标准规定，对施焊材料进行焊接工艺评定，以获得可靠和适宜的焊接工艺参数及方法。焊接工艺评定应以可靠的焊接性能为依据。Q235B、Q345B具有良好的焊接性能。焊接工艺评定所用的设备、仪表应处于正常工作状态，钢材、焊接材料必须符合相应标准，由熟练的焊接人员使用焊接设备焊接试件。

4.2.5张拉径向钢拉杆施工

（1）张拉前施工准备：

确认拉索质量合格，工序检验合格，张拉力按标定的数值进行；张拉前认真检查张拉设备及与张拉设备相接的钢索，确认张拉设备配套计量标定的书面报告，核对设备编号与标定报告相符，并在有效期内，以保证张拉安全、有效；张拉前确认张拉顺序及程序，施工初始力和最终张拉力及其对应的应力值；按施工方案的规定顺序分阶段张拉。

（2）张拉操作要点：

张拉严格按照操作规程进行，正确使用张拉设备，张拉设备形心应与钢索在同一轴线，控制给油速度，给油时间不应低于0.5min；严格按照张拉力对应的应力值进行张拉施工；并认真做好施工记录。

5弦支穹顶组合式屋盖的施工质量控制

5.1径向管桁架与弦支穹顶结构施工的质量验收标准

钢结构施工质量应遵守《建筑工程施工质量验收统一标准》（GB50300-2001）、《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）、《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）及《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）的相关要求。

表1

表2

5.2管桁架钢结构安装施工质量控制

5.2.1钢骨混凝土柱安装

根据图纸设计中的坐标位置进行实地放线，确保钢骨柱位置准确。固定好钢骨柱后，搭设钢模板，调整钢模板位置，然后浇筑高强灌浆料。

5.2.2焊缝施工质量控制

（1）根据设计图纸要求，所有径向管对接焊缝为一级焊缝。环向对接焊缝为二级焊缝，径向管与环向管相贯口焊缝为熔深不小于8mm的熔透焊缝。剩余焊缝为三级焊缝。

（2）对钢结构钢桁架径向对接焊缝（一级焊缝）进行100%超声波探伤检测。内圈环向管与外圈环向管对接焊缝为二级焊缝，20%数量的焊缝自检合格，并且经第三方检测合格。径向桁架与环向管相贯口焊缝按照设计要求熔透8mm及斜腹杆与径向管连接处焊缝数量的20%经自检合格，并且经第三方检测合格。其它焊缝为三级焊缝经自检符合要求。

6安全控制措施

6.1 所有人员进入施工现场必须正确佩戴符合标准的安全帽。高处作业必须系好安全带，并按相关规定进行验收、使用，安全带必须符合相关标准的规定。

6.2 架子工必须持证上岗，严禁带病作业，禁止酒后作业。

6.3 搭设脚手架必须由专人指挥，并划出工作标志，禁止行人入内，严禁在无人指挥下作业。

6.4 拆除脚手架时，应作好配合、协调工作，按照先搭后拆的顺序进行。在拆除过程中，凡已松开的连接杆配件应及时拆除运走。

6.5 施工现场临时用电采用TN-S系统，符合“三级配电逐级保护”，达到“一机、一箱、一闸、一漏”的要求。电箱设置、线路敷设、接零保护、接地装置、电气联接、漏电保护等各种配电装置符合《施工现场临时用电安全技术规范》。

6.6 对电工、电动机具的操作工和焊工应按规定配置防护用品，对操作工人应进行用电安全教育。使用电焊机应单独设开关，电焊机外壳应做接零或接地保护。

6.7施工现场机械严禁超载和带病运行，运行中禁止维护保养；操作人员离机或作业中停电时，必须切断电源；凡钢丝绳表面磨损、腐蚀、断丝超过标准的，或打死弯、断股、油芯外露的不得使用。

6.8 氧气瓶应与其他易燃气瓶、油脂等易燃、易爆物品分别存放，且不得同车运输。氧气瓶、乙炔瓶应有防震圈和安全帽，不得倒置，不得在强烈日光下曝晒。乙炔瓶不得平放。施焊点10m范围内或施焊点的下方不得堆放油类、木材、氧气瓶、乙炔瓶等易燃、易爆物品。

7结束语

该工法在径向管桁架与弦支穹顶结构屋盖施工中具有一定的代表性，通过该工法成功应用，提高了工作效率、加快施工进度、保证安装质量、减少了用钢量，为同类工程提供了一种可靠、可行的施工方法，经济和社会效益显著，推广应用前景广阔。

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