双曲面钢屋架安装施工技术

叶俊煌

（身份证号码：350628198507 295510）

1 工程概况

漳州市图书馆、科技馆工程位于漳州佰翔圆山酒店东侧和南江滨路南侧，总建筑面积为63113.10m2，结构形式为框剪结构，地上6层，地下室为1 层，图书馆和科技馆建筑高度分别为31.5m 和34.1m，屋面层以上装饰构架均采用钢框架结构。钢柱采用圆形和箱型等截面，圆形钢柱规格为Φ400mm×15mm，箱型钢柱规格为□400mm×400mm×16mm×16mm，钢梁采用H 型钢和箱型钢，H 型钢规格主要为HN400mm×200mm×8mm×13mm 和HN500mm×200mm×8mm×13mm，箱型钢的规格主要有□400mm×250mm×8mm×8mm、550mm×250mm×15mm×15mm 和900mm×250mm×15mm×15mm，材质均为Q345B 级。钢屋架为双曲面相交而成，钢柱与钢框梁、钢框梁与钢梁、钢梁与钢梁连接均采用刚性连接，除了梁顶增设连接板与钢柱、钢梁采用角焊缝之外，其余焊接均采用坡口全熔透焊缝。

2 施工技术难点分析

（1）双曲面钢屋架平面布置不规则（如图1），弧度较大，测量定位难度较大。

图1 科技馆钢屋架平面布置图

（2）钢柱和钢梁截面形式为圆形、箱型和H 型等，钢构件预制精度要求较高。

（3）钢屋架所在楼层较高，节点构造相对复杂，高空拼装精度要求较高，工作半径较大，吊装难度相对较大。

（4）钢屋架结构体系较为独特，钢框梁与钢梁相互依托，屋面结构无法形成独立的结构静定体系，需要采取妥善措施来支撑钢屋架。

（5）钢构件之间连接均为刚性连接，圆形柱与箱型梁相贯线均采用坡口满焊，焊缝质量要求高，整个钢屋架均采用焊接形式进行连接，焊接变形控制难度较大。

3 双曲面钢屋架安装方案

根据钢屋架组成的钢柱、钢梁的长度、重量、高度和无法整体起吊等情况，经过项目部讨论与研究后建议采用高空散装和分段吊装方案，所有钢构件均采用塔吊进行吊装。根据钢构件所在位置、重量和长度以及相应位置塔吊的起重量情况对钢构件进行拆分，再逐一按照吊装顺序进行吊装就位。鉴于钢屋架在整体体系形成之前无法单独成为稳定结构体系，决定在屋面层搭设满堂扣件式钢管架作为钢屋架下弦节点的支撑体系和操作平台。钢构件在加工厂统一预制，散件进场，钢构件运至施工现场后再进行高空散装和拼接，钢构件连接部位应焊接牢固。

4 双曲面钢屋架安装施工技术

4.1 塔吊型号确定

根据塔吊覆盖范围、钢屋架构件位置、钢屋架平面布置和钢构件最大重量等因素确定塔吊型号为QTZ80（TC5512）和QTZ100（6012-8），在图书馆和科技馆分别布置2 台，共布置4 台，QTZ80（TC5512）塔吊的臂长为60m，QTZ100（6012-8）塔吊的臂长为55m，1#和4#塔吊为6012，2#和3#塔吊为5512，图书馆钢构件采用1#、2#和4#塔吊进行吊装，科技馆钢构件采用3#和4#塔吊进行吊装。图书馆钢梁最大重量为3.89t，长度为14.471m，距离4#塔吊32m，塔吊在该处的起重量为2.96t，无法满足吊装需求，须对钢梁进行拆分，拆分为9.9m 和4.571m，拆分后重量分别为2.66t 和1.23t，拆分后构件重量均在塔吊起重量范围内。图书馆共拆分23 根钢梁，其余钢构件最大重量均在相应塔吊的起重量范围内，塔吊型号的确定满足钢构件吊装需求。

4.2 钢构件加工与制作

弧形H 型钢梁属于非标准构件，腹板采用数控火焰切割机切割成直条形，翼缘板采用数控多头等离子切割机切割成弧形板[1]，钢板弯曲采用自动三辊卷板加工设备进行冷弯。在地面上设置胎架，根据组装定位线对T 型部件进行组装，翼缘板和腹板的垂直度应符合设计要求，采用附加工艺板进行临时固定。接着进行翼缘板的组装，腹板与翼缘板采用液压定位系统进行定位，相关构件拼装校正后点焊固定，接着采用半自动埋弧焊机对弧形H 型钢进行对称焊接，焊缝应饱满。箱型钢柱的钢板采用数控火焰切割机进行下料成条形钢板，钢板应二次矫平，采用装配样板对底板进行定位，在腹板和下翼板位置测放隔板的定位线，在胎架上装好下翼板，内隔板采用分步退装法进行组装，组装顺序为自中间向两边对称安装，每安装两块即可将下翼板与内隔板进行平焊，内隔板垂直度应符合设计要求。接着安装两侧腹板，内隔板与腹板之间连接采用电渣焊，腹板与翼板的垂直度应符合设计要求，U 型箱型柱组装后及时对构件变形情况进行检查，检查合格即可安装最后一块翼板。4 条主焊缝采用门式全自动埋弧焊[2]，以同一方向对称同时施焊2 条焊缝，焊接后应及时矫正。在箱型钢柱上将牛腿位置测放出来，在组装平台上将牛腿对准定位线进行组装，点焊固定后进行校核。柱脚位置应安装柱脚板，同样采用点焊进行临时固定。牛腿和柱脚板的尺寸复核无误后，采用CO2气体保护进行对称焊接，焊接应牢固可靠。钢构件焊接工艺应事先进行评定，焊接质量应符合设计要求，焊缝探伤结果应符合施工规范要求。钢构件加工完成后应抛丸喷砂除锈，除锈等级应达到Sa2.5 级标准，接着做好钢构件的防锈漆喷涂工作，喷涂厚度应符合设计要求。

4.3 满堂扣件式钢管架搭设

在屋面层钢筋混凝土楼板上搭设满堂扣件式钢管架，立杆的间距为1.3m×1.3m，横杆的间距为1.5m，立杆底部应设置垫板，立杆顶端根据钢屋架下弦节点高程进行设置，立杆顶端设置可调螺杆和定位钢板。在立杆底端以上20cm 处设置扫地杆，在架体四周和内部纵横向每隔4m 设置1 道剪刀撑，图书馆位置的满堂脚手架应在架体顶部设置水平剪刀撑，科技馆则应设置2 道，剪刀撑的宽度为6m。操作平台位置应满铺脚手板，按照规定设置防护栏杆。满堂架应在钢柱安装后进行搭设，搭设质量应符合施工规范要求，架体应保证整体稳定。

4.4 钢屋架测量放线

由于钢屋架为双曲面形状，各个支撑点平面位置和高程均不同，测量放线难度较大。为了精准定位，本工程采用AutoCAD 绘图软件进行三维立体建模，直观地显示钢屋架的定位情况，读取定位点的坐标，采取全站仪将钢梁与钢柱连接节点测放出来，并将标高引测到钢柱上。根据钢梁拆分情况将分段位置轴线和高程控制线测放出来，通过调整立杆顶端定位钢板的高程来准确确定分段处的高程，使得钢梁对接拼装准确。

4.5 钢屋架安装

待钢柱安装完成且满堂扣件式钢管架搭设完成后，即可开始钢屋架吊装。钢框梁和钢梁应事先按照吊装顺序做好编号，钢梁吊装顺序为从中间往两边进行扩展，从而形成具有一定刚度和稳定性的钢构空间架构。直线形钢梁采用2 点吊法，吊点设置在距离钢梁端部1/3 位置，确保吊点均匀受力，在吊点钢丝绳位置应垫上橡胶护角，避免钢梁上的防锈漆被磨损破坏[3]。弧形钢梁采用3 点吊法，在钢梁中部和两端设置吊点，从而防止弧形钢梁吊运过程中出现晃动现象。为了防止钢梁吊装过程中碰撞到钢柱或者已安装的钢梁，在钢梁的两端捆绑好麻绳，由2 名操作人员牵引控制状态。钢梁吊离地面约50cm 时应停吊，确保吊点位置钢丝绳固定牢固和钢梁平稳后，将钢梁垂直起吊至安装位置上方，对准定位线缓慢下放，根据轴线及高程控制线对钢梁平面位置和垂直度进行校正，校正无误后即可先点焊临时固定[4]，接着进行坡口焊接，钢梁与钢柱应焊接牢固，钢梁焊接完成确保安全方可卸除吊具。拆分钢梁采用2 台塔吊分别吊运2 个分段的钢梁，在空中进行对接，分段口应设置焊接衬套，2段钢梁的轴线和垂直度经复核正确后，分段口应点焊，接着焊接钢梁两端与钢柱连接部位，再焊接钢梁分段口连接部位，分段口处的高程由满堂架立杆顶端的定位钢板进行控制，焊缝应饱满连续，焊接应牢固可靠。边跨存在单侧悬挑钢梁情况下，在钢梁顶和钢柱顶增设规格为1000mm×300mm×15mm 连接板。边跨存在单侧悬挑次钢梁情况下，在主次钢梁顶部增设规格850mm×300mm×10mm 连接板。主钢梁安装后应及时安装次钢梁，从而形成稳定的空间结构。

4.6 钢屋架焊接变形控制措施

在钢屋架焊接过程中应严格控制电焊机的电压与电流，尽量减少焊接的热输入量，从而达到控制焊接变形目的[5]。本工程焊接均采用坡口全熔透焊接方式，箱型钢梁与钢柱焊接时，应先焊接上下截面连接处焊缝，再焊接两侧截面连接处焊缝，同一条焊缝施焊完成后再焊接另一条焊缝，钢梁两端不得同时施焊。H 型钢梁与钢柱焊接时，先焊接钢柱与下翼缘板连接部位，再焊接钢柱与上翼缘板连接部位，接着焊接左右侧腹板与钢柱连接部位。钢屋架采用分段跳焊方法，使得焊接变形值符合设计要求。

5 结束语

本工程双曲面钢屋架造型独特，根据结构体系特征和现场实际情况，采用高空散装和分段吊装的施工方案，搭设满堂扣件式钢管架作为钢屋架下弦节点的支撑体系和操作平台，采用AutoCAD 绘图软件三维立体建模，采用全站仪测放钢构件连接点位置，钢屋架采用分段跳焊方法，使得焊接变形得到有效控制。本工程双曲面钢屋架安装完成后，按照规定进行焊缝探伤检测，检测结果符合设计要求，轴线、高程和垂直度偏差均在施工规范允许范围内，取得良好施工效果。