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浅谈某单层网壳结构施工技术,鼓形节点的应用

2022-10-12 09:23:49

浅谈某单层网壳结构施工技术,鼓形节点的应用


摘 要:


本文介绍了钢网壳结构的施工特点及应用,并以蒲城县卤阳湖科普馆工程为例,重点对钢网壳安装关键施工技术进行了较详细的阐述,明确了施工工艺流程,为后续类似钢网壳的安装提供参考。


关键词:

网壳结构;空间曲面网格;鼓形节点;网壳梁焊接


引言

网壳结构是一种可以Z大程度满足不同曲度要求及节省用钢量的空间结构,主要由各种不同规格的杆件在空间体系中按一定的规律组合而成,网壳结构既有杆系性质又兼具壳系性质,受力合理,结构具有较大的刚度,可以跨越较大的跨度。主要应用于大型会展中心、体育场馆、游泳馆、候车厅等需要Z大自由空间的结构。

但因其跨度大,构件多,所以网壳结构的安装问题是项目的重难点之一。


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图1   卤阳湖科普宣教馆




工程概括



01

卤阳湖科普馆项目位于天卤骄湖连接段湖心岛上,项目总投资6848.38万元,建设用地面积57404 ㎡,建筑面积6566㎡。整个结构为混凝土型钢柱+球型支座+钢网壳,屋面为单层网壳结构,长度99.2米,宽度64.9米,高度17米,Z大悬挑跨度48米。


卤阳湖科普馆屋面网壳为双曲率弧面网壳结构,中心凸起,向四周逐渐趋于平缓,杆件以直代曲,外形酷似草帽,主要由矩形管杆件和杆件相交点处的圆管鼓形节点构成。按相应的轴线将科普馆网壳屋面划分为平行四边形,每个平行四边形网格内利用杆件划分为数个三角形,这样各网壳梁表面的内力分布会大致相同,大跨度情况下更加稳定。


卤阳湖科普馆分为上下2层,上层为屋面网壳结构;下层为屋面网壳正下方直径为24米的球壳,为空间曲面网格结构。如下图所示:


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图2    上层:网壳示意图


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图3   下层:球壳示意图


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图4   网壳局部俯视图




安装难点


02


卤阳湖科普馆网壳结构整体长度99.2米,宽度64.9米,高度17米,Z大悬挑跨度48米。有2937根矩形杆件,且杆件截面种类较多,如此带来以下问题:


(1)杆件数量多,相邻杆件截面大都不同且存在高度差,直接连接错台较大,难以保证焊缝质量;


(2)同一连接点连接杆件较多,不易施焊,且焊缝多,在安装过程中易出现累积偏差;


(3)建筑跨度大,在高空中不易安装;


(4)此外本网壳梁施工周期短,任务重。采取何种施工方案,既要满足工程的安装精度,又能满足建设工期,成为本项目施工的关键。



解决方法


03


经过分析研究,并参考设计院意见,解决方案为在矩形管连接点之间增加可以连接不同截面,不同高度杆件的“鼓形节点”,如图5所示。鼓形节点构造简单,适用于节点处多管连接,易于加工和安装。能适应构件存在一定扭转角,传递弯矩作用直接,受力性能好,节点刚度较大,也解决了杆件密集不易施焊的问题;对于网壳安装,经过综合研究分析,结合现场实际情况,确保安装精度和效率,采取“分区地面预拼装,高空组合”的施工方案,分区图如图6所示。


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图5   鼓形节点


卤阳湖科普馆以混凝土型钢柱为分区节点,将主网壳梁分为17个区,外悬挑网壳分为20个区。按顺序由1区开始依次安装框架内构件,框架外悬挑构件区域根据现场场地情况及吊装条件灵活考虑。


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图6   网壳分区示意图




具体方案


04

施工流程:


技术准备 →测量放线 →球型支座安装 →胎具加工→地面单根网壳主梁拼装→单根网壳主梁高空吊装 →散装竖向、斜向网壳梁→补漆→自检。


球型支座为网架安装的第一步,安装需格外注意放线精度,因为支座尺寸与上方节点钢柱底板尺寸相同,若位置精确程度不够,将会导致后期钢梁拼接困难,遇到错位、间距不符等问题。球型支座位于钢混柱上方,如图7所示,首先确定其偏轴线情况,以图中的球型支座举例,支座中心位置向西偏离轴线50mm,则需要在放线时向西让出50mm。放线使用全站仪加经纬仪,利用土建提供的放样坐标图,在钢混柱柱脚或附近合适位置(因与土建交叉施工造成的视线,位置被遮挡的情况)放出点位,再用经纬仪引至柱顶,球型支座在柱顶先不焊接,给上方的梁留出容错空间,便于后续调整。


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图7   安装球形支座


胎具的作用是把屋面的双曲率弧面网壳结构(“草帽结构”)分成区块后在地面拼装,以方便焊接和控制坐标及标高。施工过程为先制作6个节点和5个节点的胎具,在场地西侧混凝土地面放出轴线,节点按照设计图布置,以保证安装的准确性,胎具每个桩由双层圆管(外径108mm,6mm厚和外径89mm,6mm厚),和槽钢组成,圆管高度随节点变化改变,Z低处的圆管设置为30cm高度,以方便梁的焊接。槽钢反扣到圆管上,两端焊接上下好料的槽钢,找出平面,组成可调节高度的胎架,胎架用槽钢两两相连固定。


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图8   胎具


屋面网壳梁结构从1区开始以条、块为单位安装单根主网壳梁,1区安装从1号单根主网壳梁至8号单根主网壳梁依次安装,再进行9号竖向钢梁及斜向钢梁散装。


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图9   地面预拼装


东西方向和南北方向的梁组成后采用整体起吊的方法,先用板车将梁拉至对应位置然后吊装,例如1-C轴的10线到11线,跨距16m,梁总重3.5吨,吊至球型支座上方后焊接完成后松钩。已有圆管的节点需要对接并焊上,待焊接完成后松钩。


在胎架上根据弹好的轴线确定圆管构件放置的位置,就位后用点焊临时固定,将对应的梁用吊车吊起从上方落入指定位置,先焊接上下平缝,再焊接两侧立缝以降低收缩变形的影响,再确定梁应焊接至节点圆管的位置,拿石板笔进行标记,然后进行吊装并焊接。拼装完成后的1号梁重量为46972kg,2号梁重量为6042kg,3号梁重量为3349kg,4号梁重量为4393kg,5号梁重量为2541kg,6号梁重量为1895g,7号梁重量为1778kg,8号梁重量为1978kg。剩余的9号梁多为1000kg以下的单梁依次安装。


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图10   区网壳梁安装顺序图


根据设计蓝图要求,网壳梁与鼓形节点的12条纵缝及12条横缝为一级焊缝,主要焊接方式为加衬板的坡口熔透焊。先用焊机将网壳梁与鼓形节点点焊,再进行焊缝打底,确保单根主网壳梁尺寸标准,然后吊运到地面进行焊接。焊接时,由多人从两端向中间方向以每隔500mm尺寸间断焊接,以减小单根主网壳梁的焊接应力,防止单根主网壳梁焊接变形过大。按照设计规范及施工蓝图要求对焊缝进行第三方探伤,若焊缝内无气泡、无夹渣、无焊瘤、无裂纹等,进而转入待安装区域,若焊缝出现质量问题,必须按照施工工艺及现场技术交底要求整改,按照科普馆报检规程进行每个工序的报检,待整改完成后转入待安装区域。


根据施工工艺要求及现场总工的意见,保证焊接期间Z大程度减小焊接变形量,减小构件拼接完成后的校正及矫正难度。拼焊分区单根主网壳梁时我项目采用了每隔500mm尺寸焊接对称施工焊法。如下图所示,根据单根主网壳梁的焊接变形情况,按照施工工艺调节焊接顺序。单根主网壳梁焊接顺序为从中间向梁端逐步施焊,现场拼焊施工顺序可根据变形情况进行调整。单根主网壳梁焊接完成后进行火焰校正,待校正完成后吊装上胎架进行尺寸复验,以保证单根主网壳梁的构件尺寸无误差。


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图11  杆件和鼓形节点间的焊接


为了保证本项目单根主网壳梁焊接尺寸,根据现场实际的变形情况,进行焊接过程控制及调整焊接顺序以达到单根主网壳梁尺寸标准。为保证焊缝的垂直度,在焊接过程中对单根主网壳梁进行翻转调整,以保证仰焊变成平焊,从而降低焊接难度,保证本项目单根主网壳梁构件尺寸。


单根主网壳梁Z后一道焊缝焊接时,沿着Z后一条焊缝方向连接好铜线引弧块,调整焊枪与焊缝之间的距离,待焊接至焊缝末端50mm处时,调节电焊机电流大小,沿着焊缝方向至熄弧板上进行收弧。将引弧板与熄弧部分的多余焊缝进行切割,用角磨机修补后,再进行修补漆膜,单根主梁尺寸精度复合完成后,吊装至安装区域。


通过水平尺、经纬仪及卷尺、图纸等工具对圆管胎架尺寸、单根主梁焊前尺寸、单根主梁焊后尺寸进行多次复核以实现单根主网壳梁一次性成型。


由于12区单根主网壳梁高差尺寸较大,12区单根主网壳梁尺寸检查较为困难,在地面进行平面胎架组装,平面胎架通过轴线及鼓形节点高差进行控制,根据拼焊时的挡块定位位置来确保单根主网壳梁的高差控制,焊接过程中只要采取正确的焊接顺序和方法措施,就可以保证单根主网壳梁的构件尺寸。对于局部变形,采用火焰喷枪进行校正,确保单根主网壳梁符合构件质量要求。


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图12   高空拼装




小结

05

由于对单根主网壳梁构件制作与安装关键技术的研究,并将成果及时应用在卤阳湖科普馆项目中,大大降低了加工和焊接难度,减少了吊装工作量,所以构件质量良好,焊缝一次性探伤合格率超过98%;构件尺寸精度较高,所有构件在现场一次性安装成功,对接正确率100%。工程质量和进度得到施工方和监理单位的一致性好评。

本文的安装工艺及主要关键技术取得了良好的经济效果和安装经验,也为后续类似项目的施工提供了重要的借鉴作用。


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