工艺技术_公司钢结构工程施工新技术

钢结构进展及新技术 同济大学土木工程学院建工系副教授沈之容博士 内容简要 钢结构发展方向钢结构工程应用实例钢结构工程施工新技术钢结构设计软件演示高耸结构科研状况新老规范修订内容交流讨论 钢结构发展概况钢是一种铁碳合金 人类采用钢结构的历史和炼铁 炼钢技术的发展是密不可分的 最早在公元前2000年左右 在伊拉克两河流域就出现了早期的炼铁术 我国也是较早发明炼铁技术的国家之一 早在战国时期 我国的炼铁技术已很盛行了 公元65年 汉明帝时代 已成功地用锻铁为环 相扣成链 建成了世界上最早的铁链悬桥 兰津桥 此后 为了便利交通 跨越深谷 曾陆续建造了数十座铁链桥 其中跨度最大的为1705年 清康熙 建成的四川泸定大渡河桥 桥宽2 8m 跨长100m 除铁链悬桥外 我国古代还建有许多铁建筑物 如铁塔等 目前依然存在 所有这些都表明 我们中华民族对铁结构的应用 曾经居于世界领先地位 欧美等国家中最早将铁做为建筑材料的当属英国 但直到1840年以前 还只采用铸铁来建造拱桥 1840年以后 随着铆钉连接和锻铁技术的发展 铸铁结构逐渐被锻铁结构取代 随着1855年英国人发明贝氏转炉炼钢法和1865年法国人发明平炉炼钢法 以及1870年成功轧制出工字钢之后 形成了工业化大批量生产钢材的能力 强度高且韧性好的钢材才开始在建筑领域逐渐取代锻铁材料 自1890年以后成为金属结构的主要材料 20世纪初焊接技术的出现 以及1934年高强度螺栓连接的出现 极大地促进了钢结构的发展 除西欧 北美之外 钢结构在前苏联和日本等国家也获得了广泛的应用 逐渐发展成为全世界所接受的重要结构体系 由于我国长期处于封建主义统治之下 束缚了生产力的发展 1840年鸦片战争以后 更沦为半封建半殖民地国家 工业落后 古代在铁结构方面的技术优势早已丧失殆尽 我国在1907年才建成了钢铁厂 年产钢只有0 85万吨 新中国成立后 随着经济建设的发展 钢结构曾起过重要作用 如第一个五年计划期间 建设了一大批钢结构厂房 桥梁 但由于受到钢产量的制约 在其后的很长一段时间内 钢结构被限制使用在其他结构不能代替的重大工程项目中 在一定程度上 影响了钢结构的发展 自1978年我国实行改革开放政策以来 经济建设获得了飞速的发展 钢产量逐年增加 自1996年超过1亿吨以来 一直位列世界钢产量的首位 2003年更达到创纪录的2 2亿吨 逐步改变着钢材供不应求的局面 我国的钢结构技术政策 也从 限制使用 改为积极合理地推广应用 所有这些 为钢结构在我国的快速发展创造了条件 钢结构以其独特的优越性在建筑工程中得到广泛应用 特别是高层 超高层 轻型钢结构 大跨度结构等应用的比较多 这是由于钢结构有许多优点 如强度高 塑性 韧性好 重量轻 材质均匀 制作简单 施工方便 工期短 节能环保 综合技术经济指标优 建筑造型美观 抗震性能好等优点 当然它的缺点是耐火度不够 耐腐蚀性差 造价稍高等 但综合来评定 钢结构优点多 缺点易克服 它仍是结构体系中最重要的一种结构形式 将被越来越广泛重视和使用 钢结构的应用情况钢结构应用于高层 超高层建筑中在南方一些大中城市中 高层 超高层建筑如雨后春笋般拔地而起 由于外资工程的兴建 建筑用钢材的发展 高层 超高层建筑应用钢结构越来越多 如在上海的浦东开发区建设中 高层建筑钢结构的发展尤其迅速 现已建成的上海金茂大厦 据有关资料介绍为框 筒结构 混合材料 高度420m 地上88层 地下3层 钢结构安装 电动爬摸 在北京 深圳等地的高层 超高层建筑中 大都采用了钢结构建筑 目前在高层 超高层建筑中应用的体系大致有三种 一种是混凝土结构 一种是钢结构 另一种就是两种体系组成的混合结构 在这种混合结构中因发挥了钢结构的优点而克服了钢结构的缺点 应用的比较多 现在钢结构应用的形式主要有 1 作为钢框架与混凝土核心筒组成受力结构体系 这是高层混合结构中常用的形式 2 作为劲性骨架与混凝土一起组成受力构件 包括钢管混凝土 这种混合结构兼有钢与混凝土两者的优点 整体强度大 刚性好 抗震性能好 当采用外包砼结构形式时更具有良好的耐火和耐腐蚀性能 混合结构构件一般可以降低钢量15 20 还可减少支模 施工方便 快速 因此混合结构在高层 超高层建筑中所占比重较多 应用于大跨屋盖体系中一些工业厂房 仓储库 停车场 集市等建筑设施 由于空间高 跨度大 其他体系难以满足要求 故而选用钢网架 悬索 壳体 桁架 膜结构等形式作为这些大跨结构的屋盖系统 随着国外钢结构的新技术 新产品的不断引进和应用 采用轻钢结构体系使工程总造价低于钢筋混凝土或砖混结构体系 且施工工期缩短50 以上 目前 在经济发达地区新建的大跨设施中基本采用了钢结构 在内陆地区也有部分采用钢结构 随着人们对钢结构的认识 将会越来越被重视和采用 钢结构的发展现状钢结构发展的物质基础据有关资料统计 目前 我国钢产量已超过1 2亿吨 成为世界上钢产量之大国 同时 钢材的品牌 规格与质量日益提高 国内钢材市场已从过去的卖方市场转变到买方市场 这为大力推广利用钢结构技术奠定了坚实的物质基础 钢结构发展的技术政策我国建筑技术政策中 特意提到 发展钢结构 含预应力钢结构 对于超高层建筑结构 大跨空间结构或大跨重载工业厂房等 可采用钢结构 对于大跨空间屋盖系统 可选用钢网架 网壳 悬索 壳体 膜结构等 加速推广轻钢结构 又提到 研究推广组合结构和混合结构 充分发挥不同结构材料的性能 根据建筑物各自的特点 可采用两种以上结构材料构成的组合结构 如由型钢 钢筋 混凝土构成的劲性钢筋混凝土 由钢管和混凝土构成的钢管混凝土等 且在一个建筑物上可采用两种及以上结构形式构成的混合结构 如采用钢筋混凝土作为高层建筑的核心筒 采用钢框架结构作为外柱与其相连 而且我国政府提出了从 节约钢材 转变成合理使用钢材 从 限制使用钢结构 到 大力发展钢结构 的政策转变 建设部在修订我国 建筑业推广应用10项新技术中 首次列入了钢结构新技术 充分说明我国钢结构发展已经具备了非常好的政策大环境 钢结构是一项绿色环保建筑产业钢结构材料可再生利用 减少大气污染物 钢结构的废弃料可回炉 再生利用 对同样规模的建筑物 钢结构建造过程中有害气体 CO2 排放量只相当于钢结构的65 工业化生产 现场施工周期短 最大限度的减少了施工工地对环境的影响 钢结构工程一半以上的工期是工厂加工制作 现场工期可缩短50 以上 同时工地因很少使用砂 石 土和水泥等散料 而从根本上避免了尘土飞扬 污染环境的问题 钢结构体系可以带动其他 节能环保 型建筑材料的推广应用 钢结构体系由于连接的灵活性 各种 节能环保型 的围护材料都可以采用 钢结构新技术的主要内容高层钢结构新技术根据建筑高度和设计要求采用框架 框架 支撑 筒体和巨型框架结构 其构件可采用钢 劲性钢筋混凝土或钢管混凝土 钢构件质轻 延性好 可采用焊接型钢或轧制型钢 适用于超高层建筑 劲性钢筋混凝土构件刚度大 防火性能好 适用于高层建筑或底部结构 钢管混凝土施工简便 仅用于柱结构 空间钢结构技术空间钢结构自重轻 钢度大 造型美观 施工速度快 以钢管为杆件的球节点平板网架 多层变截面网架及网壳等是我国空间钢结构用量最多的结构形式 在设计 施工方面均达到国际先进水平 有专门的设计 施工和检验规程 并可提供完整的CAD软件 除网架结构外 空间结构尚有大跨悬索结构 索一膜结构 大跨空间钢管绗架结构等 轻钢结构技术伴随着轻型彩色钢板制成墙体和屋面围护结构组成的新结构形式 由厚4mm以上钢板焊接成轧制的大断面薄壁H型钢墙梁和屋面檩条 园钢制成柔性支撑系统和高强螺栓连接构成的轻钢结构体系 柱距6 9m 跨度可达到30m或更大 高度可多达10m 并可设轻型吊车 用钢量20 30kg m2 现已有标准化的设计程序和专业化生产企业 产品质量好 安装速度快 重量轻 投资少 施工不受季节限制 适用于各种轻型工业厂房 钢 混凝土组合结构技术以轻钢或钢管与混凝土构件组成的梁 柱承重结构为钢 混凝土组合结构 近年来应用范围日益扩大 适用于承受较大荷载的多层或高层建筑的框架梁 柱及楼盖 工业建筑柱及楼盖等 高强螺栓连接与焊接技术高强螺栓通过摩擦力来传递应力 由螺栓 螺母和垫圈3部分组成 高强螺栓连接具有施工简便 拆除灵活 承载力高 抗疲劳性能和自锁性好 安全性高等优点 工程中已取代了铆接和部分焊接 成为钢结构制作及安装中的主要连接手段 在车间内制作的钢构件 厚板应采用自动多丝埋弧焊 箱型柱隔板应采用熔嘴电渣焊等技术 现场安装施工中应采用半自动焊技术和气体保护焊药芯焊丝及自保护药芯焊丝技术 钢结构防护技术钢结构防护包括防火 防腐 防锈 一般在防火涂料处理后无需再做防锈处理 但在有腐蚀气体的建筑中尚需做防腐处理 国内防火涂料种类较多 如TN系列 MC 10等 其中MC 10防火涂料具有防火 防腐功能 防腐防锈涂料有醇酸磁漆 氯化橡胶漆 氯橡胶涂料及氯磺化涂料等 在施工中应根据钢结构形式 耐火等级要求及环境要求选用合适的涂料及涂层厚度 随着经济和科学技术的迅猛发展 钢结构技术日新月异 一些新型结构体系如住宅钢结构体系 预应力结构体系 张弦顶结构 膜结构等处于研究开发和推广应用阶段 一些新型高效材料如轧制H型钢 冷弯型钢 压型钢板 耐火钢 不锈钢正在积极推广 目前存在的问题及对策钢结构设计力量薄弱从全国范围来看 制约我国钢结构发展和推广应用的最大问题是设计力量薄弱 目前我国绝大部分设计院没有专业化的钢结构设计人员 绝大多数结构设计工程师对钢结构设计不熟悉 主观上不接受钢结构方案 既是进行一些钢结构设计 也由于设计水平不高 体现不出钢结构的优越性 客观上也阻碍了钢结构的推广应用 鉴于这种不利情况 政府主管部门 行业协会 设计院 科研院所及高等院校应加强钢结构技术人才的培养 一方面对现有的钢结构设计的技术培训 提高整体素质 逐步在设计院 所 配备一定数量的钢结构专业设计人员 另一方面对在校钢结构专业设计的学生强化钢结构专业学习和培养 造就一批高级工程技术专门人才 钢材的品种 规格和质量有待于提高目前 我国普通钢材的生产能力大于市场需求 但具有竞争力的真正能够满足市场各种需求的生产能力不足一半 钢结构用钢的品种选择面小 常用品种 Q235 与国外大多数国家的常用品种相比 设计参数相差很大 无法接轨 高效 经济断面钢材 如H型钢 冷弯型钢 钢管等规格不齐全 不配套 使用率较低 一些特效钢材 如耐大气腐蚀钢 不锈钢 耐火钢及低合金高强度钢还没有进入实质应用阶段 超厚钢板还存在着严重的质量问题 总之我国建筑钢材在品种 规格和质量方面还存在不足 在一定程度上制约了钢结构的发展和推广 一定要积极开发新的品种和规格 提高产品质量 学习国外的先进技术 缩小与国外发达国家的差距 逐渐与国际接轨 更好地推动我国钢结构的发展 提高我国钢结构制作 安装水平 规范钢结构市场改革开放以来 我国从事钢结构加工制作 安装的厂家和施工队伍很多 但真正具有技术实力 能够承接大型 复杂钢结构工程的单位很少 大部分都是设备简陋 技术水平低 小作坊作业的小单位 其工程质量低劣 甚至造成不少钢结构安全隐患 同时采取低价竞争不正当手段 扰乱了钢结构市场 影响钢结构的发展和推广 钢结构技术在我国建筑技术领域是一项新技术 目前国内已形成了完整的成套技术 焊接技术 高强螺栓技术 现场安装技术等 每项技术都应有专门的技术人员和操作人员来实施 这些专门人员必须通过培训 考核 持证上岗 对钢结构加工制作厂家和安装企业实行资质审核 项目经理和技术负责人持证上岗 规范招 投标制度 整顿钢结构市场 鼓励和支持条件比较好的企业进行技术创新 提高技术水平 组成专业化的钢结构制造 安装队伍 淘汰一些不合格的企业 WTO与中国的钢结构产业对我国的钢结构产业来说 加入世界贸易组织 WTO 机遇和挑战同在 发达国家的钢结构企业 特别是进入国际市场的企业 一般资金雄厚 人才素质较高 设计 技术和装备实力雄厚 产品质量优良 一旦这些企业大批量地进入国内市场 势必将给中国的钢结构产业带来前所未有的巨大冲击 面对这种严峻形势 要认真解决我国钢结构发展中存在的问题 学习国外的先进技术 加强技术创新和改造 淘汰一批技术水平低 规模小 能耗大 质量差的小企业 从政策 资金 技术上扶持一批大 中型骨干企业 逐渐形成集钢材生产 工程设计 加工制作 产品销售 建筑安装一体化的集团性企业 面向国内外市场 抓住机遇 推动我国钢结构向企业化 国际化发展 多 高层建筑钢结构用于宾馆 饭店 办公大楼等多层和高层建筑 金茂大厦 上海环球金融中心 上海证券大厦 高耸钢结构电视塔微波塔通讯塔输电线塔石油化工塔水塔烟囱等 青岛电视塔 232米 黑龙江电视塔 336米 桥梁钢结构由于钢桥建造简便 易于修复 因此钢结构广泛用于中等跨度和大跨度桥梁 南浦大桥 杨浦大桥 移动钢结构钢结构不仅重量轻 还可以用螺栓或其他便于拆装的手段来连接 因此非常适用于需要搬迁的结构 如装配式房屋 活动车库和各类起重机等 活动车库 起重机 第1章钢结构特点与计算方法 轻型钢结构用于中 小型房屋 小型仓库等 门式刚架 轻钢住宅 钢结构发展钢结构是一种具有较大优势的建筑结构 随着人类在经济和科学技术方面的不断发展和进步 在钢结构领域也取得了不少新的进展 结构用钢的新发展 国内外在高性能钢材的应用方面取得不少新进展 其中包括高强度高性能钢 低屈服点钢和耐火钢的开发和应用等 Q235 Q345 Q390 Q420Q490 Q590 结构和构件计算的研究和改进 计算和测试手段越改进 就越能反映结构和构件实际工作情况 从而合理使用材料 发挥经济效益 保证结构安全 结构形式的革新和应用 在全国各地修建了大量的大跨空间结构 网架和网壳结构 张弦桁架 悬挂结构也有很多应用实例 直接焊接钢管结构 变截面轻钢门式刚架 金属拱型波纹屋盖等轻钢结构已遍地开花 钢结构的高层建筑也在不少城市拔地而起 钢 混凝土组合结构和混合结构也有了广泛应用 还建造许多索膜结构的罩棚和建筑小品 钢结构发展钢和混凝土组合构件的应用 充分利用钢强度高 宜受拉 混凝土宜受压 发挥各自优势 是一种合理的结构 优化原理的应用 结构形式优化 截面形式优化 计算机辅助设计 绘制钢结构施工详图 发展钢结构施工工艺 加强自动化水平 提高安装质量 上海金茂大厦工程 一 工程概况金茂大厦位于上海浦东陆家嘴金融贸易区 工程占地面积2 3万m2 地下三层 地上八十八层 建筑面积约29万m2 金茂大厦建筑总高度为420 5m 为目前已建工程的国内第一 亚洲第二 世界第三高度 金茂大厦是一幢集办公 旅馆 购物 娱乐 餐饮 休闲于一体的综合性大楼 其1 52层为办公楼 53 87层是五星级的金茂凯悦大酒店 距地面340米的88层是观光层 裙楼部分有6层 内设大小宴会厅 百货商场和休闲娱乐等 6万m2的三层地下室内设有各类大型机电设备 服务设备 地下停车库和食街 整幢大楼如一座综合性的小区 其总投资约45亿人民币 金茂大厦基坑面积近2万平方米 基坑开挖深度约20米 主楼基础承台为4米厚 13500立方米的00高标号大体积混凝土 主楼泵造混凝土高度达到382 5米 在24 26层 55 57层 85 87层有三道外伸桁架将核心筒与八根巨型往连接成一个整体 工程结构设计独特 并获世界结构工程协会颁发的国际建筑结构设计最高奖 金茂大厦的建设吸引了众多的国内外承包商的青睐 上海建工 集团 总公司携日本大林组 法国西宝公司 香港其士集团 一举中标总承包该幢大楼的建筑施工 开创了国内大型企业集团首次总包具有国际影响的大型建筑 也首次实践了运用总包的总管理总协调的手段和高新施工技术完成了该幢大楼 为上海浦东地区及外滩沿线增加了新景观 二 应用新技术情况1 商品砼和散装水泥应用技术该技术应用于地下连续墙 钻孔灌注桩 基坑围护 支撑 主楼核心商 复合巨型柱 楼板等工程部位 应用的总量达到了157000立方米 金茂大厦使用的商品砼用散装水泥 机械上料 自动称量 计算机控制技术 外加剂和掺合料 双掺 技术 搅拌车运输和泵送浇筑技术 不但提高了土建施工生产的机械化和专业化程度 而且增强了施工现场的文明标准化程度 并创下了一次性泵送混凝土382 5米高度的世界记录 2 粗直径钢筋连接技术金茂大厦的核心筒和巨型柱的模板均采用定型加工的钢大模 所以在核心筒与楼面梁的钢筋连接处 主楼旅馆区环板与核心筒钢筋连接处 巨型柱与楼面梁的钢筋连接处 采用锥螺纹连接的施工技术 整个工程锥纹接头共计58296只 通过对接头的试验及抽检结果均符合A级水平 应用数量见下表 新型钢筋冷轧锥螺纹工艺从七个方面改进了钢筋冷轧锥螺纹工艺 改进刀具 滚丝轮的材质 改进了工具夹 增加自动定位装置 设置滚动上料架 端头冷处理 提高强度 保证A级接头标准 使应用达到了高速 优质 低耗的目的 3 新型模板与脚手架应用技术金茂大厦的主体结构层高变化多 还存在墙体收分和体型变化 共有3 2米 4米 5 2米等共8种高度 53层以上取消了原有的井字型内剪力墙 墙体厚度由850毫米逐步分四次收分至450毫米 尤其在24 26 51 53 85 87层设有三道外仲钢桁架 给模板脚手的设计及超高层施工作业安全性带来了极大的难度 为此 我们在主楼核心筒施工中 自行设计制造了 分体组合自动调平整体提升式钢平台模板体系 与国外先进模板比较 各项性能毫不逊色 同时节约成本约1000万元人民币 成功地完成了高空解体和组装 解了利用一种模板体系在两种不同结构的施工技术 创新地采用了电脑自动调平技术控制系统提升的施工技术 及采用全封闭模板体系 使施工安全可靠 操作简便 创造了一个月施工13层的施工速度 电脑自动调平技术已获得国家专利 专利号 ZL952465391 1 该模板体系的研究和应用成果已获得上海市科技进步一等奖 在巨型柱施工中 我们创新设计制造了 跳提式爬模系统 成功地解决了巨型柱施工时 上部钢梁已安装就位 传统的模板脚手体系均无法圆满完成混凝土施工后的爬升问题 该体系创新设计了伸缩吊臂 斜面滑板 顶伸式伸缩架 翻转开启式附墙等一系列专门的构件 使爬架能顺利跨越钢梁 通过这些新型模板脚手的研究和应用 安全 可靠地完成了主楼核心筒和复合巨型柱连续施工 经专家鉴定 该模板脚手体系的技术水平达到了国际领先水平 5 建筑节能技术金茂大厦主要填充墙 防火分区隔墙等均采用空心砌块 其中 120mm厚砌块4901平方米 190mm厚砌块49742平方米 250mm厚砌块1098平方米 300mm厚砌块3493平方米 金茂大厦裙房屋面 主楼局部屋面也采用了屋面保温层 其中 裙房屋面约7500平方米 主楼局部屋面约2500平方米 6 硬聚氯乙烯塑料管的应用技术在金茂大厦裙房基础底板施工中 采用了国内首次出现的大面积静力释放层技术 100PVC管1184米 150PVC管511米 将地下水通过大面积滤水层集中排到集水井 再通过泵抽至地面来释放和消减地下水对底板的浮力 此项技术在纵横交错的盲沟中设置多孔PVC滤水管 大面积静力释放层技术的应用 使裙房基础底板的厚度仅为0 6米左右 而按传统设计基础底板厚度至少要1 5 2 0米 比传统做法薄0 9m左右 7 粉煤灰综合利用技术金茂大厦主楼基础承台为C50高标号混凝土 方量13500立方米 在配合比设计中 我们掺入了一定量的磨细粉煤灰 发挥其 滚珠效应 以改善混凝土的和易性 提高混凝土的可泵性 并因此取代部分水泥 降低混凝土的水化热 同时 在砌筑砂浆拌制过程中 也掺入一定量的粉煤灰 粉煤灰的用量约4500吨 达到节能 高效的目的 8 建筑防水工程新技术设计要求在金茂大厦基础底板下施工防水层 防水材料采用美国胶体公司的纤维装单夹防咸水CR膨润土防水膜 膨润土填缝剂和多用途膨润土粉粒 防水膜用于大面积铺贴 填缝剂和多用途粉粒用于嵌缝 填补空洞 CR膨润上的用量约23608平方米 CR型膨润土防水系列材料是一种柔性的高强度聚丙烯纺织物和火山灰钠基膨润土的复合物 它的技术特点是 遇水膨胀 柔软 高强度 抗污染 抗老化 它的应用 丰富和发展了国内防水材料的种类 为今后新型防水材料的研究和应用提供了实践经验 9 现代管理技术与计算机应用金茂大厦工程的信息量大 范围广 针对这种情况 在施工管理过程中 计算机技术得到了广泛的应用 财务管理 合同预算 人事档案管理 施工计划管理 施工方案的设计和编制 施工翻样图的绘制 深化图纸的设计等均采用了计算机管理软件 10 其他新技术的应用在金茂大厦的施工过程中 我们还应用了 超大超深基坑的支护技术 高精度测量技术 大型垂直运输机械应用技术 等一系列新技术 金茂大厦地下室开挖面积近2万平方米 基坑周长570米 开挖深度19 65米 土方量达到了32万立方米 是上海地区软土地基施工中开挖面积最大 开挖深度最深的基础 在基坑围护方面 我们设计了空间桁架式全现浇钢筋混凝土内支撑技术 既保证了工程质量和安全 又缩短了施工工期 提高了经济效益 测量工作是工程建设中的 眼睛 尤其在金茂大厦这样规模的建筑物施工中 测量工作的重要性就更显突出 我们在施工中采用WILDT2经纬仪 DII600激光测距仪等高精度测量仪器 采用极坐标结合直角坐标法进行轴线放样 用天顶倒锥体法进行严格的测量复核 用往返水准控制高程 针对钢和混凝土两种材料不同的压缩 收缩和沉降 采用预先控制的修正补偿 达到了很好的效果 三 经济效益与社会效益金金茂大厦推广应用新技术使我们尝到了科技转化为生产力的甜头 不但节约了能源和资源 而且获得了较好的经济效益和社会效益 共计节支近2500万元 同时 通过新技术的应用 大大推动了建筑业科技成果的转化工程 培养了一批新技术应用人才 全面提高了建筑业职工队伍的素质 带动了一批新兴科技产业和科技型企业的形成和发展 运用市场经济规律 促进科技和经济的紧密结合 显示出科技生产力的巨大潜力 卢浦大桥钢结构制造技术研究简述 上海卢浦大桥主桥为全钢结构拱桥 主跨550m 采用空间提篮中承式拱梁组合体系 为世界上同类桥型中跨度最大的拱桥 主桥建成双向六车道 并设两条观光人行道 人群荷载4KN m2 全桥满布人群荷载2 4KN m2 1 1主要技术参数与特征主拱跨度 550m边跨 各100m主桥长 750m主桥宽 双向6车道 2条人行道 39 5m 中跨 41m 边跨 桥下净空高 含2m富裕高度 46m拱顶标高 109 458m跨中桥面标高 56 562m全桥钢结构总重 不包括栏杆 观光梯道 平台 34984 777t结构形式 空间提篮中承式拱梁组合体系 1 2与当前国内外同类技术的综合比较近几十年来 国外建造了不少钢拱桥 突破跨径之间的500m的拱桥有三座 加上本项目研究的卢浦大桥 共四座 综合比较见表 2 鉴于国际上大跨度钢桥的焊接技术有向全焊接方向发展的趋势 卢浦大桥是国际上首座采用全焊接制造的世界第一跨度钢结构拱桥 2构造特点及焊接方案2 1构造特点卢浦大桥主桥是提篮中承式拱梁组合体系拱桥 双榀空间变截面箱型拱肋1 5内倾形成提篮状 拱座 风撑 立柱 拱梁结合部及锚锭与拱肋组成承重体系承受桥面体系的负荷 浦东 浦西两锚锭间设置16根水平系杆索 每根 18cm 760m 重110t 张力1700t 共可承受2万多吨拉力 以平衡拱肋承重体系的水平推力 拱桥三角区制造安装工艺具有拱桥特点 中跨拱肋制造安装工艺具有斜拉桥特点 中跨桥面系梁制造安装工艺具有悬索桥特点 详见图1 图3所示 图1拱桥建造具有传统拱桥特点图2拱肋制造 吊装具有斜拉桥工艺特点 远处临时索塔高128m 似乎是一座斜拉桥主塔 图3桥面系梁的制造与安装具有悬索桥工艺特点 弧形拱肋可想象为反弧形的悬索 3关键技术和创新研究3 1全焊接拱桥焊接试验和焊接指导工艺研究全焊接拱桥焊接试验和制作焊接工艺主要几项研究如下 药芯焊丝二氧化碳气体保护焊焊接材料性能试验 为在卢浦大桥工程中推广CO2药芯焊丝焊接 首先对台湾天泰TWE 711 日本DW 100E 韩国现代SUP 71 1 2mm药芯 见表 6 焊丝分别25mm厚S355N钢板进行1G焊接材料性能试验进行比较 决定选用天泰TWE 711及日本DW 100E焊材 层状撕裂试验和抗裂性试验为研究焊接材料与母材的匹配情况 特进行了两种可焊性试验 见表 3 2计算机三维建模辅助建造技术研究计算机三维建模辅助建造技术及校核传统的数学方法计算复杂的立体结构尺寸 具有直观 方便 先进 准确等优点 在卢浦大桥主桥的细化设计中 我们使用AutoCAD软件建立了卢浦大桥主桥的全桥三维空间模型 为保证全桥三维空间模型的高度精确 在建模时尽可能从最基本的数据出发 尽可能不利用设计院通过数学方法计算得出各部套蓝图中的二维数据 以求与蓝图可以互相校对 按本工程精确到mm的要求 其三维建模的准确度达100 通过三维建模 大量的在二维图纸中难以发现的制造难点立即直观的呈现在我们眼前 在风撑与拱助之间 拱梁结合部 锚锭 GL1 GL2 边跨拱与桥面结合处 的尺寸协调方面 工程技本人员可以提早发现二维图纸中若干数据的不协调性并采取措施使构件协调一致 提出便于施工的工艺方案 使无法施工的狭小空间通过开设工艺孔加以解决 以下显示了几种典型三维模型图 三维建模后 我们可以在极短的时间内得到大桥任何部位 在任何状态下的三维数据 形成数字卢浦概念 这在拱座安装和拱肋立体预拼装中特别起了作用 我们在拱座安装过程中 及时迅速地提供了各种状态下各结构断面的安装数据 在拱肋双榀立体预拼装过程中 可以想象三维建模为适应斜切胎架工艺 提供了大量的胎架坐标数据及结构在胎架上的定位数据 为顺利进行如此复杂的结构预拼装打下了坚实的基础 计算机三维建模辅助拱肋立体预拼装 既确保了精度 又大大加速了预拼装速度 每次预拼装周期7 10天 2研究成果与应用 国家体育场 国家体育场位于奥林匹克公园中心区的南部 主体建筑紧邻北京城市中轴线 并与国家体育馆和国家游泳中心相对于中轴线均衡布置 国家体育场主体建筑西侧为距景观路200米的中轴线步行绿化广场 东侧是环境优美的水面和湖边路 南侧临南一路 北侧临成府路 其中成府路在地下空间穿过用地 路面 7 8m 国家体育场是北京奥林匹克公园内的标志性建筑 也是北京最大的 具有国际先进水平的多功能体育场 国家体育场将成为奥林匹克运动留给城市的宝贵遗产和城市建设的新亮点 3 工程建设特点国家体育场作为北京2008奥运会的主会场 既是运动员的竞技场 世界体育文化的交流中心 又是展示北京古都风貌 弘扬中华民族优良传统的窗口 向世界描绘中国经济腾飞 综合国力增强的蓝图 国家体育场将充分体现绿色奥运 科技奥运 人文奥运理念及新北京 新奥运的时代主题 将成为北京的又一标志性建筑 国家体育场的建设具有重大的历史意义 世界瞩目 国家体育场工程以其独一无二的大胆创新设计而成为世界民用建筑史上的里程碑建筑 同时其建设实施汇集了诸多世界性难题 具有技术上挑战性 功能上综合性 时间上紧迫性以及管理上复杂性等特点 针对其特定建筑形式无规律可循 国家体育场工程具有如下特点 难点 3 1建设规模宏大4 5万吨用钢量 30万m2的建筑面积 将近300m的屋盖跨度为世界奥运场馆建设项目所罕见 被市政府确定为一号工程 3 2结构型式复杂国家体育场外观形象优美纯净 外观即为建筑物的结构 立面与结构达到完美统一 结构组件相互支撑 形成网格状构架 仿佛由树枝编织成的鸟巢 不但曲线形杆件 马鞍状曲面无法用简单方程定位 每根钢杆件截面尺寸 断面形式也逐渐变化 局部扭曲 钢结构加工安装 测控定位难度相当大 主次杆件支撑体育场看台的放射状混凝土框架结构与环绕它们并形成主屋顶的空间钢结构完全分离 交叉作业多 施工组织复杂 屋顶采用可开合结构 由两片75m 70m可滑动屋盖组成 机械传动装置复杂 支撑钢架加工精度 变形控制标准要求极高 屋盖主桁架及巨型钢柱间设置了气垫膜和可开启膜 且形成具有防雨 通风换气 采暖等功效的双层膜结构 膜材形状多边 节点构造复杂 安装固定困难 上述特点使国家体育场建设成为世界性难题 3 3建设工期短建设周期仅为三年 钢结构施工图纸设计深化 委托加工周期长 3 4建设标准要求高3 4 1设计标准高国家体育场专业系统及体育设施设计先进 选用材料 设备 设施均为当今世界最新产品 科技含量高 3 4 2验收标准高建设验收标准要求严格 综合调试 体育场地 体育设施技术标准必须与IOC SPOC BOCOG及国际单项体育联合会最新技术标准相一致 工程建设及工艺质量验收标准除了符合规范及国家最高质量验收标准 鲁班奖 要求外 还应与国际接轨 满足体育场馆建设有关国际技术标准规定 3 4 3管理标准高国家体育场建设过程中实行信息化管理 实现现场管理远程实时监控 计算机模拟操作 资源共享 无纸化办公 工程建设过程中对人 机 料等各项资源实行精确的动态控制 以保证资源的最优整合 为了体现2008年奥运会 新北京 新奥运 的时代主题 绿色奥运 科技奥运 人文奥运三大理念将融入工程建设的各个阶段 各个环节 3 6季节性施工时间长 难度大国家体育场建设过程将跨越3个冬季 3个雨期 针对易受季节影响的分部分项工程量大的特点 尤其是钢结构焊接作业 混凝土施工等 需根据其所处的季节及施工阶段 进行季节性施工措施的研究 作出相应施工方案 根据北京地区气候条件 除须考虑冬雨季外 还应针对风沙 高温等因素建立反应机制 为保证工程进度提供有力支持 3 7钢结构施工难度大 钢结构与混凝土结构施工交叉作业 必须从工期 造价 质量 安全等方面综合考虑 选择最优施工方案 钢结构工厂加工 现场组拼制作 吊装 焊接 安装测量 工况计算与实现难度极大 钢构件呈不规则形状 局部扭曲 截面不断变化 加工难度大 由于杆件组拼的桁架均为曲面 且设计要求曲线变化平滑自然 对焊工水平 焊接设备 作业平台 场区 要求很高 难以实现 超重 大跨度 不规则钢结构吊装就位是国家体育场工程施工的最难点 堪称建筑业上的世界难题 因此安装设备 安装工艺选择是成功的关键 国家体育场工程主要钢构件大量采用厚钢板 焊接温度使钢构件产生变形以及局部应力集中而导致杆件承载力降低是厚钢板焊接易产生的弊病 而且屋盖杆件局部超厚钢板必须实施高空焊接作业 因此工程焊接拼装难度极大 必须将厚钢板焊接纳入专门的研究课题 采取有效的预控措施 确保建造质量 由于国家体育场主要钢构件为不规则曲线 钢构件组拼而成的网架为不规则曲面 无章可循 因此对如何对巨型钢结构安装实施三维测量控制 以确保整个壳体钢结构现场安装的精确度 可靠性和安全性难度大 特大构架运输 吊装过程中的变形控制相当复杂 针对钢结构复杂多变的曲线 曲面造型 必须通过计算机模拟制作 安装工况 由于曲线 曲面很难用方程式表达 因此工况计算 建模工作量大 3 8钢筋混凝土结构质量标准高 砼工程170m超长楼板混凝土收缩裂缝控制 以及2 5m厚基础承台厚大体积混凝土温度裂缝控制 是一个严峻的课题 框架结构混凝土表面质量必须达到清水混凝土效果 尤其是框架结构外排高空斜柱现浇混凝土施工质量控制难度很大 3 9预制混凝土看台板施工难度大表面应达到装饰砼效果 看台板的加工 运输 吊装就位难度大 3 10膜结构施工难度大钢结构屋顶采用了可充气气垫膜以及可开启膜结构 膜材形状多变 用量大 膜单元与钢结构杆件连接构造复杂 对于如此大量的气垫膜 可开启膜结构施工安装 国内既没有类似工程以供借鉴 更没有成熟的工法 规范标准作为有效依据 仅仅依靠在参考国外相似工程做法的基础上自主编制施工工法 用于指导施工 检验工程质量 这些对于工程技术人员来说无疑具有很大的挑战 8 9钢结构工程8 9 1工程分析8 9 1 1国家体育场钢结构工程概况 钢结构和屋面系统的建筑情况工程 0 00处绝对标高为45 50m 屋面呈双曲面马鞍型 东西跨度结构相对标高为66 87米 南北跨度结构相对标高为40 01米 体育场看台部分的屋架上下弦由膜结构填充 中间比赛场部分设置滑动屋面 钢结构和屋面系统的结构定位和组成国家体育场主体钢结构分为主结构 次结构和移动屋盖三部分 主结构由一系列空间桁架围绕着内部的碗状坐席旋转而成 次结构为镶嵌在主结构上弦多边形网格内的一系列交叉杆件 移动屋盖跨越整个结构开口空间 由对称的两部分组成 能够沿着主结构上的固定轨道开启和关闭 主结构 次结构 膜结构划分和各自特点主结构由钢格构柱和主桁架组成 共24组 钢格构柱由3根箱形截面柱构成 钢柱高度通长 主桁架屋盖矢高12米 次结构由主桁架之间的支撑 钢格构柱的柱间撑 钢性环梁以及滑动屋面 其中滑动屋面矢高为7 5米 膜结构布置在桁架上下弦 上弦底部用透明的ETFE气垫膜来填充 下弦下部用半透光的 可开启的PTFE气垫膜 起到不同的功能作用 构件的可能的截面形式钢结构构件以8 5 8 5m 0 75 0 75m箱形截面为主 包括组成钢格构柱的单柱 桁架的弦杆 钢性环梁的组成杆件 见结构模型图及局部剖面图 结构模型 局部剖面 钢结构施工特点难点分析箱形构件制作箱形构件是工程的主要构件形式 目前 国内100mm以内板厚的箱形构件加工工艺比较成熟 在许多工程中得以应用 如北京工商银行大楼 城建大厦 辉煌大厦 摩根大厦 银泰中心等 这是实现该工程的基础和保障 保证构件质量是整个钢结构工程质量和进度控制的基础 确定满足要求的钢结构制作厂家 加强构件制作的质量控制是重要的内容 箱形构件起弧和起拱屋面为双曲面马鞍形 构件多成曲线状 一般的加工下料难以精确控制 必须采用计算机模拟建立模型 对每根构件进行分析 确定准确的起拱和起弧尺寸 桁架制作该工程桁架属于悬臂结构 上下弦带弧形 角度 主次杆件连接复杂 尺寸变化很大 对制作和安装带来很大的难度 多角度箱形相贯节点制作受建筑效果的需要 构件交叉形成网状 从结构角度看 存在箱形构件非直角相贯的情况 见图 而且节点是受力的重要部位 该处的制作较难 是工程技术控制的重点之一 屋面滑动轨道 直线或曲线 制作精度控制滑动屋面由两部分组成 要求实现可靠的滑动 对轨道的加工质量标准要求很高 应按照道桥规范的要求和标准制作 屋顶刚性环梁制作刚性环梁约束整个桁架体系 环梁与桁架均成斜角连接 连接节点的处理要满足精度和刚度要求 钢结构吊装吊装机械选择吊车是工程最主要的施工机械 起重能力和构件吊装顺序 构件分割密切相关 即起重能力要满足每个吊次构件的重量 工程拟采用履带吊车和塔吊结合 保证覆盖所有构件安装范围 钢格构柱 桁架 次结构和刚性环梁的整体吊装顺序 钢格构柱吊装钢格构柱安装分段安装 刚性环梁吊装地面连接 整体提升 临时支撑固定 或者地面连接 分段提升局部 桁架吊装主桁架采取分段吊装 空中连接 滑动屋面安装滑动屋面安装采用分段吊装 空中连接方式 黑龙江电视塔 黑龙江电视塔 建于黑龙江哈尔滨市中心 电视塔总高336m 为正八边形抛物线型钢管塔 1999年9月完成结构安装 2000年10月落成 电视塔高度在已建成的钢塔中居亚洲第一 该塔为多功能钢结构电视塔 兼具广播与电视发射 旅游观光 电信 科普教育等多项功能 塔楼标高从181m到214m 分八层 建筑面积为3600平方米 塔楼使用阶段活荷载为250kg m2 塔楼内游客总数限制在500人之内 其井道为封闭式圆筒形 直径8 5m 内设三台电梯 两座消防楼梯 四个设备管道井 塔座共五层 地下一层 地上四层 为球冠形钢筋混凝土结构 建筑面积13000平方米 其内部有直径40m 高27m的圆形共享大厅 十分壮观 塔顶及267 7m标高平台 240 3m标高平台各在对角线方向安装经民航总局认定合格的航标灯两个 钢塔主体结构的钢管管径大于 400者均用Q345E钢板卷焊 其余钢管采用Q345E或16Mn无缝钢管 塔楼主桁架及外塔架型钢以及连接板均采用Q345E或16Mn 塔楼及井道内其余型钢以及节点板 钢板均采用Q235B 工程中所有Q345E和16Mn钢材除满足规范规定的结构用钢各项技术指标外 还需保证 40 U 2130时的低温冲击韧性合格 对Q235B型材除满足规范规定的结构用钢各项技术指标外 还需保证 20 U 2130时的低温冲击韧性合格 锚栓用 65圆钢 AKV 17焦 塔柱法兰用螺栓均为10 9级40cr承压型高强螺栓 塔楼主桁架连接螺栓均为8 8级剪切型高强螺栓 螺栓接触面采用局部喷砂后涂无机富锌漆的方法处理 其他螺栓一律用16Mn材质的粗制螺栓 其材料低温冲击韧性也要合格 电视塔从设计到建成 开放仅用了两年半时间 总投资一亿多人民币 建设速度快 投资省 该电视塔建成后以其多方面独特的设计理念 优美而宏伟的钢结构建筑造型 完善的技术设施及优良的施工质量而成为黑龙江省的标志性建筑 并被誉为建筑中的 精品 从技术上看 该电视塔的建成在国内多功能钢结构电视塔建造史上具有重要意义 它成功地解决了 高寒地区多功能钢结构电视塔的温度效应及对策 高耸钢塔振动控制工程设计 设备安装及实测 多功能钢结构电视塔消防 等多个关键技术问题 它的落成成功地实现了科学研究成果向实际工程应用的转换 青岛广播电视塔 青岛广播电视塔被誉为 中国第一钢塔 坐落于青岛櫸林公园内 海拔116m的太平山上 塔体高为232m 八边形塔身 是青岛最高的旅游景观 钢塔塔身分三部分 四边形天线段 塔楼段和八边形塔身段 四边形天线段分为四段 总长80 5m 安装有四副电视天线 一副调频广播天线和微波天线 可发射六套电视节目和四套调频节目 各层天线之间有检修平台 工作电梯可直接升至135 0m高检修平台 天线架内设有直爬梯供检修人员使用 天线段外涂有红白相间航空障碍标志漆 塔顶及平台上共设三层航空障碍灯 塔楼分上下两个 相互呼应 上塔楼为标高123 140 5m 为网球形 钢管结构外露 钢管采用银白色 中间网格以银白偏蓝色镜面中空夹胶玻璃封闭 酷似一块蓝宝石 该球体外径为20m 内分四层 各层建筑面积依次为190m2 273m2 306m2 273m2 总计1042m2 分别作为微波机房和观光游览厅 塔楼楼面为梁板结构 外端由网壳支承 内端由主塔身支承 平面内刚度很大 四层楼面同时维持着网壳结构的稳定 下塔楼为银白色飞碟形 外径32m 建筑面积800m2 内设3m边宽环形旋转平台作为游览观光用 塔楼外围用中空夹胶玻璃封闭 下地面外圈用铝板维护 内圈用通透的空间桁架结构支撑 每层有桁架16片 楼顶沿塔身有4 1m宽的环形露天平台 位于标高115m处 建筑面积208m2 供游人远眺 抛物线型下塔身采用刚性斜腹杆体系 中间电梯井道用九根钢管支撑 外面封铝板 其中镶嵌八条蓝色带状玻璃窗 显得晶莹剔透 夜晚在灯光装饰下 给人以动态的美感 钢塔主体结构材料主要采用Q345和20号钢大口径无缝钢管 并辅之以部分20号钢小口径无缝钢管作为非主要构件 其余板材 型钢等均用Q345钢 塔柱法兰连接螺栓用45优质碳素钢调质处理制作 其他螺栓用Q345钢制作 钢筋混凝土发射机房呈球冠形网壳 既与上下塔楼协调 又有较大的体重使整个塔外观更为庄重 发射机房共分为三层 底层建筑面积22387m2 其中发射机房面积719m2 前半部分作为观光游览等综合性娱乐厅 中间是电梯井等 后半部分为办公 发射机房 而曾建筑面积为1736m2 其中外阳台建筑面积683m2 三层建筑面积为530m2 二 三层均作为观光游览厅 三层建筑面积合计为4504m2 机房采用现浇钢筋混凝土结构 各层楼面均成为环形板块 以增加塔脚平面刚度 特别是二层楼面板 由周边桁架式全量和楼板组成为整体来抵抗塔柱传来的巨大拉压力的不平衡水平分力 机房下设有地下室 建筑面积1606m2 内设水泵房 配电室 风机房 厨房 综合控制室等 通过走梯和机房底层相通 且可以直接通往下行的公路 河南开封电视塔 开封电视塔 高270m 位于河南省开封市开发区内 为河南省第一高塔 是集电视调频发射 旅游 消防 通讯 交通 气象等多功能电视塔 电视塔共设四副电视发射天线 一副调频发射天线 能发射六套电视节目 两套调频广播节目 电视塔设有上 下塔楼 塔楼的外形和平面各有特色 塔内设有两部电梯作为垂直交通 另有走梯和爬梯可达塔顶 整座塔重1360t 塔身段高度为199m 标高42m以下为四边形组合格构柱 在格构式横梁处起拱 内 外拱直径分别为48m和35 2m 塔脚处外接圆直径84 853m 标高42m以上为正八边形空间桁架 塔身下部约36m高范围内采用K形刚性斜杆 下塔楼内部分塔身采用人字形刚性斜杆 其余部分为十字交叉柔性斜杆 塔身80 0m 127 91m 163 91m标高处设有内平台 作为检修和紧急疏散之用 塔身材料为无缝钢管 最大规格为 720 14 电视塔天线段总长82 951m 为正四边形空间桁架结构 边长分别为0 7m 1 5m 2 5m 4 0m 天线内设直爬梯供检修用 天线外涂红 白相间的航空障碍标志 并在塔顶 246 0m 199 049m标高平台处设置三组航标灯 在塔身标高171 542 189 642m处为一碟形上塔楼 共四层 最大直径为27m 建筑面积为1200m2 塔楼第一层为设备层 第二至四层为旅游观光层 其中第三层设有旋转平台 第四层为露天观光平台 每层塔楼平面均有十六榀桁架与塔柱相连 承