岭南明珠体育馆屋盖钢结构制作与施工技术

“岭南明珠”体育馆屋盖钢結构制作与施工技术杨志明

徐静

胡冬軍

徐蕾江苏沪宁钢机股份有限公司

摘

要：本文介绍了佛山“岭南明珠”体育馆屋盖钢結构工程的节點深化设计、构件制作、整体拼装与施工安装全過程，重點阐述了该工程钢結构制作与施工中所采取的工艺措施及相应的技术方案。工程实践表明，通過對钢結构制作施工方案的合理制定与正确实施，能够较好地实現此类异形空间結构的设计与施工目標。

关键詞：深化设计

节點制作

分层

整体提升

壹.工程概况

“岭南明珠”体育馆位于广東省佛山市禅城区季华五路（電视塔北侧），毗邻规划中的城市景观轴，占地22.3公顷，总建筑面积约75182m2（其中地下室建筑面积约23640

m2，地上建筑面积约51612

m2）。项目包括6000個座位的综合体育馆以及附属体育馆、全民健身广場、地下停車場等。主体建筑結构体系由壹個主馆和两個副馆（训练馆和大众馆）组成，主体育馆直径為128.4m，建筑高度為35.48m，地上4层；训练馆和大众馆直径為78.4m，建筑高度约26.4m。主馆与副馆通過3個穹顶连為壹体，优美的圆弧外形如同壹颗熠熠生辉的明珠，其結构图如图1所示。作為佛山市的標志性建筑，该体育馆自2005年建成以来，承担了广東省第12届运动會的闭幕式及篮球、体操比赛等重大文体活动。

本工程构造独特，結构设计灵感来源于中国古老的建筑形式－斗拱，是世界首例真正大跨度空间結构。钢結构总重量10,000余吨，包含5000多個复杂节點，20600多根杆件。

二.钢結构深化设计与节點、构件加工制作

本工程主体钢結构的杆件数量达22000多根，节點数量5000多個。考虑工程独特的結构形式，大部分节點采用H型钢直接交汇节點或板节點，部分采用了铸钢节點，主体結构总用钢量為12500吨，附属結构重约1400多吨。在工程中大量采用的H型钢直接交汇节點构造非常新颖，如5、6根平面加空间扭曲的H型钢构件直接交汇的节點做法等，在国内外同类工程中尚属罕見；部分典型节點形式如图2所示。結构构件、节點数量繁多，构造复杂，加工制作难度大，是本工程深化设计与钢結构制作的最大特點。

1.各工序制作难度

1）.結构深化设计难度

正确详尽的钢結构深化设计是結构构件精确加工的先决条件。本工程钢結构施工详图的制作流程是先将设计图形转化為空间模型，通過不同工作面對空间模型进行切割、投影，将将其转化為适宜于构件加工的平面尺寸。建立工程的空间模型之前，需經過多次校核以确保构件截面尺寸及轴线的正确性。由于本工程构件种类、数量多，此项工作显得尤為重要和繁杂。针對本工程的結构特點，在中央穹顶大球和小球的過渡位置，部分工作點不能通過图紙来确定。因此，在建立模型之前，通過對照MIDAS计算模型进行多次的CAD模型校對，确定最终的整体空间模型，保证各工作點的位置精准。

由于本工程节點构造较為复杂，特别是H型钢斜向交汇处钢板的厚薄度处理措施比较复杂，容易出現间隙导致装配不能紧贴，达不到理想的焊接质量；需要进行多次放样，以求达到较好的效果。如某些节點汇交了12根杆件，杆件数目较多，节點受力复杂，节點设计难度较大。為此，在空间模型建立後，需對各种类型的节點进行汇总，与设计方协商确定做进壹步分析验算的节點及受力工况；經ANSYS验算後，對不满足规范要求的节點重新设计出图。

2）.放样难度

由于結构是空间任意的穹顶結构，图紙標注尺寸均仅能反映平面投影尺寸，很难反映构件的真实外形尺寸，就必须通過计算机放样，各個构件节點都必须通過CAD实体建模，然後根据实体模型绘制出各零件图。特别是H钢斜交于H钢上钢板厚薄度处理比较复杂，稍处理不當，就會出現间隙，装配不能紧帖，达不到理想的焊接质量。

3）.胎架制作

所有构件节點均為空间不规则布置，每個节點在组装前必须找准安装基准面，并且按此基准面将其余杆件坐標转换成该基准面同壹坐標系。在地面上弹出该节點的相关底线，然後搭设临時组装胎架上，以便于装配定位。

2.节點与构件制作

所有零件均通過计算机精确放样，下料采取数控精密切割。腹板及其连接板孔群加工采用数控钻孔钻制。节點采用空间定位，每個零件组装時，须根据图紙上所反映的長度和角度进行吊线定位。為精确定位，定位點选2個以上；每個零件定位，须测量8個甚至更多数据。零件定位時，還应根据构件的特點选择装配和焊接的顺序，避免焊缝操作空间小和焊缝收缩不均匀的情况。結构装配完後进行整体测量，對不符合要求的零件采用火焰矫正方法进行矫正。典型构件节點的制作流程如下。

1）.环向桁架上弦节點A制作工艺流程

為便于控制节點连接的断面尺寸，该节點上、下环板制作時分為3段进行下料。将對应各段的上、下环板分别与其腹板组装成部件，组装中严格控制断面尺寸精度及腹板垂直度要求。為便于結构的组装和测量，結构装配前先在钢管上划出装配线，并将钢管置于可旋转滚轮胎架上进行定位。钢管定位後按装配线进行部件Ⅰ的装配，装配時严格控制其空间角度与位置关系。接著依次进行部件Ⅱ和部件Ⅲ的装配，同時严格控制环板對接錯边量。组装完成後进行焊接時，先焊环板對接焊缝，再焊接腹板角焊缝。焊後經复测、矫正後装配斜向撑杆、连接腹板及加强环加劲板。复测所有连接腹板空间角度关系并矫正，装配下侧撑杆并焊接；對于結构重點焊缝要求进行超声波检测。主要制作流程如图3所示。

2）.环向桁架下弦节點制作工艺流程

結构装配前先在划线平台上標记连接腹板定位线。在H型钢自动组立机上进行H型钢组装，采用埋弧自动焊在H型自动埋弧焊机上进行焊接。焊後进行矫正，装焊腹板加劲板、封板；依次分步装焊中间两侧的连接节點、部件，装配時要严格控制组装间隙。焊接時從中间向外侧退焊施工，并要求上、下對称施焊。组装、焊接中间连接节點時重點控制节點空间夹角及其断面尺寸精度，除結构空间狭小位置采用手工焊外，其它部位均采用二氧化碳气体保护焊进行焊接。為控制连接节點端口断面尺寸精度，将外端连接节點组装成部件後再整体与节點主体进行装焊，组装中严格控制其空间夹角。连接节點焊接時要求双数焊工對称施焊，以防止产生過大的焊接变形。主要制作流程如图4所示。

3）.环向桁架上弦节點B制作工艺流程

結构装配前，先在划线平台上划出连接腹板及加强結构装配定位线。在工装平台上进行组装，该平台需满足组装平面度要求。按定位线组装纵向连接腹板并严格控制其垂直度。装配两侧加强劲板并完成其焊接，加劲板采取退装法從中间向两侧依次装焊并要求對称施工，以減小焊接变形。依次装焊中间两侧的垂直、斜向连接部件；组装完後进行连接节點的焊接時，要求双数焊工對称施焊以防止产生過大的焊接变形。主要制作流程如图5所示。

3.

焊接质量控制措施

本工程的构件与节點连接基本采用焊接形式，焊接工作量大，焊接质量直接影响整個工程的施工质量。在构件制作及現場施工中，主要采取了如下的焊接工艺控制措施：

预热温度壹般控制在200～250℃之间，為了保持该温度，要求厚板焊接時壹次焊接连续作业完成；當构件较長時，焊後应立即盖上保温板，防止焊接区域温度過快冷却。

在厚板进行定位焊時，為防止定位焊处的温度被周围“冷却介质”很快冷却，造成局部应力集中而引发裂纹产生，须提高预加热温度、加大定位焊缝長度和焊脚尺寸。

实践表明，在焊缝周围的钢板表面四处敲击的引弧方法對厚板的危害很大。在厚板焊接過程中，严格禁止此种不规范行為的发生，不允許在焊区以外的母材上引弧和熄弧。重要的對接接頭和T形接頭的两端均应装焊引弧板和熄弧板。

為防止由摆宽道造成的母材對焊缝拘束应力過大、焊缝强度相對较弱所带来的焊缝開裂或延迟裂纹的产生，须坚持采用多层、多道焊缝，利用前道焊缝對後道焊缝的“预热”以及後道焊缝對前道焊缝的“後热”处理，以有效改善焊接過程中的应力分布状态。

為控制板件角变形，采用合理的焊接施工顺序。采用翻身焊接時先焊正面的部分焊道，然後翻转工件，清根後焊反面的焊缝，如此往复，以尽可能減少焊接变形及焊缝内应力。

因為施焊過程時间较長，需要加强焊接過程中的检查，以便及時发現問題、及時处理。

三.钢結构吊装施工

1.安装方案的确定

本工程是真正的空间钢結构,從結构特點不难看出,安装阶段的空间刚度与結构形成整体後的空间刚度相差會拾分悬殊,所以在安装過程中构件内力的变化、結构安装的稳定性、結构的变形等都难以控制，如果這样，對于安装時空间座標的测控、安装精度控制、安装误差的消除等将會产生非常大的影响；另外，本工程安装受現場条件的限制，吊装区域面积大，吊装半径最大达65米，吊装难度较大。针對上述难點，采用以下安装方案来解决本工程結构的安装。主体育馆第壹至九层环向桁架，训练馆和大众馆第壹至七层环向桁架进行合理分段後采用大型履带吊車(1台250吨，2台150吨)进行分段吊装；主体育馆拾壹至拾五层，大众馆、训练馆第八层至拾层所有結构采用在体育馆内投影位置处整体拼装，然後采用液压同步提升的方法进行整体安装。主体育馆第拾层，大众馆、训练馆第七层环向分段采用分段吊装最後吊装，另外局部构件（外层拉杆等）均以汽車吊进行散件安装。

2、施工要點及主要施工技术

1）.安装用支撑胎架的设置

三個馆中呈放射状的支撑用于下部环向桁架吊装單元支撑用，并设置环向联系桁架及隅撑等，以确保支撑体系的稳定。支承在混凝土楼板上的钢支撑，均要设置支撑壹层壹层传递到地下室的基础底板上。如下图8所示：

2）.钢构件的現場拼装

构件地面拼装過程质量的好壞将直接影响結构高空分段吊装施工的质量与效率。根据拟定的吊装方案，先按环向桁架的吊装要求进行合理分段，在現場进行环向桁架的分段地面拼装。拼装采用正造立体拼装的形式和“5+1”连续拼装的方法进行，即主桁架第壹次多段（分6段）拼装後，留下最後壹個分段，并以其為基准再进行第二次主桁架的分段拼装，以此保证施工安装時分段间的连接节點准确。另壹方面，针對現場地基较软，結构易产生变形的特點，拼装胎架采用重型路基箱制作。由于現場拼装焊缝比较集中，易造成焊接收缩变形，在施工過程中采取了预放焊接收缩余量和保证胎架刚度的方法进行控制。

拼装施工的技术难點之壹是构件空间定位問題。在桁架分段组装胎架制作前，先运用计算机三维空间模型技术进行精确放样，以确保节點空间位置正确。组装胎架時，以控制节點作為胎架基准面并辅以弦杆空间线型进行制作。根据计算机放样坐標點，采用激光經纬仪测量进行节點定位，定位完成後用临時工装加固。桁架下侧撑杆组装時，先与上节點连接定位，再与节點下侧加劲板装配。上、下弦杆按從中间向两边顺序进行组装，以控制分段整体尺寸精度。杆件對接時先用冲钉固定腹板，再對接上、下翼缘板。分段整体吊装前应標明节段重心位置，以防止空中吊装時失稳。

結构的高精度拼装须依靠高质量的工程检测做保障，拼装阶段對各工序的施工测量、跟踪检测工作贯穿于上述各工序的始末。

构件拼装是将工厂制作完成的节點和零部件组装成吊装單元。我們在現場配置了4台龙门行車，并在龙门行車下设置了满铺的水平胎架（图9），以满足原计划的吊装需要。水平胎架采用较小截面的H型钢作為竖向支撑杆件，槽钢、角钢作為水平方向联系杆件。胎架平面距离地面1.5m，以满足拼装拉杆节點的空间需要。

零部件组装時，為便于施工，采取将吊装單元翻转180°的方法进行组装及焊接（图10），即：吊装單元上部結构平面搁置在水平的拼装胎架上，而下部支撑杆件朝上。拼装完成後由龙门行車吊至待运输区进行涂装作业，經检验合格後由平板汽車运输至指定区域进行吊装作业。

相比较而言，吊装單元正做的方法要搭设的胎架高度较高，则所需的胎架材料增加，且頭重脚轻不稳定，需要设置更多的支撑保证其拼装過程中的整体稳定。經实践检验，倒做的拼装方法节省胎架材料、拼装周期短、拼装难度低、质量可以保证，不失為經济实用的做法。

3）.吊装施工

吊装施工作业主要由吊装單元高空安装法及整体提升法组成。

吊装單元高空安装法主要需注意安装顺序的选择，如何合理安排吊車作业，做到物尽其用，是关键所在。

采用吊装的方法是主馆和2個副馆同時吊装，主馆采用250t履带吊机进行安装，2個副馆各采用1台150t吊机进行安装。3台吊机围绕各自場馆的圆周方向往复吊装，在构件充分满足現場安装需要的前提下，最大程度的提高了吊机的使用率，是使工程得以提前完工的保障。

三個場馆的中心穹顶均采用了液压装置进行整体提升的安装方法。

主馆的穹顶結构重量约292吨，2個副馆的穹顶結构重量各约91吨。根据提升重量、设备能力以及技术經济性方面考虑，并配合组装胎架的平面布置位置，主馆從竖向支撑体系中选取了9根支撑胎架作為整体提升用，2個副馆各选取了4根。

液压提升過程中，穹顶钢結构需要与环向三角桁架进行多點對接作业，對安装精度要求很高。同時，為防止提升過程中穹顶結构变形過大，對构件造成永久破壞，液压同步提升控制应满足两個要求：

保证各個提升點均匀受载；

保证各個提升點保持壹定程度的同步（同步精度±5mm）。

為满足以上要求，制定有如下的控制策略：

(1)

将9個提升點沿圆周方向均匀分為三组，每组3個液压提升器并联；

(2)

将其中壹组设定為主令吊點