圓弧空間曲線梁架鋼結構施工技術

杜月勝

（山西省第一建筑工程公司，山西 侯馬 043000）

近年來，某些大型公共建筑采用了圓形的建筑造型，并謀求大空間以滿足各種功能的需要，如中國國家大劇院、上海鐵路南站、天津霍元甲紀念館等，雖然上述工程采用的結構形式各不相同，但無一例外采用了鋼結構，而且在設計上都采用了圓弧曲線梁。

1 工程概況

我公司施工的天津霍元甲紀念館工程，見圖 1，該工程主體結構為圓形鋼結構，建筑外形為仿古建筑，圓形建筑中心的頂部外形構造從上俯視是太極陰陽魚造型，它的結構形式為圓弧及空間曲線梁架?；⌒吻€鋼梁的原材料為熱軋H型鋼，規格有9種，最大的為HN800×300×14×26，最小的為HN300×150×6.5×9，柱為鋼管柱，所有用料材質均為Q345B，總用鋼量為2 000 t，其中圓弧曲線鋼梁約為500 t。弧形曲線梁含太極頂共計7層，每層最多的有6圈，最少的有3圈，平面圓弧鋼梁的直徑分別為8.2 m、16.2 m、32.4 m、46.2 m、60 m、64.8 m，太極頂部脊的投影是直徑為24.3 m的半圓弧，而在立面，最高處與最低處的高差為8 m，這就使該弧形脊鋼梁在空間結構中形成平滑曲線。

圖1 霍元甲紀念館效果圖

2 施工存在的制約問題

由于該工程工期緊，有24個國家參加的國際性精武會議在這里按期召開，從工程地基處理打樁開始到精裝修、館內布展、附屬建筑及廣場等總工期只有240 d，其中主體鋼結構工期為100 d。通過對該工程鋼結構的施工，結果表明，要保證施工安全、工程質量、縮短施工工期、降低施工成本，存在的主要問題如下：

2.1 弧形鋼梁的制作受到施工設備的制約

目前弧形鋼梁的加工主要是靠熱煨，即采用氧乙炔火焰加熱到高溫，靠借助外力加工而成，見圖2，且溫度要控制在900～1 000 ℃，低合金結構鋼當溫度降低到700～800 ℃時應停止加工，且應自然冷卻。該工藝雖然簡單，但效率低，施工速度慢，關鍵是鋼梁的弧度曲線和曲線半徑無法保證，易形成折線彎，還可能出現褶皺，既降低了功效還增加了施工的成本，只能適合少量加工。

2.2 施工前的策劃和工藝的合理選擇與否決定工程的順利進行

為了保質保量安全完成施工任務，在接到工程圖紙后，技術人員利用軟件建立實體模型，對施工圖紙進行深化設計（包括構造設計和構造連接節點設計），保證各個環節的精度，根據放樣圖繪制各構件、節點的加工分解圖，見圖 3，深化設計完成后，編制工藝規程，包括焊接工藝評定和進行焊接時的加工設備及用以保證構件外觀尺寸和焊接變形的工藝裝備。另外，考慮安裝的施工工藝，提前策劃，尤其是圓弧鋼梁的安裝順序和安裝方向的選擇，給施工的順利進行奠定基礎。在工程實施過程中，深化設計、節點設計、加工詳圖、構件制作、現場拼裝、吊裝定位等全過程均按同一三維實體模型，確保各個階段精度達到設計要求。

圖2

圖3

3 工藝原理

我公司通過對霍元甲紀念館工程的施工，總結出了大型圓弧鋼梁施工一套可行的方法，該方法效果明顯，既經濟又安全，關鍵是縮短施工工期。其工藝原理是把熱軋H型鋼通過自動液壓拉彎設備加工成所需曲率半徑的圓弧后，進行切割下料，同時打坡口，焊接加勁板，最后進行安裝栓接和焊接。

其工藝流程：原材料熱軋H型鋼進廠→拉彎→檢驗→校弧→切割下料→焊接加勁板→斷頭上下翼緣開坡口→檢驗→除銹→涂裝→出廠檢驗→吊裝→校正及高強螺栓緊固→鋼梁翼緣與鋼柱焊接→無損探傷檢驗。

4 施工關鍵、難點技術

4.1 計算機輔助深化設計三維實體模型的建立

我們在接到施工圖紙后，技術人員立即組成技術攻關小組，對設計圖紙進行仔細研究分析，制定方案。因為該工程結構復雜，材料規格、構件品種繁多，構件互換性差，首先通過計算機進行輔助設計和實體建模，通過不同的視點建立多個視窗，可以方便、直觀的對復雜結構進行空間定位。三維實體模型可視性好，形象直觀，惟妙惟肖，施工人員可直接觀察三維模型，做到身臨其境，在建筑物沒有建成時去真實體驗它的存在，實現真實再現，見圖4。有了模型后，對構件及節點進行深化設計，詳細計算尺寸，按1∶1精確繪制構件的加工分解圖，嚴格按照加工圖制作構件，確保制作精度，保證弧型梁安裝后的整體圓度、軸線定位及弧線的平滑度，實現實體的觀感美，見圖5。

圖4 計算機三維模型圖

圖5 太極頂部實體模型

4.2 弧形曲線梁的制作加工

根據工程的工期和工程量，圓形弧梁的制作加工是本工程的關鍵，也是難點，通過計算，靠人工加熱煨彎制作弧形梁遠遠完不成任務，圓弧曲率半徑質量無法保證，成本也較高。針對本工程我們采用了先進的機械設備，即型鋼拉彎機，見圖6。該設備采用了全自動化液壓系統，用此設備可以加工各種型材，我們根據圖紙和1∶1的實體模型大樣按照不同的曲率半徑制作胎具，來調整液壓卡具針對不同弧形梁的弧度，利用電動液壓拉彎設備冷彎加工弧形鋼梁，保證頂彎后H型鋼的弧線度和平面度，也保證了圓弧的曲率半徑。且加工的弧形梁不會損傷材料表面，在其延伸率范圍內不會斷裂，內壁不會起皺，截面不會發生畸變，此外由于金屬材料的冷作硬化，材料拉彎后可以改善其綜合機械性能。采用該設備加工工藝，效率大大提高，加快了施工速度也降低了成本。

圖6 型鋼拉彎機

4.3 施工起重設備的選擇和布局

起重機性能的選擇：根據吊裝范圍的最重構件、位置及高度，選擇相應的最大起重力矩所具有的起重量、回轉半徑、起重高度。除此之外，還應考慮塔式起重機高空使用的抗風性能、起重卷揚機滾筒對鋼絲繩的容繩量、吊鉤的升降速度。

起重機數量選擇：根據建筑物平面、施工現場條件、施工速度、塔吊性能等，合理選擇起重機數量，在滿足起重性能的情況下，盡量做到就地取材，避免發生二次倒運。

本工程為直徑60 m的圓形主體結構，主體結構外一周圈為30 m的室外臺階，即該建筑為直徑120 m的圓形建筑。在鋼結構施工的同時室外臺階也要進行施工，綜合鋼結構主體和室外臺階土建的施工，經過嚴密計算我們選擇了三臺 QT5513型塔式起重機，臂長均為45 m，分別設置在120°方位上，見圖7。這樣在進行立體交叉作業時互相錯開，不影響作業施工面，安全也得到了保障。

4.4 弧形鋼梁安裝工藝的選擇

弧型框架鋼梁與鋼柱的連接通常為上下翼緣板焊接、腹板栓接，或者是全栓接、全焊接的連接方式，本工程為上下翼緣焊接、腹板栓接的形式?；⌒涂蚣茕摿旱牡跹b宜采用專用吊具，兩點捆扎吊裝，吊升中必須保證使鋼梁保持水平狀態。

吊裝順序的選擇：一節鋼柱一般有2～4層梁，橫向構件由上層向下逐層安裝，由于上部和周邊都處于自由狀態，易于安裝和控制質量。在同一圓弧直徑上的弧梁從中間跨開始對稱地向兩端擴展安裝，同一跨上的弧梁先安上層再安中下層。次梁根據實際施工情況一層一層安裝完成。在吊裝時合理劃分流水作業區段，確定流水區段的安裝、校正、固定。本工程按照塔吊的位置分為三個吊裝區域，吊裝順序見圖7。

安裝方向的選擇：圓形建筑同一弧形的相鄰兩根鋼柱之間的弧形鋼梁安裝，一般鋼柱與鋼梁的連接是通過鋼柱上的連接板和鋼梁腹板螺栓固定，然后焊接上下翼緣板。在弧形鋼梁安裝時是垂直弧形由外向內安裝還是由內向外安裝，其安裝方向至關重要，關系到鋼柱上連接鋼板的焊接位置，更關系到弧形鋼梁能否插進兩鋼柱之間。如果在制作時按由內向外安裝，鋼梁的兩端上下翼緣和圓管柱相碰，安裝不上，除非把圓弧鋼梁一端或兩端翼緣板外側割掉一部分，安裝完成后再補焊。此時如果現場改為由外向內安裝，則圓弧鋼梁兩端與鋼柱間隙就超出設計及規范要求，圓弧梁的軸線向外偏移，而且螺栓孔發生錯位導致高強螺栓無法安裝，這樣既無法保證質量，又降低了施工效率。我們經過認真思考提前預測，根據模型大樣分析、實驗，采取了由外向內的安裝方法，見圖 8，既保證了弧形梁的安裝精度，又加快了施工進度。

圖7

圖8

5 結束語

通過對天津霍元甲紀念館大型圓弧空間曲線梁架施工技術的應用與研究，充分體現了紀念館設計的陰陽魚及太極的復雜構造，也充分體現了仿古建筑的風格，有效的保證了工程質量和施工進度。我公司很好的利用計算機輔助設計進行二次深化設計并建立直觀的實體模型，采用先進的施工工藝，合理選擇和布置起重設備，有效利用現場施工條件，合理安排施工流程，確保了構件的制作質量和安裝精度，縮短了施工工期，降低了施工成本。在施工中，高空作業量大，立體交叉施工作業面多，施工人員多，在安全施工中采取有效措施，安全防護到位有效，安全無事故，順利完成施工任務。