雙曲面大跨度鋼結構網架施工技術分析

王文彬

建筑鋼結構的設計水平是一個國家整體經濟實力和科技實力的體現，而作為現代建筑工程施工中最常用的一種鋼結構形式，雙曲面大跨度鋼結構是建筑施工技術創新的代表[1]。其不僅延續了鋼結構體系受力支撐效果良好的優點，同時也完善了建筑鋼結構的形態，采用曲面重力分擔方式來提升鋼結構的受力水平，為進一步創新建筑鋼結構應用方式提供了新的突破點和方向[2]。

在實際施工過程中應用雙曲面大跨度鋼結構網架施工技術，首先需要構建雙曲面大跨度鋼結構的施工模型，然后在此基礎上分析該模型的力學穩定性和可能存在的施工風險，最后安裝桁架。

1 雙曲面大跨度鋼結構網架理論分析

1.1 網架結構特征

從結構上來講，雙曲面是一種對稱的三維形狀，是通過繞對稱軸旋轉而成[3]。在實際的建筑工程中，雙曲面大跨度鋼結構網架可以對傳統鋼結構體系進行優化改造，以擴大傳統鋼結構的受力面積，提升其支撐效果。一般來說，雙曲面大跨度鋼結構網架在建筑工程中都是作為主要的承重部分使用的，能夠有效分解建筑物主體的承載力，并提升建筑物的穩定性和牢固性[4]。

從實際應用效果來看，雙曲面大跨度鋼結構網架具有以下2 個特征：第1，靈活性強，可以采用單元式拼裝方式使得雙曲面大跨度鋼結構不易受到外部鋼結構框架的影響，大大提升了建筑施工方案的靈活性；第2，兼容性高，建筑工程中應用雙曲面大跨度鋼結構網架時，還可以結合工程項目建設需求對網架進行優化調整。

1.2 網架結構分析

在實際的建筑工程中，雙曲面大跨度鋼結構網架由內部網架和外部桁架兩部分組成，其中內部網架是對建筑工程內部結構體的拼裝組合，起著襯托鋼結構體系和連接各部分結構的作用[5]。外部桁架通常采用高空散拼裝的方式和內部網架組成一個有機整體，并同時和鋼結構內部的曲面球支撐桿相連。

2 雙曲面大跨度鋼結構網架施工技術應用分析

2.1 工程概況

洛寧縣全民健身體育活動中心項目是由中國電建市政建設集團有限公司承包，該工程位于洛寧縣福寧大道以南，濱河大道以北，東臨延壽路，西鄰長虹路。項目規劃總占地面積為127780 m2，總投資約3.5 億元，總建筑面積約41052.09 m2，建設內容包含4000 人體育館和6000 人體育場，包含的建筑單體子項有游泳館、全民健身館、體育館、體育場看臺及室外平臺。體育館設計為地上三層，游泳館及全民健身館設計為地上三層和地下兩層，體育場看臺設計為地上兩層。

2.2 施工難點

由于本項目的屋蓋為大跨度雙曲面鋼網架結構，場地狹小受限，無法一次拼裝完成整個空間雙層雙曲面網架結構，節點受力復雜，不宜采用整體頂升、散拼等安裝方法[6]。為保證鋼結構工程安裝精度和施工安全，針對上述問題，本文設計了一種大跨度雙曲面網架分段提升施工方法，利用此工藝方法順利安裝完成了項目焊接球鋼網架工作。

2.3 施工技術優勢

首先，解決了因場地受限無法采用整體提升法或整體頂升法的鋼結構焊接球網架項目[7]。其次，該施工技術方案采用四邊格構式支撐架，材質為Q335B，強度高，能夠保證穩定性。最后，該技術解決了大跨度雙曲面網架安裝過程中小拼單元易變形、支座處節點連接不準確的問題，與其他安裝方案相比，符合綠色施工要求，能夠節約施工成本。

2.4 雙曲面大跨度鋼結構網架施工技術要點分析

首先，在地面進行網架小拼單元的焊接拼裝，利用由提升架、電動葫蘆、集成控制箱組成的提升系統，分段提升到預定高度。其次，分段提升過程中，保證各個提升點受力均勻，以防小拼單元變形。最后，網架節點采用分段焊接[8]。

2.4.1 鋼網架拼裝

現場架設全站儀，根據測量控制點進行焊接球定位。為減少誤差及焊接應力，應從網架中心向四周進行拼裝。臨時支座安裝完成后，將下弦球及上弦球的中心線放樣至地面，作為拼裝下弦及上弦球的控制線[9]。完成小拼單元焊接后，利用球和桿之間的相互定位逐漸向外擴展拼裝，復核焊接球的位置，無誤后，進行滿焊施工作業。焊接完成后，進行無損探傷檢測，合格后，進行刷漆處置。鋼網架拼裝流程如圖1 所示。

圖1 鋼網架拼裝流程（來源：作者自繪）

2.4.2 提升架安裝

提升架均采用四邊格構式支撐架。平面尺寸為1.5 m×1.5 m，節間高度為2.5 m，支撐架立桿則采用了140.0 mm×4.5 mm 的方管，腹桿采用了L63 mm×5 mm 的角鋼，頂部轉換平臺鋼梁采用了HN300 mm×150 mm×6 mm×9 mm 的H 型鋼。

根據網架分塊模型設置吊點，安放提升架位置，并計算所需提升架的數量。計算可知需要12 組格構式提升架，每組提升架頂端需要配置4 只10 t 電動葫蘆，由于體育館焊接球網架為雙曲面結構，因此結合現場實際情況，將格構式提升架設置的高度分別為27、24、21 m。在開展提升作業過程中，需要先固定提升架的位置，并將該位置作為控制網架的參照點，安排技術人員在網架提升過程中對網架和網架桿之間的水平間距進行實時監測，以避免在提升過程中出現較大的偏差[10]。此外，在開展提升作業前，應在提升架上張貼相關的標尺，如果在網架提升過程中出現了較大的偏差，必須立即修正。

2.4.3 吊點設置

在吊點設置時，應用計算機有限元計算分析軟件，順序模擬提升施工中的各種工況，結合工程設計狀況，通過計算分析確定最佳提升吊點位置和提升吊點所需要的提升力[11]。電動葫蘆和鋼網架之間采用Ф20 mm 的鋼絲繩連接，將鋼絲繩一端與網架的下弦球節點捆扎牢固，并用卡環固定，在另一端則要固定在電動提升葫蘆的吊鉤上。

2.4.4 鋼網提升

網架拼裝、焊接完成后，需要檢查網架的尺寸及焊接質量，經第三方檢測機構檢測合格后，便可進行提升工作，具體步驟為：

1）試吊。在中心區拼裝網架、安裝提升架、開啟控制柜電源，使網架同步提升200 ～300 mm 時停止起吊，放置12 h，認真檢查提升架、基礎、吊具及索具等是否存在異常。

2）確認試吊無誤后，可以正式起吊。首先將網架姿態調整到原設計位置，姿態調整提升方式為按排逐步提升的方式。

3）北邊第1 排3 個提升架同時提升，提升時間155 s，按電動葫蘆提升速度0.45 m/min 計算，提升的高度為1163 mm。過程中隨時觀察提升架和鏈條受力狀態，如有問題立即停止提升，排除異常后才能繼續。

4）6 組提升架同時工作，在提升到2.5 m 時，測量網架坐標，用手拉葫蘆調整位置，確認坐標無誤后，增設臨時支撐，繼續擴展安裝到第3 排提升架位置。

5）同步提升到5.5 m 標高，擴展安裝到第4 排提升架位置，安裝好提升架，繼續提升到9.6 m 標高，擴展安裝1 次。再次提升至16 m 標高，擴展安裝，繼續提升至支座位置，安裝支座部位桿件，完成吊裝作業。

2.4.5 鋼網架變形監測

變形監測的作用是驗證設計的合理性及結構和安裝過程的安全性[12]。采用全站儀對鋼結構網架進行三維變形觀測。觀測點選擇跨中下弦球，即跨中1/4 下弦球位置。鋼網架吊裝就位后，再進行撓度監測，確保鋼網架安裝質量。鋼網架變形監測點布置如圖2 所示。

圖2 鋼網架變形監測點布置（來源：作者自繪）

2.4.6 焊接質量控制

首先，焊接材料在使用前，應按其產品說明書及焊接工藝文件的規定進行烘焙和存放。其次，持證焊工必須在其焊工合格證書規定的認可范圍內施焊，嚴禁無證焊工施焊。再次，施工單位應按現行國家標準的規定進行焊接工藝評定，根據評定報告確定焊接工藝，并進行全過程質量控制。最后，焊縫內部缺陷的無損檢測應符合國家相關標準的規定。

2.4.7 安全措施

安裝工人須為專業人員且有高空作業施工經驗。高空作業前，應配置雙扣安全帶，并將安全帶扣件扣在已經穩定的網架桿件上，且安全帶應符合國家標準，有合格證書。吊裝作業之前，應明確起重吊裝安全技術要點。

動火作業前，由安全員向項目部安環部門申請相應動火證。焊割人員要隨身攜帶動火證，并嚴格按照動火證要求執行，一證不準多用和重復使用，如果作業中發現意外情況，應立即停止焊割動火。嚴禁在氣瓶漏氣的情況下進行焊割作業，發現氣瓶漏氣后，要查找原因，及時采取整改措施。

3 結語

不同建筑工程的作業條件存在很大的差別，因此在應用雙曲面大跨度鋼結構網架施工技術的過程中，需要結合建筑工程的施工條件進行系統分析，找出施工中存在的技術難點，并對雙曲面大跨度鋼結構網架施工技術進行不斷優化。