陳士凱（浙江江南工程管理股份有限公司， 浙江 杭州 310013）

0 引 言

隨著 20 世紀(jì) 60 年代鋼材獲得突破性的發(fā)展，各種金屬建筑技術(shù)日益成熟，鋼結(jié)構(gòu)工程出現(xiàn)新的浪潮。接著從70 年代法國巴黎蓬皮杜文化中心的建成，到八九十年代英國斯文登雷諾汽車零件配送中心、中國香港匯豐銀行、日本大阪關(guān)西國際機(jī)場、加拿大多倫多天拱巨館等的相繼建成，鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)水平被推上了一個(gè)新的高度。與此同時(shí)，大跨度鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)也取得了長足發(fā)展。例如，1989年建成的多倫多天拱巨館為開合式穹頂體育場，結(jié)構(gòu)跨度為 205 m，能容納 7 萬人，屋蓋關(guān)合后可做全封閉有空氣調(diào)節(jié)的體育場，被譽(yù)為第三代鋼結(jié)構(gòu)體育場典范工程。近年來，我國城市化建設(shè)不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)十分迅猛，科技人員在新型鋼結(jié)構(gòu)的選型、穩(wěn)定性分析、理論計(jì)算、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、制作安裝和試制試驗(yàn)等方面做了大量的技術(shù)性研究工作，取得了豐富的工作成果，彰顯出非凡的應(yīng)用能力。特別是經(jīng)歷了 2008 年北京奧運(yùn)會(huì)場館建設(shè)、2010 年上海世博園區(qū)場館建設(shè)，以及亞運(yùn)會(huì)等超大型體育場館建設(shè)，鋼結(jié)構(gòu)工程的建設(shè)水平總體上趨于成熟。不可否認(rèn)，與國外先進(jìn)技術(shù)相比，我國的鋼結(jié)構(gòu)工程在結(jié)構(gòu)跨度、加工工藝和安裝技術(shù)等方面存有一定的差距，需進(jìn)一步提高應(yīng)用技能。本文依托鹽城南洋國際機(jī)場 T2 航站樓屋蓋工程所采用大型鋼結(jié)構(gòu)的施工案例，對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)進(jìn)行梳理、探討和研究。

1 工程概況

1.1 工程建設(shè)概況

鹽城國際南洋機(jī)場 T2 航站樓工程位于江蘇省鹽城市亭湖區(qū)南洋鎮(zhèn)境內(nèi)，按照“人文科技、綠色環(huán)保、現(xiàn)代簡潔”理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，外觀為大波浪、大懸挑、曲面空間造型。本工程建筑面積達(dá) 49 000 m2，為混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。航站樓自上而下共設(shè) 3 個(gè)樓層，分別為出發(fā)層、到達(dá)層和地下層。航站樓的東南方位為機(jī)場空側(cè)機(jī)坪區(qū)，西北面則為陸側(cè)高架與航站樓的到、發(fā)層相銜接。航站樓的建筑高度為 27 m，東西長度為 183.6 m，南北寬度為 75.6 m；地上 2 層、局部地下 1 層，1 層柱距為 18 m×18 m，2 層柱距為 36 m×36 m；由錐形鋼管柱、單層網(wǎng)殼屋面、鋼雨棚等組成，鋼構(gòu)件材質(zhì)主要為Q345 B、Q390 B 和 Q390 C。

1.2 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)

屋蓋由 18 根直接焊接鋼管混凝土柱支承，材質(zhì)為Q390 B，縱向?yàn)?3 列、橫向?yàn)?6 列，通過柱頂?shù)某善枫q支座與鋼柱相連。屋蓋單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由縱橫向桁架、天窗及封邊梁等組成。屋蓋桁架主要由圓管組成，采用相貫焊連接，桁架間通過圓管支撐連接而成。屋蓋分布 9 個(gè)天窗，單個(gè)重量約為 22 t，設(shè)計(jì)成雙層結(jié)構(gòu)：下層為焊接箱型梁，上層為H 型鋼組成的類似菱形結(jié)構(gòu)，拼裝后整體吊裝。

1.3 外露單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

外露單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為 Q390 C 焊接箱型梁，位于鋼屋蓋西北側(cè)，總重超過 1 000 t，單根最重為 18 t，外形為大跨度、大波浪、大懸挑、曲面空間造型，單層網(wǎng)殼體由 4 個(gè)斜撐通過自身平滑曲線斜向延伸通過地面成品鉸支座與承臺(tái)相連，單層殼體桿件之間的節(jié)點(diǎn)均為剛接。

2 工程重難點(diǎn)分析及對(duì)策

（1）由于屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工程的空間造型復(fù)雜，現(xiàn)場安裝桿件定位難度大，需要在深化設(shè)計(jì)圖中反映出各節(jié)點(diǎn)的定位坐標(biāo)，對(duì)深化建模的精度要求高。

（2）單層網(wǎng)殼主要構(gòu)件為箱型梁。由于箱型梁截面大，構(gòu)件重量重，且為大跨度、大波浪、大懸挑的曲面空間造型，安裝難度較大。

（3）桁架最大跨度為 36 m，最高處為 27 m，空間跨度大，高度高，桿件分布范圍廣、變化大；焊接形式有立焊、平焊、仰焊和斜焊，對(duì)電焊人員的技術(shù)水平提出很高要求。

考慮到深化建模精度要求高，采用 Tekla Structures專用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。同時(shí)，密切關(guān)注深化設(shè)計(jì)，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范，確保連接節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。由于現(xiàn)場安裝難度大，采取分段安裝，即在分段位置設(shè)置支撐胎架，胎架之間用桁架連接形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，用全站儀進(jìn)行測量定位以確保安裝定位準(zhǔn)確?？紤]到現(xiàn)場焊接難度大、質(zhì)量要求高，對(duì)焊工資格證及其操作技能進(jìn)行審查，并組織現(xiàn)場焊接工藝考試評(píng)定，合格后方可上崗施焊。

3 開工前的施工準(zhǔn)備

3.1 做好施工圖紙的會(huì)審

施工圖紙是對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行控制的直接依據(jù)，圖紙會(huì)審則是保障完成建設(shè)目標(biāo)的重要手段。對(duì)施工圖紙進(jìn)行會(huì)審，不僅能及時(shí)發(fā)現(xiàn)圖紙中的相關(guān)問題并加以解決，還能幫助各參建單位熟悉圖紙、領(lǐng)會(huì)設(shè)計(jì)意圖、掌握工程重難點(diǎn)，而且有利于節(jié)約工程成本和縮短工期。在會(huì)審中應(yīng)注重以下幾點(diǎn)：圖紙是否齊全，深化圖與結(jié)構(gòu)圖中軸線位置是否一致，標(biāo)高、尺寸是否標(biāo)注清楚，大樣節(jié)點(diǎn)是否準(zhǔn)確齊全，是否存在違反強(qiáng)制性條文規(guī)定等情形。會(huì)審后將審查問題整理成稿，由設(shè)計(jì)單位簽署回復(fù)意見，作為現(xiàn)場施工依據(jù)。

3.2 嚴(yán)格做好方案的編審

根據(jù)深化設(shè)計(jì)圖紙、招標(biāo)文件和驗(yàn)收規(guī)范，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，編制屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工程專項(xiàng)施工方案。經(jīng)反復(fù)對(duì)比與論證，參考目前國內(nèi)機(jī)場屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝方案，采取分區(qū)施工、分步安裝的原則進(jìn)行編制：首先分段安裝主次桁架，其次安裝天窗和單層網(wǎng)殼，最后安裝零散構(gòu)件。方案編制完成后，組織人員進(jìn)行技術(shù)性審核：結(jié)合現(xiàn)場情況及圖紙要求，重點(diǎn)對(duì)涉及施工段的劃分、異型構(gòu)件的制作、三維結(jié)構(gòu)的定位、構(gòu)件組裝的對(duì)接、焊接工藝的控制、大型吊裝設(shè)備的選型、安全技術(shù)措施的控制等進(jìn)行審核?？紤]到施工風(fēng)險(xiǎn)大、難點(diǎn)多等因素，組織專家對(duì)施工方案進(jìn)行可行性論證，經(jīng)修改確認(rèn)后用于指導(dǎo)施工。

4 施工工藝的技術(shù)控制

4.1 流水段劃分及桁架編號(hào)

屋蓋鋼結(jié)構(gòu)主桁架長度為 216 m，寬度為 108 m，柱距為 36 m×36 m?？紤]到構(gòu)件需長途運(yùn)輸且安裝便利，桁架出廠前被分成若干段，每段長約 18 m，在現(xiàn)場拼裝后進(jìn)行吊裝施工。為方便安排組織施工，根據(jù)屋蓋桁架結(jié)構(gòu)，將整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)由東至西分為 3 個(gè)施工流水段（1 區(qū)、2 區(qū)、3 區(qū)），并按縱橫 2 個(gè)方向?qū)ξ菝骅旒苓M(jìn)行劃分編號(hào)，其中橫向主桁架編號(hào)為 ZHJ-1、ZHJ-2、ZHJ-3，縱向主桁架編號(hào)為 ZHJ-4、ZHJ-5、ZHJ-6 （左右對(duì)稱）。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)測量工程控制

隨著屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桁架及單層網(wǎng)殼發(fā)生曲線變化，拼裝構(gòu)件上的節(jié)點(diǎn)標(biāo)高也相應(yīng)發(fā)生變化。因此，正確進(jìn)行標(biāo)高控制顯得至關(guān)重要。由于桁架和網(wǎng)殼采取分段拼裝和分段組裝的方式，對(duì)每段都必須做好節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)控制。根據(jù)分段情況，節(jié)點(diǎn)定位作為控制依據(jù)，參照土建的建筑軸線網(wǎng)，選定定位軸線作為控制基線，在此基線上通過解析法找出控制節(jié)點(diǎn)的投影與基線的交點(diǎn)，然后分別將相關(guān)交點(diǎn)投測到平臺(tái)上，并與上下弦桿中心投影線相交，可得到上下弦控制節(jié)點(diǎn)在水平面上的投影點(diǎn)。通過下弦節(jié)點(diǎn)投影調(diào)節(jié)上弦節(jié)點(diǎn)，可控制構(gòu)件的精確定位。

4.3 支撐胎架的設(shè)置

根據(jù)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的安裝要求，主桁架、懸挑及封邊梁的安裝需設(shè)置臨時(shí)胎架作為支撐體系，而胎架支撐體系由格構(gòu)柱、水平橫支撐及纜風(fēng)繩組成。胎架設(shè)置應(yīng)根據(jù)屋蓋設(shè)計(jì)、分段重量和安裝高度進(jìn)行確定，設(shè)置位置應(yīng)偏離主拱節(jié)點(diǎn)一定距離，以滿足安裝及現(xiàn)場焊接的要求。胎架與混凝土結(jié)構(gòu)上的預(yù)埋件進(jìn)行牢固連接?？紤]到鹽城地區(qū)的高頻風(fēng)荷載，為了滿足胎架體系的整體穩(wěn)定，在每根胎架的四周設(shè)置 4 根纜風(fēng)繩。當(dāng)桁架懸挑長度≥12 m 時(shí)，位于懸挑 2/3 位置需設(shè)置胎架，以防桁架受力變形。

4.4 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)控制

4.4.1 屋蓋管桁架預(yù)拼裝

預(yù)拼裝主要目的是檢驗(yàn)桁架的加工制作精度，以便對(duì)誤差及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和消除，從而確保不規(guī)則的大型構(gòu)件在現(xiàn)場組裝時(shí)能順利對(duì)接，從而減少高空安裝過程中對(duì)構(gòu)件的調(diào)整次數(shù)。由于管桁架為不規(guī)則曲線結(jié)構(gòu)，對(duì)構(gòu)件的加工制作精度提出了極高要求，出廠前需做好預(yù)拼裝。通過對(duì)大型桁架的預(yù)拼裝，能夠及時(shí)掌握桁架的加工制作精度，及時(shí)分析產(chǎn)生超標(biāo)部位的原因并組織調(diào)整，以便在后續(xù)的加工過程中為滿足安裝精度要求而作必要的調(diào)整與控制。確定預(yù)拼裝準(zhǔn)確無誤后，對(duì)每個(gè)預(yù)拼裝的接頭做好安裝標(biāo)記，然后焊接安裝耳板。

4.4.2 屋蓋管桁架現(xiàn)場拼裝

屋蓋管桁架現(xiàn)場拼裝前需對(duì)場地的地面進(jìn)行找平，然后采用機(jī)械分層碾壓至密實(shí)，再澆筑厚度為 100 mm 的素混凝土作為拼裝場地，以滿足桁架拼裝所需的平整度和強(qiáng)度。拼裝采取多段地面連續(xù)臥拼方式，將待安裝的上下弦分段桿件依次放入拼裝場地，拼裝定位時(shí)要控制弦桿端口處的坡口間隙尺寸和對(duì)接桿件管口的邊差，調(diào)整好桿件位置后即可連接耳板，用相應(yīng)規(guī)格的安裝螺栓擰緊，然后進(jìn)行點(diǎn)焊定位。在上下弦桿件拼裝定位完成后，進(jìn)行弦桿間的腹桿拼裝，腹桿定位拼裝與弦桿定位要求相同，在拼裝準(zhǔn)確后即可焊縫焊接，從中間焊縫開始，依次向外側(cè)進(jìn)行對(duì)稱焊接。

4.4.3 屋蓋管桁架安裝

在錐形柱內(nèi)的混凝土澆筑、成品支座安裝以及區(qū)段桁架拼裝完成后，即可進(jìn)入屋蓋管桁架的吊裝安裝環(huán)節(jié)。安裝的順序：先安裝縱、橫向主桁架，再安裝次桁架，最后安裝零散件?？紤]到主桁架最大重量 30 t、吊裝高度 36 m、吊裝半徑 18 m，選用 2 臺(tái) 250 t 履帶吊進(jìn)行吊裝；考慮到懸挑桁架吊裝最大半徑 10 m、吊裝高度 35 m、最大起吊重量10 t，選用 130 t 履帶吊進(jìn)行吊裝。根據(jù)現(xiàn)場施工條件，首先安裝 1 區(qū)（從 ZHJ-6 向 ZHJ-4 方向進(jìn)行安裝），接著安裝 2 區(qū)，最后安裝 3 區(qū)。在安裝主桁架時(shí)，由于無側(cè)向支撐，當(dāng)主桁架就位后在桁架兩側(cè)設(shè)置 2 道纜風(fēng)繩，從桁架的上弦桿拉設(shè)，下端固定在鋼柱柱頂?shù)牡醵?，跨?2 道纜風(fēng)繩也從桁架上弦桿拉設(shè)，且必須牢固固定，在縱橫主桁架焊接完成并形成穩(wěn)定體系后方可拆除纜風(fēng)繩。

4.4.4 屋面天窗安裝

屋面天窗的形狀與菱形相似，為雙層上下結(jié)構(gòu)，下層為焊接箱型梁，上層為 H 型鋼組成的菱形結(jié)構(gòu)，上下兩層通過天窗柱連接，箱型梁整體分成 4 段，其形狀呈“7”字形。天窗的安裝方法：在 4 段“7”字形箱型梁焊接完成并運(yùn)輸至現(xiàn)場后，拼裝成下層菱形天窗，采用汽車吊進(jìn)行整體吊裝，四角通過端板與次桁架鋼管焊接相連，待下層焊接箱型梁吊裝焊接完成、上層 H 型鋼單元與天窗柱在地面拼裝完成后，再進(jìn)行整體吊裝及焊接作業(yè)。

4.4.5 外露單層網(wǎng)殼安裝

外露單層網(wǎng)殼由箱型方管鋼梁焊接而成的方格網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成，網(wǎng)殼寬度 180 m、高度 22.1 m，最大單根箱型鋼梁截面尺寸為 1 200 mm×600 mm×25 mm×25 mm，分段后最大單根鋼梁重約 17.966 t，單層網(wǎng)殼底部連接處有4 個(gè)“V”字形柱腳支座支撐，頂部與桁架下部相連，形成穩(wěn)定的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系?？紤]到單層網(wǎng)殼寬度達(dá) 180 m，為提高施工效率和避免累計(jì)誤差，可采用 100 t 汽車吊和采取“設(shè)置支撐胎架，散件原位吊裝，由中間向兩側(cè)、由底部向頂部”的施工順序進(jìn)行單層網(wǎng)格的安裝施工。

4.5 鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)控制

焊接技術(shù)是鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量控制極為重要的環(huán)節(jié)，根據(jù)工程特點(diǎn)，考慮到焊接質(zhì)量、焊接速度、焊接環(huán)境和抗風(fēng)能力等因素，確定采取 3 種焊接方式：實(shí)芯焊絲二氧化碳?xì)庾o(hù)焊、藥芯焊絲二氧化碳?xì)庾o(hù)焊和焊條電弧焊。實(shí)芯焊絲二氧化碳?xì)庾o(hù)焊主要用于地面焊接以及可搭設(shè)防風(fēng)設(shè)施的焊接，藥芯焊絲二氧化碳?xì)庾o(hù)焊主要用于仰焊、受風(fēng)影響的焊縫和返修焊接，焊條電弧焊主要用于點(diǎn)焊、零星焊接和自動(dòng)焊難焊部位的焊接。施焊前應(yīng)重點(diǎn)檢查焊接件的空間定位和接縫質(zhì)量，并且將焊縫部位的污垢、銹跡等清除干凈，使溝槽露出金屬光澤。施焊時(shí)可安排 2 名焊工圍繞焊縫采取分段對(duì)稱焊接，以減少焊縫應(yīng)力；焊接參數(shù)應(yīng)保持一致，每個(gè)接頭必須連續(xù)施焊，直至焊接完畢。對(duì)于焊縫容易產(chǎn)生未熔合、咬邊、焊瘤、氣孔、夾渣和裂紋等質(zhì)量問題，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)碾娏鲄?shù)和焊接速度，并保持一定的電弧長度。焊條應(yīng)加強(qiáng)焊前預(yù)熱、焊后熱處理等技術(shù)控制措施，對(duì)不用的焊條應(yīng)烘干并保溫貯存。

5 結(jié) 語

綜上所述，鹽城南洋國際機(jī)場 T2 航站樓屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工程外觀為大波浪、大懸挑，結(jié)構(gòu)跨度大，曲面造型復(fù)雜，三維空間定位難，構(gòu)件制作標(biāo)準(zhǔn)高，現(xiàn)場安裝難度大。在開工前，對(duì)工程施工重難點(diǎn)進(jìn)行了反復(fù)分析與研究，提出了確實(shí)可行的施工技法。同時(shí)在施工過程中加強(qiáng)了各道工序的技術(shù)控制，取得了理想的工作成果，為復(fù)雜工況環(huán)境下實(shí)現(xiàn)大型屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工程安裝提供了有益經(jīng)驗(yàn)。相信未來在國家發(fā)展節(jié)能建筑政策指引下，鋼結(jié)構(gòu)工程必將有更大的發(fā)展延伸空間。