袁淑文 薛 毅 李 瑜 楊 靜

1. 云南省建設投資控股集團有限公司 云南 昆明 650501；2. 云南工程建設總承包公司 云南 昆明 650501

1 工程概況

云南省科技館新館建設項目位于昆明市呈貢新區(qū)吳家營片區(qū)，總建筑面積58 995 m2，地下1層、地上4層，建筑高度49.6 m，地上建筑面積45 000 m2。平面形狀結合宇宙星系的抽象圖案并與“彩云”造型相疊加，建成后每日可容納5 500人參觀（圖1）。

圖1 整體效果圖

主體結構采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系，主館屋蓋結構采用空間雙向彎曲管桁架結構體系，球幕影院屋蓋結構采用單層鋼網(wǎng)殼結構。屋蓋由36榀屋面徑向桁架、13榀屋面環(huán)桁架、2榀轉換桁架、35榀落地桁架、12榀懸挑桁架、4榀懸挑環(huán)桁架、南北幕墻等組成（圖2）。主館鋼屋蓋空間管桁架最大跨度35 m，懸挑長度45 m，高度47 m；主館鋼屋蓋結構及球幕影院鋼屋蓋結構鋼管直徑規(guī)格φ83 mm×4 mm～φ500 mm×20 mm，鋼管桁架節(jié)點采用相貫焊接，部分節(jié)點采用焊接空心球連接。

圖2 鋼管桁架結構示意

2 工程難點分析

2.1 定位測量

工程整個建筑造型獨特，空間定位難，拼裝精度控制要求高。

2.2 桁架現(xiàn)場拼裝

構件呈雙向鋼管桁架節(jié)點、鋼管與鋼管為相貫口連接，如何控制現(xiàn)場拼裝精度是施工的難點之一。

2.3 桁架安裝

鋼屋蓋空間管桁架最大跨度35 m，懸挑長度最大45 m，存在諸多異形桿件，節(jié)點復雜，主桁架組合吊裝分段最大質量為27 t，結構頂標高約為47 m，構件的安裝定位、三維空間測量控制、變形監(jiān)測和控制是確保鋼管桁架整體曲面效果的前提，結構吊裝方式及施工機具的選擇是施工的重、難點[1-2]。

2.4 現(xiàn)場焊接質量控制

結構形式多樣，桿件數(shù)量多，且均為相貫口焊接，施工時焊接應力對構件的變形影響需重點控制。

3 施工技術措施

結合鋼管桁架的結構型式，綜合考慮現(xiàn)場施工條件、施工機具等因素，最終確定采用現(xiàn)場拼裝、分段吊裝的施工方法進行施工。所有管桁架桿件根據(jù)深化圖紙均在工廠完成相貫線切割、內彎弧等加工工藝，以散件運輸至現(xiàn)場，現(xiàn)場地面拼裝成吊裝單元后分區(qū)進行吊裝。

施工前引入Madis軟件進行工況分析，結合現(xiàn)場施工條件、機具配備情況，并綜合考慮管桁架結構特點，針對鋼管桁架的重要施工工序，施工前進行施工模擬及驗證，并對整個建造過程、重要環(huán)節(jié)工藝進行模擬。

3.1 機械設備選擇

現(xiàn)場安裝2臺C7050塔吊、配備2臺100 t履帶吊進行分段吊裝，吊裝時以格構式支撐架作為臨時支撐體系，屋蓋鋼管桁架結構形成一個完整的結構受力體系后，進行整體卸載。

3.2 施工區(qū)域劃分

鋼管桁架分為3個施工區(qū)進行施工（圖3）。

圖3 分區(qū)示意

4 施工關鍵技術

根據(jù)結構形式和制作安裝工藝，鋼管桁架構件需要在拼裝場地拼裝后分段吊裝。鋼管桁架施工主要分為桁架拼裝、臨時支撐搭設、桁架吊裝、桁架卸載等幾個施工階段。

4.1 主桁架現(xiàn)場拼裝

鋼管桁架構件均以散件形式運輸至現(xiàn)場，在現(xiàn)場地面拼裝后分段吊裝?，F(xiàn)場拼裝主要有平面桁架、三角形桁架、四邊形桁架，現(xiàn)場拼裝必須確保鋼管桁架的外形尺寸、長度、曲線等參數(shù)，桁架拼裝工作在胎架上進行，拼裝胎架的規(guī)格需嚴格按照構件的尺寸進行設置（圖4）。

圖4 現(xiàn)場拼裝胎架設置示意

桁架拼裝作業(yè)流程為：測量放樣，設置拼裝胎架→定位上下弦桿→拼裝上下弦桿之間的立桿→拼裝上下弦桿之間的斜腹桿→對拼裝完成后的桁架進行復測。

4.2 支撐架布置

主桁架鋼管桁架支撐體系是確保結構吊裝安全的重要環(huán)節(jié)，分段吊裝的各個安裝階段必須充分考慮結構的穩(wěn)定狀態(tài)，確保承重架自身的強度及穩(wěn)定。隨著吊裝階段的變化，不同承重架的負荷狀態(tài)也隨之變化，要對各個吊裝階段進行工況分析，以承重架的最大荷載值作為設計荷載，同時考慮支撐架的系統(tǒng)穩(wěn)定，在支撐架頂部和中部設置纜風繩加以固定。

根據(jù)鋼管桁架結構布局的特點，采用裝配式格構支撐架作為臨時支撐，臨時支撐架主要位于落地桁架、屋面環(huán)桁架、懸挑環(huán)桁架處。臨時支撐設置于桁架下弦桿處，水平方向原則上為設置于距桁架分段端口較近的節(jié)點處。在安裝過程中設置93個支撐架，支撐架頂部設置支撐胎架、剛性轉換層、定位板，用于固定所支撐的鋼構件，定位板采用厚2 cm鋼板，支撐胎架和剛性轉換層采用20#工字鋼，支撐架底部采用可調底座（圖5、圖6）。

圖5 支撐架平面布置

4.3 鋼管桁架吊裝

A區(qū)、B區(qū)同時進行施工，由1#、2#塔吊配合2臺100 t覆帶吊進行吊裝，先施工主桁架，后施工次桁架，根據(jù)桁架分段情況對桁架進行分單元吊裝，先在桁架接頭位置布置支撐架，按照從低到高的順序進行桁架安裝。C區(qū)施工時由2#塔吊配合1臺100 t覆帶吊進行吊裝。根據(jù)工況分析，履帶吊共設31個吊裝站位點，配合2臺塔吊覆蓋鋼管桁架吊裝區(qū)域（圖7）。

圖6 屋面環(huán)桁架支撐軸測示意

圖7 履帶吊行走及站位

4.3.1 吊裝順序

1）施工支撐架布置，并安裝落地桁架（圖8）。

圖8 布置支撐架并安裝落地桁架

2）吊裝相鄰落地桁架之間的轉換桁架。

3）進行落地桁架和上部轉換桁架吊裝（圖9）。

4）開始吊裝兩側底部的懸挑環(huán)桁架。

5）分段吊裝上部兩側懸挑環(huán)桁架和屋面環(huán)桁架，將吊裝區(qū)塊連接成一個穩(wěn)定框架體（圖10）。

6）分段吊裝懸挑環(huán)桁架和屋面環(huán)桁架，以及框架體內的屋面徑向桁架及其次桁架。

7）安裝完成屋面桁架結構體系（圖11）。

4.3.2 桁架吊裝

由于單榀桁架跨度很大，質量也很大，桁架現(xiàn)場吊裝需要分段進行，在桁架分段處設置支撐胎架，吊裝就位后，利用連接耳板進行臨時固定，然后進行初校、定位點焊，在精準校正完成后，方可進行焊接施工。由于落地桁架的形式比較特殊，在支撐部位設置凹型鐵片，防止桿件變形。懸挑環(huán)桁架為四邊形桁架結構，所以桁架在吊裝就位之后，在下部安裝千斤頂和卸載塊，用于支撐和卸載。在懸挑環(huán)桁架2根下弦桿處設置2個千斤頂用于桁架高度的微調。落地桁架、懸挑桁架及懸挑環(huán)桁架落地段部分，在吊裝就位后必須及時在4個方向拉設纜風繩，確保整個構件的穩(wěn)定可靠，以防止桁架側傾、彎曲等現(xiàn)象。屋面環(huán)桁架為三角桁架，且為倒三角形，下部安裝千斤頂，兩側上弦桿用型鋼套架固定，以防在支撐和桁架對接時發(fā)生傾覆。分段主桁架長度均較長，所以現(xiàn)場安裝時，需要考慮吊機多點起吊，以分段桁架的重心為基準點，四點起吊。

圖9 落地桁架和上部轉換桁架安裝

圖10 懸挑環(huán)桁架和屋面環(huán)桁架安裝

圖11 桁架安裝完成

4.4 卸載

在卸載過程中，結構體系和桿件內力會產生變化，卸載過程須遵循安全、分級、同步、對稱的原則進行，嚴格按照模擬計算結果進行卸載。

首先卸載建筑外圍落地桁架的29個支撐架，然后卸載內部環(huán)桁架和懸挑桁架的31個支撐架，其次卸載19個屋面桁架支撐架，最后卸載剩余中心及主要關鍵點的14個支撐架。

通過設置在支架上的可調節(jié)支承裝置來進行卸載，卸載前通過計算確定每個支撐點的卸載量及卸載步數(shù)，并確定每次卸載的量，按分步驟多次循環(huán)、微量下降的原則，來實現(xiàn)荷載平穩(wěn)轉移。每次卸載后，對構件進行變形監(jiān)測，無誤后進行下次卸載。

5 質量控制

5.1 拼裝及焊接變形控制

現(xiàn)場焊接工作主要為對接及相貫線焊接，對接焊接主要為弦桿對接，相貫線焊接主要有腹桿與弦桿。由于管桁架管壁較厚、現(xiàn)場拼裝桿件較多，拼裝過程中需考慮焊接收縮大、熱脹冷縮等問題，必須在焊接前考慮采取措施進行補償，采用多層多道焊接，焊接時嚴格控制層間溫度，減少焊接溫度給焊縫帶來的影響。建模計算不同點處的撓度變形，在整體拼裝胎架搭設的過程中，將撓度補償值加以考慮，使得實際結構與設計狀態(tài)吻合，并根據(jù)焊接工藝試驗，得出實際焊接收縮系數(shù)，指導實際焊接工藝。根據(jù)構件的接頭形式和焊接特點，現(xiàn)場焊接采用“半自動CO2氣體保護焊＋手工電弧焊”相結合的方法。為避免焊接應力集中，桁架整體焊接順序確定為從中間向兩邊進行，弦桿交錯對接焊接。在屋面高空焊接作業(yè)時，需采取防風措施，搭設防風棚，控制焊接質量。

5.2 施工精度控制

在測量工作展開之前，熟悉結構形式，建立三維實體模型，找出桁架控制點的三維坐標，以便在測量中使用，拼裝部件與立面次結構測量過程中為了儀器建站、定向方便，以及對同一個構件進行精確測量需要架設幾站儀器時，為保證整體精度，建立一級和二級測量控制網(wǎng)（圖12）。

由于鋼管桁架的投影多為曲線，為了保證桁架安裝精度的控制，將一級控制網(wǎng)設定并閉合后，分別將二級控制網(wǎng)的控制點引入建筑內，同時將各支座和各大分段節(jié)點的絕對三維坐標全部導出，和一、二級控制網(wǎng)進行校核后，對點位進行調整，使其閉合差滿足拼裝精度要求。采用全站儀利用三維坐標對桁架的軸線位置進行測量控制。

5.3 變形監(jiān)測

變形監(jiān)測和應力監(jiān)測是施工中非常重要的內容，通過掌握施工過程中關鍵構件的應力變化情況，及時發(fā)現(xiàn)問題和采取措施，使關鍵部位構件應變不超過規(guī)定數(shù)值，保證結構安全，應力監(jiān)測部位設置在整體結構受力較大處。應變測量以智能振弦式數(shù)碼應變計為主，并采用電阻式應變片進行校核。

圖12 測量控制點布置

撓度測控點需考慮結構安裝仿真分析過程和卸載過程中結構變形較大的部位。結構撓度監(jiān)測點布置選擇了19個鋼結構下弦點（圖13），作為結構安裝完成及滿載后對結構撓度監(jiān)測的控制點。全部卸載完成后，桿件最大應力和結構最大豎向位移與軟件模擬分析數(shù)據(jù)基本吻合，且滿足規(guī)范要求。

圖13 撓度監(jiān)測點布置

6 結語

云南省科技館新館項目屋面結構為雙向彎曲鋼管桁架，跨度大、精度要求高、施工難度大，采用分段吊裝、高空對接的施工工藝進行施工。在施工過程中嚴格控制管桁架的加工、拼裝、吊裝、支撐系統(tǒng)及卸載、測量及變形監(jiān)測等方面的工作，在滿足安全和質量的前提下，各方面均達到預期目標，整個施工過程中未發(fā)生安全事故，質量全部達到合格標準，滿足設計及規(guī)范要求。本工程鋼管桁架結構的成功修建，為空間雙向彎曲管桁架結構工程的建設提供了寶貴的施工經(jīng)驗，并具有借鑒意義。