林 舒

廣州機(jī)施建設(shè)集團(tuán)有限公司 廣東 廣州 510725

目前，大跨度空間結(jié)構(gòu)在我國發(fā)展較為迅速，結(jié)構(gòu)形式多樣。為滿足建筑造型的需要，大跨度結(jié)構(gòu)廣泛采用由弧形鋼構(gòu)件組合成的鋼結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)下，鋼結(jié)構(gòu)建筑弧形鋼梁的加工以冷彎成形為主，冷彎成形會導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生明顯的殘余應(yīng)力與應(yīng)變，且殘余應(yīng)力水平很高[1]。鋼結(jié)構(gòu)安裝方法主要有分塊安裝法、高空散裝法、整體吊裝法以及高空滑移法[2]，需要結(jié)合施工環(huán)境的復(fù)雜性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行具體安裝方法的選擇。

本文依托四會市體育中心（一期）工程項目，對大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的大跨度大截面鋼梁加工及安裝工藝進(jìn)行改進(jìn)，通過中頻熱彎加工工藝與建筑信息化建模深化技術(shù)相結(jié)合，并配合整體裝配式安裝工藝，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工藝的不足。

1 工程概況

四會市體育中心（一期）工程（圖1）位于肇慶市四會市貞山新城姚沙廣強(qiáng)大道旁，為一座設(shè)有5 050個座位的中型體育館，包括籃球場、羽毛球場、乒乓球場、網(wǎng)球場、門球場，是一座全民健身運動場。作為廣東省第十五屆省運會柔道、手球比賽場館，項目將對周邊的商業(yè)、文化等產(chǎn)生輻射作用，為四會市完善公共體育設(shè)施，全面發(fā)展體育事業(yè)提供基礎(chǔ)，對四會市未來經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。

圖1 四會市體育中心（一期）工程效果圖

項目總用地面積83 317.17 m2，其中：體育館用地面積34 026 m2，建筑面積27 736.58 m2；籃球場、羽毛球場、乒乓球場、網(wǎng)球場、門球場等用地面積39 434 m2。體育館屋面高度32.7 m，地上3層，地下1層。項目主體工程于2016年8月正式動工，2017年10月開始鋼結(jié)構(gòu)主受力桁架吊裝，2018年1月底鋼結(jié)構(gòu)完成卸荷，目前項目已通過竣工驗收并正式投入使用。

主場館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)高度26.5 m，由大屋蓋、單層網(wǎng)殼和豎向支撐系統(tǒng)組成，共有2 859個構(gòu)件和1 295個節(jié)點，部分構(gòu)件為空間彎扭構(gòu)件，節(jié)點形狀均不相同。大屋蓋采用斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系，單層網(wǎng)殼主要由彎曲箱形構(gòu)件組成，彎曲構(gòu)件約占鋼結(jié)構(gòu)總量的40%。

在施工過程中，充分利用建筑信息化模型深化技術(shù)，改進(jìn)鋼梁加工的精確度控制，優(yōu)化中頻熱彎施工工藝，以提高加工精度，保證構(gòu)件的一次加工合格率，避免加工過程中產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力及回彈變形。同時，利用大跨度弧形鋼梁整體裝配式安裝技術(shù)，減少安裝過程中臨時支墩的搭建，有效減少高空焊接工作量，提高安全性，加快安裝進(jìn)度。

2 研究內(nèi)容

2.1 建筑信息化建模優(yōu)化

在施工策劃階段，首先對體育中心進(jìn)行建筑信息化建模（圖2），然后對鋼結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行構(gòu)件拆分，之后逐步進(jìn)行以下工作：

圖2 建筑信息化模型示意

1）根據(jù)創(chuàng)建的模型，對弧形鋼梁的加工進(jìn)行指導(dǎo)。同時，結(jié)合二維施工圖紙、加工要求及加工情況，繪制弧形鋼梁大樣圖并編制弧形鋼梁加工方案。

2）對弧形鋼梁加工方案進(jìn)行詳細(xì)會審，通過業(yè)主、設(shè)計方、施工方的多方協(xié)作，選擇最優(yōu)的加工方案，保證弧形鋼梁的加工精度。

3）加工人員在加工時如遇難點或疑點，直接通過建筑信息化模型與技術(shù)人員溝通，技術(shù)人員直接利用BIM模型進(jìn)行技術(shù)交底。如有變更，實時更新模型數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行變更統(tǒng)計。

4）根據(jù)實際需要，通過BIM模型對鋼梁結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行進(jìn)度統(tǒng)計，及時調(diào)整進(jìn)度偏差，以達(dá)到跟蹤進(jìn)度、控制成本的目的。

2.2 鋼梁中頻熱彎加工工藝

中頻熱彎加工工藝采用感應(yīng)加熱技術(shù)對構(gòu)件進(jìn)行熱處理。感應(yīng)加熱熱處理最初應(yīng)用于工件表面淬火，20世紀(jì)70年代發(fā)展為中頻調(diào)質(zhì)，由于熱處理后的鋼構(gòu)件成形質(zhì)量高，并且可實現(xiàn)熱處理的機(jī)械化和自動化，故這一技術(shù)在我國被廣泛應(yīng)用[3]。通過研究，確定鋼梁中頻熱加工工藝流程如下。

2.2.1 放樣、設(shè)定模型模板

對于二維函數(shù)曲線或自由曲線的構(gòu)件，在彎制之前應(yīng)先設(shè)置控制點，并對控制點坐標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)計算。對于單一曲率的構(gòu)件，彎曲前的控制點至少為5個；對于多曲率構(gòu)件或者曲率較大的構(gòu)件，彎曲前的控制點應(yīng)相應(yīng)增加。檢查時，可以根據(jù)相對坐標(biāo)對控制點進(jìn)行校核。

2.2.2 加熱彎制

中頻熱彎工藝?yán)昧私涣麟娡ㄟ^線圈后，與其產(chǎn)生磁場之間相互作用的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。首先，使用紫銅作為感應(yīng)線圈的制作材料，在感應(yīng)線圈的兩端通入高頻交流電，交流電采用2 500～8 000 Hz的中頻或200～300 kHz的高頻。由于電磁感應(yīng)，通過線圈的交流電將在線圈兩端產(chǎn)生交變磁場，交變磁場使得工件內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流。在此過程中，電能轉(zhuǎn)化為熱能，熱能使鋼梁表面的溫度升高，升溫范圍為900～1 200 ℃。之后，在高溫下對鋼梁進(jìn)行彎制，同時對鋼梁表面進(jìn)行淬火處理。最后，使用冷卻水或風(fēng)冷對加熱區(qū)進(jìn)行冷卻，使得冷卻段的溫度降低至300 ℃左右（圖3）。

圖3 鋼梁彎制現(xiàn)場

2.2.3 工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)中頻熱彎工藝僅對鋼梁局部加熱并進(jìn)行彎曲而成形。通過對彎曲后的構(gòu)件進(jìn)行檢驗，發(fā)現(xiàn)局部加熱的彎管，其彎曲段焊管性能得到改善，但直線段性能不穩(wěn)定。針對這個問題，對傳統(tǒng)中頻熱彎工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，對弧形構(gòu)件采用整體感應(yīng)加熱，最終實踐結(jié)果表明，該方法能較好地改善構(gòu)件直線段不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

2.2.4 檢驗

用超聲法測量彎曲后的壁厚。以3個測點為1組測量厚度值，測點選在彎曲弧度外側(cè)中間處，1個點在彎曲平面上，另外2個點分別在彎曲平面上、下與鋼梁中心線大約60°處。對于彎曲度超過45°的鋼梁，在其彎曲弧中部與各個切點之間的中間處，也應(yīng)各增加測點進(jìn)行測量。

2.2.5 熱處理

待處理構(gòu)件應(yīng)整齊放置在有效的加熱區(qū)內(nèi)，擺放應(yīng)該保持平穩(wěn)，避免構(gòu)件之間的堆積、疊壓，以防止構(gòu)件變形。

當(dāng)熱處理后鋼梁角度偏差超出允許值時，則采用低溫回火方法進(jìn)行矯正，溫度低于該鋼種的回火溫度30 K。熱彎后，對鋼梁進(jìn)行熱處理，具體要求為：對于碳鋼材料，名義厚度＞19 mm，熱處理溫度為600～650 ℃，每毫米厚度的恒溫時間為2.4 min。

2.3 弧形鋼梁安裝

2.3.1 可調(diào)式胎架設(shè)計

對于本工程而言，主要是對工廠制作的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行拼裝，胎架的形式基本相同。同時，針對主桿件及牛腿空間位置的不確定性，設(shè)計了具有可調(diào)性能的胎架。胎架具體形式如圖4、圖5所示。

圖4 拼裝胎架

圖5 架鋼墊箱

2.3.2 地面拼裝連接板設(shè)計

構(gòu)件在拼裝胎架上進(jìn)行拼裝時，對構(gòu)件對接精度有較高要求，同時需要對焊接變形量進(jìn)行嚴(yán)格控制。為滿足上述要求，對臨時連接板進(jìn)行細(xì)部優(yōu)化設(shè)計。在對構(gòu)件進(jìn)行地面拼裝之前，在箱形梁的上、左、右翼緣各設(shè)置1塊連接用鋼板，采用螺栓進(jìn)行臨時固定，如圖6所示。

圖6 典型吊裝單元臨時連接板設(shè)置示意

2.3.3 弧形鋼箱梁的吊裝定位

1）對弧形鋼箱梁進(jìn)行軸線定位。先對測量控制網(wǎng)進(jìn)行驗收。驗收合格后，對控制網(wǎng)軸線中心點進(jìn)行引測，軸線中心點位置一般為支座位置?？刂凭W(wǎng)軸線需要引測至支承構(gòu)件上，并在支承構(gòu)件上畫出標(biāo)記線以便對弧形鋼箱梁進(jìn)行定位。

2）對弧形鋼箱梁進(jìn)行水平度復(fù)核。吊裝前在支承構(gòu)件上標(biāo)記中心線，同時在弧形鋼箱梁底部標(biāo)記中心線。吊裝時，在支承構(gòu)件所處軸線上架設(shè)測量儀器，由測量員對支承構(gòu)件上的中心線和弧形鋼箱梁底部標(biāo)記的中心線進(jìn)行反復(fù)觀測，并對弧形鋼箱梁進(jìn)行調(diào)整，直至鋼箱梁水平度符合規(guī)范要求。

3）對安裝后的弧形鋼箱梁進(jìn)行中心面垂直度復(fù)核。在弧形鋼箱梁安裝就位、加固完成后，將支承構(gòu)件中心線向地面投測，以該投測線作為觀測基線，通過架設(shè)在弧形鋼箱梁上的觀測儀器，反復(fù)垂直向上觀測。根據(jù)垂直度偏差值，對弧形鋼箱梁的垂直度進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整完畢后，用檁條將兩相鄰鋼箱梁進(jìn)行連接，然后拆除輔助設(shè)施。

2.3.4 弧形鋼箱梁整體裝配式安裝

弧形鋼梁在地面拼裝完畢后，使用垂直運輸設(shè)備將其整體吊至設(shè)計位置處。采用整體吊裝的方法安裝鋼梁，焊接施工過程可以在地面進(jìn)行，大大降低了作業(yè)難度，因此，焊接弧形鋼箱梁的焊接質(zhì)量和總體尺寸均可得到有效保證[4]。

按照結(jié)構(gòu)線形要求，在地面進(jìn)行胎架位置放線。在未施加最終約束的情況下，分別對端口間隙、端口錯位情況、焊接位置坡口情況、相對距離與方位等指標(biāo)進(jìn)行檢測。驗收合格后，對合線、中心線、水平線等進(jìn)行標(biāo)記，然后對其進(jìn)行整體提升并拼裝（圖7）。

圖7 現(xiàn)場吊裝

3 結(jié)語

本文針對大空間多弧度箱形鋼梁施工，通過利用建筑信息化建模技術(shù)，對弧形鋼梁進(jìn)行建模，優(yōu)化節(jié)點設(shè)計，保證弧形鋼箱梁加工精度；應(yīng)用并優(yōu)化中頻熱彎加工工藝，改進(jìn)傳統(tǒng)分塊拼裝工藝，使弧形鋼箱梁加工一次成形，避免了冷彎工藝產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及回彈變形，并且采用整體裝配式安裝體系，減少臨時支墩搭建以及高空焊接工作量，既提高了安裝精度，又加快了安裝進(jìn)度。本文總結(jié)的經(jīng)驗對大空間多弧度鋼結(jié)構(gòu)的施工具有一定的借鑒意義。