鋼、鋁混合結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)研究

曹 輝

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 工程概況

鋼、鋁混合結(jié)構(gòu)是指運(yùn)用鋼材和鋁材相互組合的方式建造的建筑物結(jié)構(gòu)體系，由于鋁材強(qiáng)度大，同時(shí)又比鋼材密度小，因此可以實(shí)現(xiàn)更大跨度、更多樣化造型的屋面結(jié)構(gòu)。

在上海市崇明體育訓(xùn)練基地綜合訓(xùn)練館工程中，其屋面最外圍懸挑一圈為鋼結(jié)構(gòu)，中央?yún)^(qū)域由鋁桿件形成大跨度的穹頂造型。屋蓋最高高度為21.35 m，長(zhǎng)和寬為45 m×48 m，面積2160 m2，鋼結(jié)構(gòu)截面形式主要為□200 mm×200 mm×8 mm×8 mm、□320 mm×300 mm×20 mm×20 mm、H320 mm×200 mm×8 mm×10 mm，鋁合金結(jié)構(gòu)截面主要形式為H320 mm×180 mm×8 mm×10 mm與H320 mm×200 mm×9 mm×11 mm。該結(jié)構(gòu)形式在滿足安全、可靠的同時(shí)，也滿足了外觀裝飾效果（圖1）[1-3]。

2 施工工藝

2.1 主要施工技術(shù)特點(diǎn)與難點(diǎn)

1）如何降低大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在安裝過(guò)程中的變形及消除殘余應(yīng)力，并保證高空作業(yè)的施工安全是首先面臨的重點(diǎn)、難點(diǎn)。

2）鋁構(gòu)件均在廠區(qū)內(nèi)預(yù)制加工，鋁型材擠壓、精加工全部采用開(kāi)模標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)控制作，確保制孔精度在0.05 mm以內(nèi)，嚴(yán)禁現(xiàn)場(chǎng)修改、擴(kuò)孔，對(duì)前期的優(yōu)化設(shè)計(jì)與加工要求很高。

圖1 鋼、鋁混合結(jié)構(gòu)形式

3）曲面網(wǎng)格殼體現(xiàn)場(chǎng)安裝上的定位、放線及精度控制工作十分重要，安裝精度要求非常高。鋁合金結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)盤(pán)的三維坐標(biāo)控制是本工程的重點(diǎn)之一，需控制x，y坐標(biāo)在10 mm之內(nèi)，z坐標(biāo)在5 mm之內(nèi)，保證此精度才可確保最終結(jié)構(gòu)的順利合攏。

4）本工程屋蓋由屋面鋼構(gòu)件和鋁構(gòu)件構(gòu)成，涉及大量鋼、鋁連接節(jié)點(diǎn)和鋁桿件間連接節(jié)點(diǎn)（圖2）。面對(duì)眾多的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，如何制訂合理的施工工藝，降低鋼、鋁結(jié)構(gòu)的安裝誤差，提高節(jié)點(diǎn)安裝精度也是一大難點(diǎn)。

5）本工程建設(shè)施工是個(gè)多專業(yè)協(xié)同配合的綜合性工程，在土建基礎(chǔ)及網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工前即引入結(jié)構(gòu)預(yù)埋件的制作安裝作業(yè)，保證預(yù)埋件及時(shí)準(zhǔn)確的定位安裝，是后序整體工程順利施工的重點(diǎn)。除與土建結(jié)構(gòu)施工配合外，與設(shè)備安裝等配合均要求有合理科學(xué)的技術(shù)措施加以保證。

2.2 施工總技術(shù)路線

圖2 屋蓋主要節(jié)點(diǎn)形式

先安裝綜合訓(xùn)練館4個(gè)角部鋼立柱和屋面外圍一圈懸挑鋼梁以形成穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，再安裝中央?yún)^(qū)域鋁合金屋蓋，其安裝順序是從最外圈向內(nèi)逐圈安裝，注意鋼、鋁桿件間的連接板應(yīng)后焊，以便于最后結(jié)構(gòu)合攏時(shí)進(jìn)行誤差調(diào)整。鋼、鋁桿件采用跨外汽車吊配合塔吊進(jìn)行散件吊裝，同時(shí)利用現(xiàn)場(chǎng)腳手架搭設(shè)的施工平臺(tái)配合可調(diào)節(jié)撐托進(jìn)行桿件的定位安裝和調(diào)整。

“先鋼后鋁、節(jié)點(diǎn)板后焊及高空作業(yè)平臺(tái)”能有效消除鋼結(jié)構(gòu)的安裝誤差和解決鋁合金網(wǎng)殼安裝過(guò)程中變形大的問(wèn)題，并大大降低了高空作業(yè)的危險(xiǎn)性，于安裝施工安全和總工期有利。

2.3 支撐體系設(shè)計(jì)

綜合考慮安全及荷載因素，場(chǎng)館采用扣件式鋼管腳手架滿堂方式搭設(shè)操作平臺(tái)，主要用于堆放材料以及工人利用此平臺(tái)進(jìn)行桿件安裝，并利用部分立桿設(shè)置可調(diào)撐托支撐節(jié)點(diǎn)板。

1）鋼管采用Q235B、φ48.3 mm×3.5 mm鋼管，間距為1.5 m×1.5 m，步距為1.5 m，滿布斜桿，并按照規(guī)范要求設(shè)水平及豎向剪刀撐，在頂層設(shè)置一層作業(yè)面，滿鋪鋼絲網(wǎng)片。頂層工作面四周在高1.2 m位置設(shè)置扶手桿。水平剪刀撐上下間隔不超過(guò)8 m，并在作業(yè)面下方滿鋪安全網(wǎng)，高度方向每隔6 m搭設(shè)1道安全網(wǎng)。搭設(shè)高度依據(jù)網(wǎng)殼的高度降低1.5～2.0 m，作業(yè)面布設(shè)為階梯狀（圖3）。

2）網(wǎng)殼支撐點(diǎn)的布設(shè)為隔一個(gè)節(jié)點(diǎn)板設(shè)置一個(gè)，即支撐6根桿件及8個(gè)節(jié)點(diǎn)板的質(zhì)量，由于桿件每根最大質(zhì)量為43 kg，節(jié)點(diǎn)板每個(gè)最大質(zhì)量為17 kg，故支撐節(jié)點(diǎn)板的立桿承受的荷載最大為3.96 kN。

3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，在腳手架上設(shè)置4個(gè)堆放平臺(tái)用于材料堆放（圖4），材料堆放荷載最大為3 kN/m2（根據(jù)10根長(zhǎng)3 m的鋁合金桿件的質(zhì)量計(jì)算），考慮2個(gè)作業(yè)人員荷載，共計(jì)5 kN/m2，堆料平臺(tái)尺寸為4.5 m× 6.0 m，距離腳手架長(zhǎng)軸方向外邊水平距離為8 m。卸料平臺(tái)的載荷為3 kN，搭設(shè)過(guò)程采用加密搭設(shè)，在1.5 m×1.5 m的立桿間距基礎(chǔ)上，于中部增設(shè)1根立桿，即卸料平臺(tái)區(qū)域的立桿間距為0.75 m×0.75 m。

圖3 綜合訓(xùn)練館腳手架搭設(shè)立面

圖4 材料堆放平臺(tái)設(shè)置示意

2.4 主要安裝過(guò)程及控制要點(diǎn)

2.4.1 鋼結(jié)構(gòu)主要安裝過(guò)程及控制要點(diǎn)

1）先行安裝鋼結(jié)構(gòu)周圍一圈鋼柱及鋼邊梁以形成穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)（圖5）。

圖5 鋼柱及鋼邊梁安裝

2）立柱吊裝到位后利用全站儀控制牛腿中心坐標(biāo)，利用葫蘆調(diào)整到位后與支座焊接固定。

3）鋼梁利用端部的耳板，采用臨時(shí)安裝螺栓固定后與邊拱柱牛腿焊接（圖6）。

4）懸挑構(gòu)件一端利用構(gòu)件端部的耳板，采用臨時(shí)安裝螺栓固定于已安裝的構(gòu)件上；另一自由端使用全站儀控制牛腿口坐標(biāo)，同時(shí)利用葫蘆調(diào)整到位后搭設(shè)腳手架抱箍固定于腳手架上，隨后完成焊接。

2.4.2 鋁結(jié)構(gòu)主要安裝過(guò)程及控制要點(diǎn)

1）結(jié)構(gòu)安裝前須對(duì)支座連接板進(jìn)行精確測(cè)量定位，以保證上部桿件拼裝順利和控制安裝偏差。

2）由于下部施工時(shí)會(huì)有一定的施工偏差，故網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)對(duì)下部結(jié)構(gòu)相關(guān)的尺寸要求較高。因此在結(jié)構(gòu)安裝前必須到現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，取得第一手資料數(shù)據(jù)，解決施工偏差的問(wèn)題。支座連接板安裝時(shí)，先根據(jù)設(shè)計(jì)支座坐標(biāo)值用全站儀將支座連接板標(biāo)高調(diào)整好，并在埋件板上精放中心線。支座安裝完成后進(jìn)行復(fù)檢，確保埋件的平面位置偏差在5 mm以內(nèi)，標(biāo)高誤差在3 mm以內(nèi)。

3）綜合訓(xùn)練館的鋁合金網(wǎng)殼與鋼柱對(duì)接采用筋板連接方式，筋板現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接（圖7），可消解鋼結(jié)構(gòu)安裝產(chǎn)生的誤差。

圖6 端部耳板固定示意

圖7 連接板現(xiàn)場(chǎng)焊實(shí)景

4）屋蓋安裝時(shí)，每預(yù)留三跨鋁合金桿件僅進(jìn)行臨時(shí)固定，以便于在后續(xù)安裝過(guò)程中可隨時(shí)調(diào)整，待整體結(jié)構(gòu)合攏并滿足精度要求后，方可用鉚釘槍進(jìn)行鉚釘緊固。

2.4.3 鋁合金網(wǎng)殼安裝糾偏措施

鋁合金網(wǎng)殼安裝精度要求高，在安裝過(guò)程中不可避免會(huì)出現(xiàn)安裝誤差，關(guān)于安裝誤差的糾偏措施如下[4-5]：

1）提高加工制作的精度，減少現(xiàn)場(chǎng)安裝偏差的累積。工廠桿件及節(jié)點(diǎn)板的加工已實(shí)現(xiàn)全數(shù)控加工，制孔加工精度可達(dá)到0.05 mm，孔距精度可達(dá)到0.10 mm，高精度的加工質(zhì)量減少了現(xiàn)場(chǎng)的安裝誤差及相應(yīng)累積誤差。

2）加密、加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制，控制施工過(guò)程中施工誤差的累積，如發(fā)現(xiàn)超出規(guī)范的應(yīng)及時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)工長(zhǎng)并采用措施進(jìn)行調(diào)整。

3）調(diào)整的方式主要為支撐點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)板的標(biāo)高調(diào)整以及采用強(qiáng)制就位等方式，確保桿件和節(jié)點(diǎn)板的順利安裝，但嚴(yán)禁現(xiàn)場(chǎng)對(duì)桿件及節(jié)點(diǎn)板的孔進(jìn)行修改、擴(kuò)孔等，防止誤差的累積。

2.4.4 網(wǎng)殼安裝測(cè)量控制

本工程測(cè)量的重點(diǎn)為支座處埋件的平面位置及標(biāo)高控制，以及最終網(wǎng)殼桿件安裝完成后整體撓度的測(cè)量控制。

在支座和桿件安裝的過(guò)程中，必須對(duì)已就位的節(jié)點(diǎn)盤(pán)進(jìn)行監(jiān)控，其方法是用全站儀實(shí)測(cè)其三維坐標(biāo)，并與設(shè)計(jì)值相比較，及時(shí)消除偏差值。支座的定位測(cè)量、放樣是整個(gè)安裝工程的重中之重，必須認(rèn)真對(duì)待。首先應(yīng)根據(jù)下支座的中心坐標(biāo)算出相互垂直的縱橫4點(diǎn)坐標(biāo)（該4點(diǎn)的距離要大于支座底板的尺寸），根據(jù)4點(diǎn)坐標(biāo)，用墨線彈出十字線以便于支座定位，并用全站儀復(fù)核三維坐標(biāo)。

在施工過(guò)程中，依據(jù)2個(gè)場(chǎng)館的測(cè)量控制點(diǎn)對(duì)已安裝完畢的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)利用全站儀及時(shí)進(jìn)行跟蹤測(cè)量，確保安裝完成部分的三維坐標(biāo)符合規(guī)范要求（圖8）。

圖8 9個(gè)綜合訓(xùn)練館網(wǎng)殼測(cè)量控制點(diǎn)

3 結(jié)語(yǔ)

鋼、鋁混合結(jié)構(gòu)在我國(guó)作為一種新興的結(jié)構(gòu)形式，其關(guān)鍵是要控制好鋼構(gòu)件與鋁構(gòu)件之間的連接節(jié)點(diǎn)及鋁合金節(jié)點(diǎn)盤(pán)的精度，確定高效的施工工藝和過(guò)程控制措施。根據(jù)屋蓋質(zhì)量及材料堆載情況，合理設(shè)置支撐體系，確保操作平臺(tái)滿足結(jié)構(gòu)安裝的荷載要求，保證屋蓋安裝過(guò)程中的變形量和桿件鉚接穿孔質(zhì)量，做到現(xiàn)場(chǎng)零擴(kuò)孔，使工程的質(zhì)量、安全、工期得到把控，為整個(gè)屋面工程的順利完工打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并為此類混合屋蓋施工積累了經(jīng)驗(yàn)。