多層次多曲面單層焊接球鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架施工技術(shù)

白麗楠

(中交一航局第一工程有限公司，天津 300456)

近幾年體育館、展覽館等大跨度建筑中大量使用多層次多曲面焊接球網(wǎng)架，它既可以滿足建筑剛度、強(qiáng)度方面的要求，保證整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全；同時還能支持復(fù)雜的造型，對提高建筑的美觀度和藝術(shù)性也有幫助。但是這類鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架對施工技術(shù)有著嚴(yán)格要求，并且由于桁架跨度大、懸挑長度長、安裝高度高，增加了施工難度。因此，在鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架施工中必須采取精細(xì)化管理，前期要做好設(shè)備的選型、材料的檢驗(yàn)，中期要加強(qiáng)現(xiàn)場管理和質(zhì)量控制，后期要仔細(xì)做好驗(yàn)收。通過加強(qiáng)施工管理、把控施工要點(diǎn)，才能提高工程建造質(zhì)量，發(fā)揮多層次多曲面焊接球鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的應(yīng)用優(yōu)勢。

1 工程概況

某體育館占地總面積7270m2，建筑總高度23.8m，整體呈橢圓形，共分為3 層，采用多層次多曲面單層焊接球鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架施工技術(shù)。工程中使用的鋼管為Q345B 型鋼，空心球材料為Q235-B 鋼，連接件為Q345 鋼，焊條為E50 系列焊條。整個工程中使用到的焊接球件共計4032 個，鋼管10422支，網(wǎng)架自重497t。

2 網(wǎng)架施工流程及技術(shù)要點(diǎn)

2.1 制作焊接球

在制作焊接球時，必須要嚴(yán)格遵循《鋼網(wǎng)架焊接空心球節(jié)點(diǎn)》(JG/T11-2009)中的有關(guān)規(guī)定，包括基礎(chǔ)材料的品類、質(zhì)量要求、制作方法等。鋼板下料時要注意預(yù)留焊接收縮余量，并且保證切割后的鋼板邊緣沒有刨邊、變形等問題。然后將準(zhǔn)備好的料丕進(jìn)行加熱，使其溫度上升至800℃左右，放到漏模中進(jìn)行熱壓，得到半球。使其自然冷卻，然后用樣板修正半球的弧度、打磨切邊與坡口；按照同樣的方法制作和處理另外一個半球，最后將兩個半球組對拼接，形成一個完整的球件。焊接半球時，通常要進(jìn)行多層、多道焊接，保證焊道焊平，沒有明顯的焊縫外凸現(xiàn)象。

2.2 放線定位

參考施工圖紙，根據(jù)網(wǎng)格尺寸和節(jié)點(diǎn)位置在施工平面上進(jìn)行放線。通過空間坐標(biāo)的測量、控制，標(biāo)記出每一個網(wǎng)架球件的準(zhǔn)確位置，并在相應(yīng)位置上做球件定位控制點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 球節(jié)點(diǎn)測量放線定位示意圖

在球節(jié)點(diǎn)測量放線時，還要注意每個區(qū)段盡量多布置幾個控制點(diǎn)，以消除因?yàn)檎`差帶來的施工質(zhì)量問題。使用全站儀進(jìn)行高程定位，保證同一曲面上多個空心球的高度誤差在允許范圍內(nèi)；使用鉛垂儀確定平面位置，為后續(xù)網(wǎng)架分層施工提供參考。

2.3 搭設(shè)承重平臺

本次工程中操作平臺為高低跨階梯式滿堂鋼管腳手架，根據(jù)施工需求的不同，操作平臺各處的規(guī)格也有差異，最小作業(yè)面積不低于5.5m×5.5m。平臺上堆放材料的最大荷載為2 個鐵球、4 根桿件，施工時的均勻分布荷載為280kg/m2。另外在平臺周邊布置欄桿、安全網(wǎng)，保證高空作業(yè)安全。樓面下方需要使用立桿支承時，在立桿底部放置一塊厚度為30mm、尺寸為150mm×80mm 的長方形墊板墊平。承重平臺搭設(shè)完畢后，現(xiàn)場質(zhì)檢人員根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2011)進(jìn)行驗(yàn)收。

2.4 固定球節(jié)點(diǎn)

空心焊接球制作完畢并經(jīng)過質(zhì)量檢驗(yàn)確認(rèn)符合施工要求后，將其安裝到承重平臺的支架上。選擇可調(diào)節(jié)螺桿制作臨時支架，在螺桿的底部用扣件將其固定在承重平臺上，按照施工圖紙將所有可調(diào)節(jié)螺桿固定到相應(yīng)的位置后，在水準(zhǔn)儀的輔助下調(diào)節(jié)螺桿的高度，使其與圖紙上標(biāo)定的高度一致。然后用起重機(jī)將準(zhǔn)備好的空心焊接球垂直吊起，放到由螺桿組成的臨時支架上?，F(xiàn)場施工人員采用3 點(diǎn)固定式將球焊接在支架頂面，如圖2 所示。

圖2 焊接球節(jié)點(diǎn)安裝示意圖

2.5 安裝鋼支桿

鋼支桿的作用是將原本相互獨(dú)立的焊接球節(jié)點(diǎn)連接起來，從而形成單層焊接球鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架，安裝方式如圖3 所示。在鋼支桿安裝過程中施工人員要重點(diǎn)關(guān)注以下技術(shù)要點(diǎn)：

圖3 鋼支桿安裝示意圖

(1)將網(wǎng)架劃分成若干個區(qū)段，并在每個區(qū)段內(nèi)設(shè)置3-5 個不等的控制點(diǎn)。以控制點(diǎn)為參考，校正網(wǎng)架拼裝中的誤差。要求節(jié)點(diǎn)偏移量＜2mm，對角線誤差＜3mm；

(2)鋼支桿同樣需要進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，有彎曲、變形或者劃損的一律不得使用；

(3)鋼支桿下料時要求采用機(jī)械切割，并且留出2mm 的收縮余量。在桿件組裝前，需要檢查鋼支桿的端口與球面是否吻合，若留有明顯空隙需要重新處理鋼支桿的坡口；

(4)焊接方式以點(diǎn)焊為主，小管徑采用三點(diǎn)焊，大管徑采用四點(diǎn)焊，并且保證焊透、焊牢；

(5)焊接完畢后再進(jìn)行一次質(zhì)量檢查，利用經(jīng)緯儀檢測焊接球的高低差，若誤差超出允許范圍需要調(diào)整。

2.6 網(wǎng)架的焊接

2.6.1 焊接工藝

本次工程中選擇手工電弧焊，所用焊條有E5015 和E5016 兩種，直徑分別為3.2 和4.0mm。兩種焊材的焊接工藝參數(shù)如表1 所示。焊接前要檢查一遍網(wǎng)架，如果構(gòu)件表面有油垢、銹跡等要清理干凈，為焊接作業(yè)創(chuàng)造良好條件。在焊接點(diǎn)下方可以鋪上防火板，防止焊渣掉落對鋼結(jié)構(gòu)造成破壞?，F(xiàn)場焊接人員清理坡口兩側(cè)20mm 范圍內(nèi)的雜質(zhì)，并使用角磨機(jī)清根、打磨。經(jīng)現(xiàn)場質(zhì)檢人員評定確認(rèn)符合焊接條件后開始進(jìn)行焊接。

表1 焊接工藝參數(shù)

2.6.2 球管焊接

本次工程中球管焊接選擇了“單面焊雙面成型網(wǎng)架管球?qū)雍缚p”技術(shù)，具體操作流程為：使用Φ3.2 焊條進(jìn)行打底焊，調(diào)節(jié)設(shè)備設(shè)定為合適的焊接電流，起弧后將坡口鈍邊燒溶成溶孔，按照同樣的方式立即燒溶空心球的對應(yīng)位置。然后壓低電弧，將燒溶后的管口與球面對接。在冷卻以后，形成了補(bǔ)強(qiáng)焊縫，再選擇Φ4.0 焊條補(bǔ)焊至指定高度。在球管焊接時，第一層焊縫必須要完全焊透，同時兼顧背部成型良好，為第二層焊接創(chuàng)造有利條件。第一個球管焊接完畢后，按照相同的方法依次完成其他球管的焊接，直到整個網(wǎng)架焊接完畢。另外，每完成一個球管的焊接，要求現(xiàn)場施工人員將焊縫及承重平臺表面掉落的熔渣、藥皮等清理干凈，營造良好的作業(yè)環(huán)境。

2.6.3 無損檢驗(yàn)

整個鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架焊接完畢后，安排質(zhì)量檢驗(yàn)人員進(jìn)行外觀檢查，主要檢查內(nèi)容包括球管焊接處有無裂紋、咬邊、漏焊等常見缺陷。如果有要及時做好記錄，并由焊接人員進(jìn)行處理。完成外觀檢測后，再使用無損檢測技術(shù)進(jìn)行潛在質(zhì)量缺陷的檢查。本次工程中選擇超聲波探傷儀，對網(wǎng)架各個階段進(jìn)行檢測，將所得檢測結(jié)果與《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50205-2020)進(jìn)行對比，如果有不符合標(biāo)準(zhǔn)的，做好記錄并及時返修。所有缺陷返修結(jié)束后進(jìn)行第二次檢測，直到確定整個網(wǎng)架不存在焊接缺陷。

2.7 安裝彈性支座

彈性支座安裝在鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的支承結(jié)構(gòu)處，其作用是為上部網(wǎng)架提供適量的自動收縮空間，從而提高網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。彈性支座的結(jié)構(gòu)組成及組裝方式如圖4 所示。

圖4 彈性支座結(jié)構(gòu)圖

在一塊正方形的底板上，分別固定了鋼管支托和肋板。將支座球安裝到底板上，底板地面與過渡板之間采用滑動連接，而過渡板通過加勁肋固定在預(yù)埋板上。預(yù)埋板的另一端固定于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中。在多層次多曲面焊接空間鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架安裝結(jié)束后，通過彈性支座既可以調(diào)節(jié)網(wǎng)架的位置精度，又能增強(qiáng)其整體穩(wěn)定效果。

2.8 安裝拉索

本工程中使用到的鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架還配備了由拉索和弦支球撐桿組成的弦支結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)內(nèi)置4 條對稱分布的預(yù)應(yīng)力索，每條長度22.5m，兩端設(shè)有可調(diào)節(jié)式錨具，最大調(diào)節(jié)范圍120mm。安裝拉索前，現(xiàn)場施工人員要檢查千斤頂、卷揚(yáng)機(jī)等設(shè)備，保證設(shè)備工況良好；檢查操作平臺，保證平臺牢固和作業(yè)安全。在安裝時，將拉索運(yùn)送到指定位置后，按照施工圖紙現(xiàn)場組裝拉索，并扭動兩端的調(diào)節(jié)桿，方便安裝拉索。在拉索兩端索體外安裝起吊抱箍，并使用卷揚(yáng)機(jī)將其吊升至指定高度，完成連接。按照相同方法依次完成4 根拉索的安裝。

2.9 同步張拉

拉索安裝完畢并經(jīng)過質(zhì)量檢查無問題后，開始同步張拉。張拉前讓千斤頂空載運(yùn)行2 次，目的是排除油缸、油管內(nèi)的殘余空氣。然后將連接器、千斤頂、張拉桿等按照順序連接起來，重新啟動油泵后，緩慢增加壓力。隨著壓力上升，同步調(diào)節(jié)拉索，并最終達(dá)到設(shè)定的張拉值?，F(xiàn)場張拉人員要密切觀察壓力示數(shù)，達(dá)到對應(yīng)的壓力后立即停止加壓，記錄此時的示數(shù)后在拉索兩端同步張拉，保證網(wǎng)架的受力均衡。每根拉索分3 次張拉，張拉到位后擰緊錨具螺母，然后千斤頂卸壓。觀察控制標(biāo)高是否滿足施工要求，若不滿足則重新調(diào)整索具。張拉結(jié)束后拆除承重支架，按照“先中間，后邊緣；先網(wǎng)片支架，后支座支架”的順序，逐步卸載防止網(wǎng)架因?yàn)槭芰Σ痪舛霈F(xiàn)應(yīng)力變形。

3 網(wǎng)架施工質(zhì)量控制

在本次工程中貫徹落實(shí)精細(xì)化質(zhì)量管理理念，在各個階段均采取了嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施。例如準(zhǔn)備階段仔細(xì)檢查桿件、球件的質(zhì)量，制作鋼管時必須保證切割面平滑無毛刺，空心球表面無波紋、凹陷等；在網(wǎng)架焊接階段，所用焊接材料及輔助材料都必須有合格證書，焊條使用前需要烘干，構(gòu)件焊接前要檢查圓度、長度、平直度，焊接完成后要進(jìn)行外觀檢查和超聲波檢查等；在張拉階段保證千斤頂與油表配套標(biāo)定，張拉速度不得超過100MPa/min 等。在質(zhì)量控制中，誤差控制是一項核心內(nèi)容，也是保證網(wǎng)架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。尤其是拼裝單元節(jié)點(diǎn)中心偏移量、分條分塊網(wǎng)架單元長度誤差、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)制作中心偏移量等，都是現(xiàn)場施工管理中需要重點(diǎn)關(guān)注的對象。本次工程中各檢查項目及其誤差控制要求如表2 所示。

表2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安裝允許偏差及檢驗(yàn)方法

4 結(jié)論

多層次多曲面焊接球鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)階段的體育館、展覽館等大跨度建筑中。在應(yīng)用這一技術(shù)時，除了要熟悉施工流程外，還要強(qiáng)化質(zhì)量管控意識，從前期制作鋼支桿、焊接球，到中期網(wǎng)架焊接，再到后期質(zhì)量檢測，實(shí)行全過程的精細(xì)化管理，從而消除網(wǎng)架質(zhì)量缺陷，發(fā)揮這一技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢。通過推廣應(yīng)用焊接球鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架施工技術(shù)，促進(jìn)我國建筑行業(yè)的綠色、環(huán)保發(fā)展。