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首都機場T3A航站樓超大型網架結構施工技術

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    （浙江東南網架股份有限公司 杭州 311209）

    摘 要 本文從分析工程特點入手詳細介紹了北京首都機場T3A航站樓雙向微曲網架結構加工精度控制方法、安裝方法及安裝精度控制方法；這些方法有效地保證了本工程施工質量及施工進度，對類似特大型工程的施工具有指導作用。
    關 鍵 詞 雙向微曲網架結構 加工精度控制 安裝方法 安裝精度控制


    一 工程概況

    首都國際機場3號航站樓T3A主樓屋頂為雙向微曲網架結構,外形呈飛行體狀；南北向長約955m,東西向寬約773m,南端入口處設大型懸挑；指廊和主體連接處的伸縮縫將整個航站樓屋頂分為三部分，見圖1、圖2。屋頂主體網格結構形式大部分為抽空三角錐形式,局部為三角錐形式；屋頂邊緣及懸挑屋頂和內部屋頂的連接過渡處設置了邊桁架和懸挑桁架以滿足曲線及過渡的需要。內部網架以螺栓球節點為主，在內力大處使用焊接球節點；邊桁架周邊主要采用焊接球節點，內部采用直接相貫節點；懸挑桁架上弦設置32個鑄鋼節點。整個屋頂由136根梭形鋼管柱支撐，支座采用鋼棒和鑄鋼節點與柱頂相連；在每個翼部設置六個沿屋頂切向的滑動支座，中部設置4個滑移支座，以便釋放溫度應力。

    二 工程特點

    本工程具有以下特點：第一、網架結構外形尺寸、跨度及面積特別大。為便于施工，安裝時需分區，分區后在相鄰區域交界處將形成合攏線，若安裝過程中控制不好，將造成不同分區難以順利合攏。第二、構件數量多、節點形式多樣。為滿足各種受力的需要，該工程中使用了多種節點形式，有螺栓球節點、焊接球節點、焊接鼓形節點及鑄鋼節點等，不同的節點形式對施工的要求不一樣，多種節點形式的綜合應用增加了安裝的難度。第三、多種空間結構形式綜合運用，既有空間桁架又有空間網架結構，安裝時要統一協調、區別對待。第四、由于面積特別大，需充分考慮施工誤差的影響。

    三 加工精度控制方法

    網架結構由桿件和節點構成，因此加工精度的控制可以分解為桿件長度精度的控制和節點精度的控制。其中節點精度主要包括螺栓球節點的螺孔角度、焊接球節點的尺寸、支座節點的尺寸及銷軸節點的尺寸和角度等精度控制。
    （一）桿件長度加工精度控制
    桿件定位焊在標準胎模上進行。胎膜的一端設固定擋板，另一端為可動角尺，在可動端胎膜的側面刻有尺度，其可視讀數為0.5mm，見圖3。定位焊時考慮焊接收縮量及溫度的影響，以達到精確定位的要求。按此方法加工的成品精度可達±0.5mm。

    （二）螺栓球加工精度控制
    本工程螺栓球加工要求螺孔軸線之間的夾角偏差由規范規定的±30′提高到±10′，螺紋公差與之匹配。球心到螺孔端面距離的偏差由規范規定的±0.2mm提高到±0.1mm。因此必須對以往的螺栓球加工工藝重新評定，采用更加先進的工藝、設備、胎具才能保證加工精度。
    (1) 設備更新
    為了滿足本工程要求，螺栓球的加工在全新的數控機床上進行，比原來的加工精度提高了2～3倍，滿足了精度要求。
    (2) 工裝夾具重新設計
    對使用的工裝夾具進行了重新設計。根據角度變化的要求，滿足三維坐標系中任何角度的需要。每個球節點一次裝夾一次加工完成，提高了定位精度。
    (3) 成品螺栓球的檢測
    加工完成的螺栓球由專用螺栓球檢測儀進行螺孔夾角和螺孔銑平面端面距離的精度檢測。該儀器螺孔夾角可視讀數為2´，螺孔銑平面端面的可視讀數為0.01mm。利用該儀器可滿足螺孔夾角允許偏差±10´和螺孔兩銑平面端面距離允許偏差±0.1mm的要求。
    （三）焊接球球心定位
    桿件在焊接球上位置由焊接球上的形心軸端點確定。在工廠加工空心球時，首先在空心球的某一對稱軸處（通常為環焊縫處）畫出對稱軸，然后以此軸線為基準在球體的垂直方向與球面交點處各鉆一個小孔（孔的直徑及深度均約為3毫米），定位時，只要根據劃出的軸線和鉆出的小孔作為基準，即可保證桿件通過空心球的球心。
    （四）支座銷軸處圓孔加工精度的控制
    在銷軸支座處，桿件與支座連接板采用銷軸連接，見圖4。在支座鋼棒上設一塊鋼板，桿件端頭設兩塊鋼板，最厚鋼板為80mm,如采用三塊板分別鉆孔再連接的方式，容易造成三塊板在焊完后相互錯位的情況。這樣在安裝時會造成網架桿件的扭轉偏位。因此，在加工時將三塊板先焊接完后再進行鉆孔，以確保孔的加工精度。由于鋼板很厚，采用一般的設備來進行鉆孔是很困難的。為此，開發了專用的加工設備來進行加工，取得了滿意的效果。

    （一）安裝分區
    根據結構特點及總體施工安排，該工程共分7個大區51個小區（見圖5）。7個大區分別為A1、A2、B、C1、C2、D1、D2區。其中兩翼為A1、A2區，核心區為B區，大懸挑處為C1、C2區，指廊為D1、D2區。在每個大區內又分了若干小區。各區安裝的先后順序為：
    A1區：1→2→3； A2區：4→5→6；
    B區： 17→18→19→20→21→22→23→24→25→26→27→28→29→30→31→32→33→34→35→36→37→38→39→40→41；
    C1區：42→43→44→45→46；C2區：47→48→49→50→51；
    D1區：7→8→9→10→11； D2區：12→13→14→15→16。

    （二）桁架的安裝
    本工程的桁架安裝主要有兩類：一是指廊內側桁架的安裝，二是外側周邊桁架安裝。指廊內側桁架按每個柱距分成二段進行吊裝；外側周邊桁架按每個柱距整段吊裝。吊裝設備采用150噸履帶吊。在桁架內側均設置臨時支架。圖7所示為指廊桁架吊裝示意圖。

    （三）核心區（B區）網架安裝
    該區網架采用在操作平臺上高空散裝法按劃分順序進行安裝。具體安裝過程如下：
    (1) 在樓面上搭設與網架曲面基本吻合的拼裝平臺；
    (2) 采用經緯儀和全站儀將網架下弦中心放線到平臺上，并彈出網架下弦定位的縱橫線，標出下弦球節點的中心點位置；
    (3) 將網架下弦的定位托架按照彈出的下弦中心點位置，依次布置并固定好。
    (4) 將下弦球放入球定位托架內，用托架內的微調機構將網架下弦球調整就位；并再次用全站儀復核調整；
    (5) 下弦定位好后，將下弦桿放入并與焊接球先定位點焊，然后進行焊接；下弦球為螺栓球時，下弦桿與球連接采用高強螺栓并一次擰緊到位；
    (6) 按上面方法安裝三至四榀下弦后，安裝上弦球和腹桿。安裝上弦球時，先定位點焊上弦球與三根腹桿（或將腹桿高強螺栓擰入上弦球內），然后調整腹桿與下弦球的尺寸位置。調整正確后，將腹桿與下弦球定位點焊（或將腹桿擰入下弦球，注意應按次序擰緊螺栓）；
    (7) 安裝上弦桿與上弦球。安裝上弦桿時，若發現安裝有困難，可適當松動腹桿與下弦球的位置。上弦球全部放入后即可進行焊接，或將高強螺栓擰到位。
    (8) 按照上面方法進行下一區域的網架拼裝，直至整個網架拼裝完成。
    （四）指廊（D區）安裝
    指廊網架的安裝因下部的樓層比較平整，而且此段網架外形為單向弧形，網架跨度也不大。因此在本區域采用了平臺滑移法進行施工。所搭設的平臺曲率接近于網架的曲率，平臺在樓面上進行滑移施工。采用滑移法進行施工，可節約大量的腳手架，并可加快安裝進度。見圖8。

    （五）安裝合攏
    網架結構的合攏是一項難度較大的工序，在施工時應盡量減少或避免。由于本工程面積特別大（投影面積近18萬?），同時由于下部結構施工的需要，網架分成了七個大的區域，由此不可避免地產生了合攏線。為了盡量減少合攏線，充分考慮了施工順序的合理性。最后選擇了A1、A2區與B區的兩條合攏線，合攏線長約80m。為保證網架順利合攏，在網架最后合攏施工時，制定了專門的施工措施。
    首先，選擇合適的合攏溫度。合攏時的溫度盡量接近設計計算平均溫度，即20～25℃，由于本工程合攏線施工時正處秋季，白天溫度較高，因此，合攏時間選擇在傍晚時候。
    其次，做好合攏前的測量工作，合攏前用全站儀對合攏線上的每個球進行重新測量，確定出每個球的實際X、Y、Z三維坐標；將實際測量的合攏線上每個球節點的三維坐標與設計的三維坐標進行核對，利用千斤頂等進行標高矯正，保證兩邊網架撓度一致；同時采用倒鏈對個別節點的水平X、Y位置進行調整。
    然后，根據矯正后測量出的各球節點的三維坐標值和設計值進行對比,計算出每個桿件合攏時的長度。由于在整個安裝過程中尺寸控制較好，實測桿件長度與設計值非常吻合，使合攏過程非常順利。
    合攏時，由多名焊工在規定的時間和溫度下同時施工，將整個網架在整條合攏線上同時合攏。合攏時從中間向兩邊進行焊接，焊接桿件時先焊一端再焊另一端，不能兩端同時焊接，以減少焊接應力。

    五 安裝精度的控制

    對于超大型網架結構，如何確保安裝精度，應從三個方面加以控制：加工精度、安裝誤差及溫度影響。
    （一）溫度影響
    本工程結構平面尺寸超長，因此溫度效應非常明顯。在結構設計時，已經考慮了溫度的影響，設置了伸縮縫及滑動支座等構造措施。在施工過程中，結構對于溫度的影響同樣是非常敏感的。設計要求結構在施工過程中溫差考慮正30度，負20度。
    在結構分塊拼裝的過程中，安裝就位部分的網架結構在溫差作用下會對后續待安裝部分的結構有影響。隨著單體體量的增大，越到后面，溫度的影響越顯著。在這種情況下，必須控制結構的水平伸長量，否則將影響結構的安裝精度。
    下面對影響最顯著的施工階段的溫度效應做驗算分析。
    (1) 指廊
    指廊對溫差最敏感的時候也就是安裝最后一個分塊的時候。

    可以看出30度溫差對指廊的影響是存在的，最不利影響是安裝至伸縮縫位置時造成的水平位移約為60mm。因此必須考慮合理選擇安裝時段，減小溫度誤差。

    (2) 翼部與核心區合攏前

    30度溫差對翼部與中心區塊的最不利影響是安裝至合攏區域時，對后續安裝造成不利影響的水平位移主要為x及y方向40mm左右。由此可見，網架的變位并不明顯。只要合理避開溫差過高的安裝時段，可以控制此變形。
    (3) 翼部與核心區合攏后


    同樣，溫差對主體部分的最不利影響是安裝至網架邊緣位置時造成的x向水平位移約為20mm。由此可見，網架的變位并不明顯。只要合理避開溫差過高的安裝時段，可以控制此變形。
    （二）安裝誤差控制與消除
    主體與指廊部分在安裝過程中，由于分塊數量多，體量巨大，安裝累積誤差勢必會很大。因此，本施工方案中對每一分塊網架安裝時都用全站儀進行關鍵點定位，并以柱網為區塊劃分的基準，將安裝誤差在本區塊內消除掉，不累積到下一區段，同時也符合結構受力特性。安裝誤差的控制與消除措施主要有以下幾方面：
    （1） 深化設計。根據總承包提供的控制點，計算確定出網架定位坐標點，然后計算出網架每個球節點的三維坐標；對于溫差產生的位移，在網架深化設計過程中對部分網架的桿長進行了調整。
    （2） 加工時嚴格控制構件的加工質量和精度，確保進場安裝的每個構件節點的精度達到設計要求（比規范提高2～3倍）。
    （3） 根據總承包提供的基準點引伸到網架的各支座，對上道工序移交的網架支座的柱頂位置進行復核，為確保測量精度和網架安裝精度達到設計要求，整個支座的測量定位采用全站儀進行測量定位。
    （4） 采用水準儀對各鋼柱頂板進行測量，確保頂板平整，板的不平度達到設計和規范要求。
    （5） 對經過測量的各支承點的中心軸線都用紅線劃出，高差都在鋼板上用數據標出，所有測量結果都在圖紙中記錄，以便安裝時對構件進行適當的調整。
    （6） 支座安裝前根據前面的測量數據進行必要的修正和調整，確保各項參數達到設計及國家規范要求。
    （7） 安裝定位控制方法：采用全站儀按照深化設計圖紙的各球節點的坐標彈線放樣到安裝平臺上，并用紅線標出球節點的定位中心；按照放樣彈出的球節點的定位點，采用定位調節托架定位，見圖15；將球節點裝入定位托架，然后采用全站儀微調球節點三維坐標，并安裝網架桿件；轉動調節把桿絲桿將球節點上調和下降。

    網架桿件安裝好后，再次采用全站儀復核各球節點的三維坐標。
    對于超過誤差的球節點，利用千斤頂、倒鏈、電動葫蘆等進行調整，同時根據調整后的測量數據，在安裝下榀網架時進行反誤差的調整，確保網架安裝完成后整體尺寸精度誤差達到設計要求。

    六.結束語

    本工程單體面積大，體型復雜，端部懸挑大，節點種類多，所以對網架的安裝提出了很高的要求。由于在施工前進行了詳細的分析與論證，同時進行了多方案的比較和試驗，使得施工非常順利。

    參考文獻

    ［1］ 建筑鋼結構施工手冊 中國鋼結構協會編著
    ［2］ 網架結構設計與施工規程 （JGJ7-91）中國建筑工業出版社，1991
    ［3］ 建筑鋼結構焊接規程 （JGJ81-91）

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