大跨度拱形钢结构安装施工工法

- 1 - 大跨度拱形钢结构安装施工工法 1.前言 本工法是在2007年获批的国家一级工法的升级版；其核心技术曾达到国际领先水平，现仍处于国内领先水平；本工法是在呼和浩特白塔机场航站楼工程——205米跨二次抛物线箱型变截面连体双斜向钢结构拱安装施工技术基础上而形成的。后经在辽宁省锦州滨海体育场306米跨变截面钢管桁架拱成功安装、河北省保定东湖观光桥工程104米跨双钢管混凝土桁架拱成功运用，使得大跨度钢拱结构安装施工技术日臻完善。本工法核心技术2015年4月通过了河北省住建系统专家论证，曾先后获得了河北省政府科技进步二等奖2项、国家科学技术进步二等奖1项：拥有专利技术2项;编制企业标准1部，主编同类省地方标准2部，出版专辑书刊2部，发表学术论文17篇。 本次升级补充的主要内容是： （1）运用空间坐标变换原理，巧妙解决了“大跨度钢结构拱脚安装定位组件”技术。即将复杂的拱脚构件定位简化为简单的三面歇趾脚杆件定位件，解决了超大空间三维曲线构件定位技术难题。 （2）施工过程中采用了“主拱临时卸载支撑架体”组装杆件化技术，工具化，运输方便、节省储存空间；施工标准化，大大降低工程成本。 （3）超长钢拱结构杆件温差变形大，利用计算机三维模拟仿真施工技术和BIM信息化技术，对中间拱段合拢过程模拟，正确实施温度计算跟踪，实现了超长大跨度拱钢结构顺利安装。 2.特点 2.1 与高空散装法相比：大大减少了空中焊接工作量，确保了工程质量，降低临时支撑措施费用。 2.3 与现场组装整体吊装法相比：解决了当地吊装机械起吊能力不足、风大沙多工程质量不易保证的问题。 2.4 拱脚三维多向定位组件化、简单化。 2.5 中间段合拢，数据信息化施工控制。 2.6 临时支撑架杆件化、片装化、标准节化，工具化，降低施工总成本。 2.7本工法所用的“化整为零”、“一步一稳定，步步推进”，“先两边后中间的对称均衡施工”、“先下后上，循序渐进”的施工原理简单，便于掌握。 3.适用范围 本工法适用于大空间工业与民用建筑工程、交通跨江河桥梁工程。 4.工艺原理 1) 运用空间坐标变换原理，巧妙解决了“大跨度钢结构拱脚安装定位组件”技术。

- 2 - 运用“直角三角形判定定理”，将主拱脚的复杂空间定位简化为主拱脚立面投影的三点定面。 2) “化整为零”原理，即将整个拱梁分为若干段（一般为奇数），每段作为一个独立的制作、运输、安装单元，以确保施工质量，解决整体吊装能力、运输限制之不足。 3) “温度变形可控，受力变形可调”的科学施工理论：即在大跨拱分段安装合拢前，实施计算机跟踪温度计算，吊装杆件受力伸缩计算同步，确保了整个安装过程的顺利。 4) “先两边后中间，先下后上，循序渐进，对称均衡，顺序施工”原理；即拱梁安装吊装过程、临时卸载支撑安装等：先从拱两端开始，后在拱中间合拢，以消除整个拱梁段的累计偏差和结构倾斜受力问题。先拱脚后跨中段、先下面支撑后上部支撑的顺序施工原则。 5) “一步一稳定”力学原理、“步步推进”的营造法则；在安装完一品桁架后，立即安装周边结构或屋面结构 ，以形成一个稳定结构后，再继续安装下一施工段。 5.工艺流程及操作要点 5.1工艺流程 → → → → → → 5.2操作要点 大跨度钢拱安装同时涉及结构空间定位测设与施工过程测量、分段与吊机的选择与布设、支撑架体的选择与设计、钢拱的吊装及安装、卸荷等多个施工过程，而中间段钢拱的吊装及安装是整个施工过程的关键。 5.2.1建立测量控制网及地面测量控制点 建立平面坐标控制网及高程控制点 拱平面水平控制点定位 拱脚基础开挖 拱脚就位 拱脚第二步砼浇筑 主拱分段及场外加工 主拱支撑安装 主拱分段两边同时吊装 主拱两侧附属结构安装 主拱变形观测 分段卸荷及临时支撑拆除 拱脚定位组件安装及第一步砼浇筑

- 3 - （1）GPS点的交接及复核 根据GPS点的成果，制定点位精度的复查,建立施工控制网（有轴线控制桩），形成统一布局（见图5.2.1-1）。

图1-1 呼市机场航站楼钢结构安装的测量控制网 图5.2.1-1 钢结构安装测量控制网 （2） 利用“直角三角形判定”定理进行确定超大主拱投影平面控制点 第一步：拱架安装区间轴网的加密 采用直角坐标法和钢尺量测方法，量出○Ｇ与○Ｋ轴间中心线○I轴，在地面上弹出墨线，在东西量测做好控制桩。同样方法，量测出○19～○33轴之间的两两中心线，并在南北两侧设下控制桩，在横纵轴线交接点处，用水泥钉做出标记。形成三横二十七纵的直角加密控制网，见图5.2.1-1。 第二步：利用直角三角形判定定理确定超大主拱投影平面控制点 通过AutoCAD图纸测出超大主拱水平投影与上述加密纵轴交点至I轴的垂直距离；然后用钢尺和线绳即可测出拱轴投影与加密纵轴的交点，即为所求的超大主拱投影平面控制点；并且可利用交点的对称性，用钢尺或仪器进行两两校核。 第三步：根据设计给定的特定点数值建立拱平面的二次曲线方程式у=f (x2)，然后根据分段要求求出各定分点的柱面坐标(R,θ, φ)（其中R为柱面半径定值；θ为柱面点水平转角，取值范围0～180°； φ为柱面点垂直转角，取值范围0～90°） 第四步：对拱上的任一点C作水平面投影B，将C、B与拱端点A相连，即得到一个垂直于地面的直角三角形ABC，实测时，在地面上用极坐标法求出A、B两点。拱梁就位时，在地面B点用铅垂仪对准主桁架的C点，即可迅速确定拱脚的位置。 （3）主拱落地点及拱脚端点的确定 主拱为斜平面时，在测量控制上采用直角相

- 4 - 交观测法或全站仪空间定位法。 以拱中心线的水平投影圆半径为半径，以拱的两个端点为起始点和终端点，在地面±0.000处画 图5.2.1-2 拱钢结构安装柱面坐标投影示意图 圆，并以此圆弧为基准，垂直向上下复制，即可得一柱面，柱面与拱中心的顶点设为柱面最高点，拱的两个端点沿柱面继续向下延伸至基础顶面，即为拱脚的理论端点，沿此点做出拱面圆弧的切线，该切线与其水平投影线夹角即为拱平面的水平倾角，以此角为倾角沿柱面向上展开，得出一个直角三角形，三角形的高即为拱高，斜边长度为拱的轴线长度，底边与拱脚底面的交点是拱脚截面的下边，由此即可求出拱脚底面中心点至拱脚理论端点的距离，进而得出拱脚底面与基础顶面的交点位置。 5.2.2 主拱脚的安装 （1）预埋钢板埋设 在进行第一层混凝土浇筑时，根据上部拱脚的特点，在第一层混凝土上首先预埋钢板，以便于对连接板进行加固。根据拱脚底板的投影控制图及钢柱的安装坐标，在响应的标高位置放置三块预埋钢板,预埋钢板的规格按设计的要求制作（钢板厚度及大小尺寸可根据上部结构尺寸进行调整，一般可采用20mm厚钢板）。 （2)测量定位控制 根据结构设计定位图首先设置整体测量控制网，再根据整体测量控制网及拱脚的定位图进行测设。设定主拱脚的相对坐标，并根据拱脚的相对坐标，确定主拱脚的底板及顶部的测量定位布置。见图5.2.2-1.

主拱脚定位布置图 图5.2.2-1 主拱脚定位布置图 (3)焊接连接板 采用常规做法，对钢柱底板进行定位设置，考虑到主拱脚的底板在一斜面上，且

- 5 - 四个角不在同一水平面上，所以在混凝土基础面设置四个角的投影点，采用投影点来控制底板的四个角，将空间定位转化为平面定位；然后根据定位底板的坐标，就地设置底板面的模型，最后利用底板模型对连接板进行精确定位，并设置底部的支撑胎架（连接板），与底部基础预埋钢板上焊接连接板，连接板可根据拱脚规格、尺寸采用钢板或槽钢。见图5.2.2-2. 主拱脚定位控制采用与连接板同样的方法，在混凝土基础面上设置四个角的投影点，根据主拱脚的定位坐标得出，底板和顶面的上下边的投影线在X轴是相对平行的，且平行于控制线A，所以顶面角的控制主要靠经纬仪在顶部上下边的延长线上进行控制。

主拱

底部定位布置图主拱

第一节顶部定位布置图 图5.2.2-2 主拱脚的底板及顶部的测量定位布置图 当钢拱脚吊至安装位置时，首先对拱脚底板的最低角进行就位， 拱脚底板的最低角主要靠预先在混凝土基础上的定位靠山来控制前后、左右方向，水平标高是采用钢垫块来设置的。然后吊机和手拉葫芦进行调节，使底板下边的另一点到位，复合这条边是否与投影线相附，确定无误后，进行焊接临时固定一个点，然后对拱脚顶部下边进行调节，确定无误后，再复合拱脚底板是否定位正确，确定无误后，进行焊接临时固定底板下边；然后设置前部的支撑管，待支撑管设置结束后，对整个钢拱脚的定位控制进行复合，确定无误后，对前部的支撑管进行焊接，并同时对底板下的支撑进行安装及焊接。见图5.2.2-3见. 在第一层混凝土满足强度要求后，立即进行预埋板及拱脚的定位、安装。由于第一层混凝土已浇筑至拱脚底标高，因此，可以在平面位置上进行精确定位，并可以在下层混凝土预埋钢板上用槽钢、钢板、钢管等对拱脚采取可靠的焊接固定措施，保证了在上层混凝土浇筑期间，不会对拱脚造成移位等影响。既加快了施工进度，又保证了预埋件的精确定位。图5.2.2-4.

- 6 - 主拱底板的模型

图5.2.2-3 主拱底板模型 图5.2.2-4拱脚顶部定位控制 5.2.3主拱支撑架体设计与安装 （1）根据钢拱结构体系分折，并结合设计结构的节点详图，首先安装周边的钢柱及钢柱间的连梁，然后安装中间拱和屋面梁，在主拱未能形成三角形桁架之前，整个屋面钢结构的中间部分荷载全由中间拱来支撑，所以首先在中间拱下方设置支撑，并根据混凝土柱网间距在中间拱下方每个混凝土柱柱顶设置承重支撑架。 主拱为主要受力杆件及结构体系的主支撑构件，在分段吊装时自重必须外加支撑体系来完成，所以在主拱的投影弧线上同样根据混凝土结构梁、柱位置、间距等设置底部承重支撑。其位置尽量选在每两横轴中间附近，即在各撑杆与斜主拱相交点附近，主拱下各支承架设置在每两轴中间，既能符合斜主拱承重定位拼装要求，也满足各撑杆的安装施工。主拱下支撑固定详见图5.2.3-1。 每个支承架搭设前，需首先安装完毕该跨的屋梁，并将该处支承架上部临时采用檩条将支承架与屋梁连接固定，必要时将支承架顶端用揽绳与屋梁上的檩托板拉牢，以确保支承架上部稳定性，同时在支承架屋梁与楼面之间中部也用揽绳与楼面锚固板拉牢固定，揽绳上应设有手拉葫芦以便于调节，并在支承架下部焊上ø48短钢管，用脚手钢管将支承架下部连结牢固，确保支承架体的整体稳定性。 （2）针对工程的结构特点及施工顺序和方法，同时结合现场的施工环境，合理选择支撑架体的形式及规格。一般可采用格构柱架体支撑，该格构柱以6m为一个标准节，并可根据不同的主拱安装形式，以及施工顺序进行支承架的布设，钢结构主拱支撑架体设置平面图5.2.3-1及图5.2.3-2钢结构支撑架体立面图。

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图5.2.3-1主拱支撑架体设置平面图

图5.2.3-42支撑架体立面图 5.2.4主拱分段点及中心点变形控制 采用计算机三维模拟仿真，实施温度计算跟踪，实现超长拱钢结构杆件零温差变形合拢。 将吊装变形计算主控计算机与大气测温仪相连，将施工当天大气温度按12个时段记录，再由计算机把温度值自动录入吊装拱段纵向变形计算公式，由施工技术人员把计算值与设计给定变形值比较，最后确定合理的拱合拢时段，进而实现零温差变形合拢。 5.2.5主拱安装： （1）分段及吊机的选择 根据施工现场的实际情况，结合钢构件的总重量，进行吊装机械的选择及分段数量。 首先考虑吊装机械的一般起重量，工作半径，并结合钢拱总重量，底部混凝土柱的柱距等，确定钢拱分段数量及尺寸，根据单体重量最大时的起重参数，进行吊机的选择。 （2）安装总体流程： 1）首先进行钢柱及钢柱之间的连梁安装，具体如图5.2.6-1： 2）为了使屋面结构形成稳定的体系，所以对两端第二段中间拱进行安装，并进行两端屋面梁和钢柱的拼装安装，同时对两端屋面梁之间的连梁和水平剪刀支撑进行安装，具体如5.2.6-2：