大跨度空间钢结构施工技术与施工质量问题探索

大跨度空间钢结构施工技术与施工质量问题探索

王宇

上海宝冶集团有限公司 上海 200941

摘要：随着建筑建设规模的不断扩大，大跨空间钢结构施工技术在机场航站楼中也得到了较为广泛的应用，并收到了较好的效果。然而，其在具体应用中依然存在众多问题，由此将严重影响机场航站楼的施工质量。本文从重庆江北国际机场T3B航站楼钢结构工程建设概况入手，分析大跨空间钢结构施工中出现的问题，并根据实际情况提出相应的建议，以确保大跨度空间钢结构的施工质量。

关键词：大跨度空间；钢结构施工技术；施工质量

引言

随着市场经济的快速发展，建筑结构在设计中也呈现多元化的态势。大跨度空间钢结构施工由于具有高强度、预应力控制和大量焊接工作量特点，由此将使其在实际设计和使用中，对工程的整体施工质量提出新要求。期间为了为了更好地实现对大跨度空间钢结构施工的质量控制，将需要从问题着手进行分析，找到最优施工质量控制的方法和途径，以期为提升钢结构施工的稳定性奠定良好基础。

1 工程概况

重庆江北国际机场T3B航站楼及第四跑道工程新建T3B航站楼钢结构工程（二标段）位于重庆市东北方向的渝北区沙坪，原重庆江北国际机场T3A航站楼北面，距离重庆市中心21km。场地及周边未见崩塌、滑坡、泥石流、断层、岩溶、地面沉降等不良地质作用；无埋藏的河道、沟浜、墓穴等对工程不利的埋藏物；场地地质构造简单，岩层产出连续稳定，填方边坡治理稳定后适宜本工程建设。建筑面积为36.7761万m2，建筑物最大高度约为37.7m。T3B航站楼建筑外观采用X造型，由主楼和四条指廊组成，与T3A在风格和流程上协调一致。作为T3A航站楼国内旅客的卫星厅，T3B能满足年旅客吞吐量3500万人次的需求，和T3A国内航班一体化运行，旅客在T3A完成值机、安检流程后，可通过旅客捷运系统到达T3B航站楼候机。其效果图如图1所示。

图1 T3B航站楼效果图

T3B航站楼平面采用四指廊布局，分为M区大厅及I、J、K、L四根指廊，大厅与指廊之间由伸缩缝(兼防震缝)分开。其中，M区大厅区域建筑面积为23.1796万m2。I、J、K、L四根指廊及登机桥固定端区域建筑面积为13.5965万m2。M区大厅钢屋面平面最大尺寸522m×128~280m，屋顶金属屋面最高点标高为37.7m。I、K、L区指廊平面尺寸约为237m×58～94m，屋顶金属屋面最高点标高为32.6m。J区指廊平面尺寸为225m×58～91m，屋顶金属屋面最高点标高为32.3m。

本方案主要针对T3B航站楼指廊钢结构施工的危大工程施工进行编制，其中指廊屋面网架结构最大跨度58m，单个指廊屋面网架重约1130t，采用整体提升；其中L区指廊二三层楼板错层，部分网架在二层楼板上拼装后采用顶升方式，顶升重量约为250t。本钢结构工程屋面网架提升和部分网架顶升工程属于“超过一定规模的危险性较大的分部分项工程范围”。

图2 整体钢结构三维示意图

2 大跨度空间钢结构施工质量问题

2.1安装问题

当前，大跨空间钢结构的施工规模越来越大，结构形式复杂，安装方式也不固定。从安装施工的观点来看，现有的施工工艺有：分段安装法、高空散装法、整体吊装法和高空滑移法。但由于机场航站楼的规模和工程环境的复杂性，使得大跨空间钢结构的安装和施工需要改变传统的安装技术，以此更好地确保其安全性和经济性。由此在安装的过程中将需要从多种安装方法中寻求一个平衡，以此实现对工程施工质量的有效控制。期间通过不断实践调试的方式，将钢结构调整到最佳的安装操作状态，以实现高技术应用的目的。主要技术内容有：滑架施工技术、高空曲线滑移技术、网壳折叠展开整体吊装技术。需要指出的是，在实际应用时，应结合工程的设计要求，采取组合的设计方案，以此使其整体的安装效果得到优化提升。

2.2 CAD设计问题

CAD是大跨空间钢结构工程中的重要制图工具，它可以为大跨空间钢结构提供构造、钢管节点的处理、尺寸标注、图层管理、文字编辑、数据信息交换等方面的功能。CAM绘图软件是一种可视化的图形设计辅助工具，它可以在CAD软件实际应用中以文本的方式展开设计，由此将可以达到文字和图形之间的相互转化，大大提高机场航站楼的工作效率。然而，由于其电子文件的形式存在着一定的误差，故研究者应该充分发挥CAD软件中的图形修正功能，从而有效地降低数据错误对设计内容的影响。

3 优化大跨度空间钢结构施工技术应用策略

3.1 网架提升和顶升技术的应用

比如某地区正在兴建的多功能体育馆，其主体结构是：钢筋砼框架；钢结构占地约6000米2，主楼高24米，最大跨度54米。由于钢结构是钢管桁架，所以在工程中，工程技术人员要充分考虑起吊高度和起重的作用距离，期间需要对一些钢桁架采取分段吊装和安装胎架作为临时支承。为了确保钢结构的整体稳定性，施工技术人员首先需要将主桁架吊起，然后在主桁架附近和两根主钢梁之间进行吊装。由于主桁架的跨度大、高度大，所以在钢筋混凝土柱附近设置一台单臂起重机。另外，由于中段与建筑物周边的距离比较远，所以工程技术人员采取两台起重机吊装的方法。在这个过程中，两个起重机需要协调好，确保吊钩一直处于垂直状态。

3.2 网架焊接控制技术

本工程为焊接空心球网架结构,由于网架平面尺寸大，杆件长度长，安装及焊接时容易产生较大的有害的附加应力，所以安装过程中消减焊接残余应力及装配应力是保证网架结构质量的关键。

对策：

①减少装配应力措施：

1）为了保证网架在总拼过程中具有较少装配应力，采取从中间向两边〔中间向四周)的顺序进行。

2）网架安装测量及误差控制是装配应力产生的重要原因。本工程的网架安装线路特别长，因此，在网架安装时必须采取如下措施:

a.利用全站仪、经纬仪控制网架的定位精度;

b.网架拼装时以直线状前进，最后由线形成面;

c.网架每安装一段后，必须全部测量一次，在安装下一榀网架时，采用反误差的方式来消除前一榀的安装误差。

3）提高杆件及焊接球的加工精度，减少装配应力。

②减少焊接应力措施:

1）焊接顺序的选择与确定原则，应充分考虑网架球节点的分布特点，如节点规格、间距、层次、而积、大小、构件贡量、支撑体系、焊工素质与人数等等。一般均应考虑由下后上、由中央向四周散开的先后次序，将焊接应力分散开，反之将形成极大的约束应力，直接导致焊缝裂纹或开裂。

图3 整焊接顺序两边对称焊

2）焊接时应采用成对焊工，前后、左右、对角等对称同时焊接，还应注意尽量做到同步开焊，同步焊接至结束。

3）尽量减少每个节点的焊接下作量，尤其是应避免大间隙或超大间隙，其中焊缝成形尺寸尽量从严控制，主要是焊缝宽、余高以及焊角高等。

图4 节点焊接顺序

4）在球杆相贯节点焊接时，也应采用对称分段焊法，由上往下按左右两侧分两次逐层完成焊接。节点较多时，尽量选择对称安排多个焊工成对对称同时焊接、且尽量同时开焊、同时结束焊接。

图5 （1）点焊固定位置（2）拼装间隙与坡口（3）稍作摆动时运条点焊焊接顺序

图6 杆件与焊接球焊接示意图

③除在施工工艺上对焊接变形和应力控制外，我司还会对本工程超大规模网架结构进行焊接应力的应力消减，我公司将首先进行焊接应力计算和分析，然后进行实际测量，再根据不同情况选用不同的应力消除方法。

1）焊接应力的计算及分析

网架现场拼装时，对构件及其连接节点，采用应力有限元方法先进行构件焊接残余应力的仿真分析，确定网架单元在不同的焊接顺序时的应力分布状态，评估各种焊接顺序的焊后应力水平和拘束水平，作为确定合理焊接顺序和焊接过程应力控制措施的依据。

焊接应力控制包括从制作工艺角度控制焊接应力和焊接过程中采取技术措施来控制焊接应力，控制应力的目标是降低应力的峰值并使其均匀分布。

2）应力消减

根据构件焊后的应力检测结果，制定合理的焊接应力消减方案。常用的焊后消应力方法有：焊后消应力热处理、振动时效消应力、抛丸消应力等方法。针对本工程的特点，我们重点选用振动时效消应力和焊后消应力热处理。

3.3 自适应控制技术

自适应控制技术是当今机场航站楼中应用最广泛的一种。与以往的控制方法比较，采用自适应控制能有效地克服计算中的错误，提高工程建设的质量。在施工中，施工中常常要计算施工中的材料用量、施工断面的宽度等，也有一些细微的偏差，在施工中可能不会较明显，但长期来看，会对施工的整体质量产生一定的影响。然而，采用自适应法进行施工时，并非进行反复的计算，而是采用循环计算，由此将能够使其更大程度上减少施工中可能存在的错误问题。将自适应控制技术应用下所计算获得数据与施工现场的实际情况进行比较，将能够使其整体精度提升，甚至比开环、闭环都要高，其主要依靠于智能控制技术原理，在自动化识别计算的情况下降低数据出现错误的概率。但在特殊情况下，计算出来的结果与实际情况并不完全一致，这就要求施工管理者和技术人员做出科学的判断，而不能仅仅依赖于数据。

4 结束语

综上所述，在大跨度空间钢结构施工技术应用过程中，强化对多个要素的控制是确保施工质量的重要基础。期间在确定大跨空间钢结构的施工特性时，需要采取钢桁架的吊装和装配技术，并结合钢桁架的整体拼装技术，对其安装和CAD的问题进行有效的控制。实践表明，大跨空间钢结构具有强度高、预应力控制好、焊接工作量大等特点，由此将需要确保钢桁架的安装、吊装和整体拼装的质量，以期更好地促进我国建筑事业的可持续性发展。

参考文献

[1]范应中.大跨度空间钢结构施工技术与施工质量问题探索[J].建材与装饰,2017(02):35-36.

[2]隆涌波.浅析公共建筑中庭采光顶大跨度空间钢结构施工技术[J].居舍,2020(26):78-79.

[3]李伟.大跨度空间钢结构工程虹吸雨水系统施工技术[J].工程建设与设计,2018(08):192-193.