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首都机场T3A航站楼超大型网架结构施工技术

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    （浙江东南网架股份有限公司 杭州 311209）

    摘 要 本文从分析工程特点入手详细介绍了北京首都机场T3A航站楼双向微曲网架结构加工精度控制方法、安装方法及安装精度控制方法；这些方法有效地保证了本工程施工质量及施工进度，对类似特大型工程的施工具有指导作用。
    关 键 词 双向微曲网架结构 加工精度控制 安装方法 安装精度控制


    一 工程概况

    首都国际机场3号航站楼T3A主楼屋顶为双向微曲网架结构,外形呈飞行体状；南北向长约955m,东西向宽约773m,南端入口处设大型悬挑；指廊和主体连接处的伸缩缝将整个航站楼屋顶分为三部分，见图1、图2。屋顶主体网格结构形式大部分为抽空三角锥形式,局部为三角锥形式；屋顶边缘及悬挑屋顶和内部屋顶的连接过渡处设置了边桁架和悬挑桁架以满足曲线及过渡的需要。内部网架以螺栓球节点为主，在内力大处使用焊接球节点；边桁架周边主要采用焊接球节点，内部采用直接相贯节点；悬挑桁架上弦设置32个铸钢节点。整个屋顶由136根梭形钢管柱支撑，支座采用钢棒和铸钢节点与柱顶相连；在每个翼部设置六个沿屋顶切向的滑动支座，中部设置4个滑移支座，以便释放温度应力。

    二 工程特点

    本工程具有以下特点：第一、网架结构外形尺寸、跨度及面积特别大。为便于施工，安装时需分区，分区后在相邻区域交界处将形成合拢线，若安装过程中控制不好，将造成不同分区难以顺利合拢。第二、构件数量多、节点形式多样。为满足各种受力的需要，该工程中使用了多种节点形式，有螺栓球节点、焊接球节点、焊接鼓形节点及铸钢节点等，不同的节点形式对施工的要求不一样，多种节点形式的综合应用增加了安装的难度。第三、多种空间结构形式综合运用，既有空间桁架又有空间网架结构，安装时要统一协调、区别对待。第四、由于面积特别大，需充分考虑施工误差的影响。

    三 加工精度控制方法

    网架结构由杆件和节点构成，因此加工精度的控制可以分解为杆件长度精度的控制和节点精度的控制。其中节点精度主要包括螺栓球节点的螺孔角度、焊接球节点的尺寸、支座节点的尺寸及销轴节点的尺寸和角度等精度控制。
    （一）杆件长度加工精度控制
    杆件定位焊在标准胎模上进行。胎膜的一端设固定挡板，另一端为可动角尺，在可动端胎膜的侧面刻有尺度，其可视读数为0.5mm，见图3。定位焊时考虑焊接收缩量及温度的影响，以达到精确定位的要求。按此方法加工的成品精度可达±0.5mm。

    （二）螺栓球加工精度控制
    本工程螺栓球加工要求螺孔轴线之间的夹角偏差由规范规定的±30′提高到±10′，螺纹公差与之匹配。球心到螺孔端面距离的偏差由规范规定的±0.2mm提高到±0.1mm。因此必须对以往的螺栓球加工工艺重新评定，采用更加先进的工艺、设备、胎具才能保证加工精度。
    (1) 设备更新
    为了满足本工程要求，螺栓球的加工在全新的数控机床上进行，比原来的加工精度提高了2～3倍，满足了精度要求。
    (2) 工装夹具重新设计
    对使用的工装夹具进行了重新设计。根据角度变化的要求，满足三维坐标系中任何角度的需要。每个球节点一次装夹一次加工完成，提高了定位精度。
    (3) 成品螺栓球的检测
    加工完成的螺栓球由专用螺栓球检测仪进行螺孔夹角和螺孔铣平面端面距离的精度检测。该仪器螺孔夹角可视读数为2´，螺孔铣平面端面的可视读数为0.01mm。利用该仪器可满足螺孔夹角允许偏差±10´和螺孔两铣平面端面距离允许偏差±0.1mm的要求。
    （三）焊接球球心定位
    杆件在焊接球上位置由焊接球上的形心轴端点确定。在工厂加工空心球时，首先在空心球的某一对称轴处（通常为环焊缝处）画出对称轴，然后以此轴线为基准在球体的垂直方向与球面交点处各钻一个小孔（孔的直径及深度均约为3毫米），定位时，只要根据划出的轴线和钻出的小孔作为基准，即可保证杆件通过空心球的球心。
    （四）支座销轴处圆孔加工精度的控制
    在销轴支座处，杆件与支座连接板采用销轴连接，见图4。在支座钢棒上设一块钢板，杆件端头设两块钢板，最厚钢板为80mm,如采用三块板分别钻孔再连接的方式，容易造成三块板在焊完后相互错位的情况。这样在安装时会造成网架杆件的扭转偏位。因此，在加工时将三块板先焊接完后再进行钻孔，以确保孔的加工精度。由于钢板很厚，采用一般的设备来进行钻孔是很困难的。为此，开发了专用的加工设备来进行加工，取得了满意的效果。

    （一）安装分区
    根据结构特点及总体施工安排，该工程共分7个大区51个小区（见图5）。7个大区分别为A1、A2、B、C1、C2、D1、D2区。其中两翼为A1、A2区，核心区为B区，大悬挑处为C1、C2区，指廊为D1、D2区。在每个大区内又分了若干小区。各区安装的先后顺序为：
    A1区：1→2→3； A2区：4→5→6；
    B区： 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区：42→43→44→45→46；C2区：47→48→49→50→51；
    D1区：7→8→9→10→11； D2区：12→13→14→15→16。

    （二）桁架的安装
    本工程的桁架安装主要有两类：一是指廊内侧桁架的安装，二是外侧周边桁架安装。指廊内侧桁架按每个柱距分成二段进行吊装；外侧周边桁架按每个柱距整段吊装。吊装设备采用150吨履带吊。在桁架内侧均设置临时支架。图7所示为指廊桁架吊装示意图。

    （三）核心区（B区）网架安装
    该区网架采用在操作平台上高空散装法按划分顺序进行安装。具体安装过程如下：
    (1) 在楼面上搭设与网架曲面基本吻合的拼装平台；
    (2) 采用经纬仪和全站仪将网架下弦中心放线到平台上，并弹出网架下弦定位的纵横线，标出下弦球节点的中心点位置；
    (3) 将网架下弦的定位托架按照弹出的下弦中心点位置，依次布置并固定好。
    (4) 将下弦球放入球定位托架内，用托架内的微调机构将网架下弦球调整就位；并再次用全站仪复核调整；
    (5) 下弦定位好后，将下弦杆放入并与焊接球先定位点焊，然后进行焊接；下弦球为螺栓球时，下弦杆与球连接采用高强螺栓并一次拧紧到位；
    (6) 按上面方法安装三至四榀下弦后，安装上弦球和腹杆。安装上弦球时，先定位点焊上弦球与三根腹杆（或将腹杆高强螺栓拧入上弦球内），然后调整腹杆与下弦球的尺寸位置。调整正确后，将腹杆与下弦球定位点焊（或将腹杆拧入下弦球，注意应按次序拧紧螺栓）；
    (7) 安装上弦杆与上弦球。安装上弦杆时，若发现安装有困难，可适当松动腹杆与下弦球的位置。上弦球全部放入后即可进行焊接，或将高强螺栓拧到位。
    (8) 按照上面方法进行下一区域的网架拼装，直至整个网架拼装完成。
    （四）指廊（D区）安装
    指廊网架的安装因下部的楼层比较平整，而且此段网架外形为单向弧形，网架跨度也不大。因此在本区域采用了平台滑移法进行施工。所搭设的平台曲率接近于网架的曲率，平台在楼面上进行滑移施工。采用滑移法进行施工，可节约大量的脚手架，并可加快安装进度。见图8。

    （五）安装合拢
    网架结构的合拢是一项难度较大的工序，在施工时应尽量减少或避免。由于本工程面积特别大（投影面积近18万?），同时由于下部结构施工的需要，网架分成了七个大的区域，由此不可避免地产生了合拢线。为了尽量减少合拢线，充分考虑了施工顺序的合理性。最后选择了A1、A2区与B区的两条合拢线，合拢线长约80m。为保证网架顺利合拢，在网架最后合拢施工时，制定了专门的施工措施。
    首先，选择合适的合拢温度。合拢时的温度尽量接近设计计算平均温度，即20～25℃，由于本工程合拢线施工时正处秋季，白天温度较高，因此，合拢时间选择在傍晚时候。
    其次，做好合拢前的测量工作，合拢前用全站仪对合拢线上的每个球进行重新测量，确定出每个球的实际X、Y、Z三维坐标；将实际测量的合拢线上每个球节点的三维坐标与设计的三维坐标进行核对，利用千斤顶等进行标高矫正，保证两边网架挠度一致；同时采用倒链对个别节点的水平X、Y位置进行调整。
    然后，根据矫正后测量出的各球节点的三维坐标值和设计值进行对比,计算出每个杆件合拢时的长度。由于在整个安装过程中尺寸控制较好，实测杆件长度与设计值非常吻合，使合拢过程非常顺利。
    合拢时，由多名焊工在规定的时间和温度下同时施工，将整个网架在整条合拢线上同时合拢。合拢时从中间向两边进行焊接，焊接杆件时先焊一端再焊另一端，不能两端同时焊接，以减少焊接应力。

    五 安装精度的控制

    对于超大型网架结构，如何确保安装精度，应从三个方面加以控制：加工精度、安装误差及温度影响。
    （一）温度影响
    本工程结构平面尺寸超长，因此温度效应非常明显。在结构设计时，已经考虑了温度的影响，设置了伸缩缝及滑动支座等构造措施。在施工过程中，结构对于温度的影响同样是非常敏感的。设计要求结构在施工过程中温差考虑正30度，负20度。
    在结构分块拼装的过程中，安装就位部分的网架结构在温差作用下会对后续待安装部分的结构有影响。随着单体体量的增大，越到后面，温度的影响越显著。在这种情况下，必须控制结构的水平伸长量，否则将影响结构的安装精度。
    下面对影响最显著的施工阶段的温度效应做验算分析。
    (1) 指廊
    指廊对温差最敏感的时候也就是安装最后一个分块的时候。

    可以看出30度温差对指廊的影响是存在的，最不利影响是安装至伸缩缝位置时造成的水平位移约为60mm。因此必须考虑合理选择安装时段，减小温度误差。

    (2) 翼部与核心区合拢前

    30度温差对翼部与中心区块的最不利影响是安装至合拢区域时，对后续安装造成不利影响的水平位移主要为x及y方向40mm左右。由此可见，网架的变位并不明显。只要合理避开温差过高的安装时段，可以控制此变形。
    (3) 翼部与核心区合拢后


    同样，温差对主体部分的最不利影响是安装至网架边缘位置时造成的x向水平位移约为20mm。由此可见，网架的变位并不明显。只要合理避开温差过高的安装时段，可以控制此变形。
    （二）安装误差控制与消除
    主体与指廊部分在安装过程中，由于分块数量多，体量巨大，安装累积误差势必会很大。因此，本施工方案中对每一分块网架安装时都用全站仪进行关键点定位，并以柱网为区块划分的基准，将安装误差在本区块内消除掉，不累积到下一区段，同时也符合结构受力特性。安装误差的控制与消除措施主要有以下几方面：
    （1） 深化设计。根据总承包提供的控制点，计算确定出网架定位坐标点，然后计算出网架每个球节点的三维坐标；对于温差产生的位移，在网架深化设计过程中对部分网架的杆长进行了调整。
    （2） 加工时严格控制构件的加工质量和精度，确保进场安装的每个构件节点的精度达到设计要求（比规范提高2～3倍）。
    （3） 根据总承包提供的基准点引伸到网架的各支座，对上道工序移交的网架支座的柱顶位置进行复核，为确保测量精度和网架安装精度达到设计要求，整个支座的测量定位采用全站仪进行测量定位。
    （4） 采用水准仪对各钢柱顶板进行测量，确保顶板平整，板的不平度达到设计和规范要求。
    （5） 对经过测量的各支承点的中心轴线都用红线划出，高差都在钢板上用数据标出，所有测量结果都在图纸中记录，以便安装时对构件进行适当的调整。
    （6） 支座安装前根据前面的测量数据进行必要的修正和调整，确保各项参数达到设计及国家规范要求。
    （7） 安装定位控制方法：采用全站仪按照深化设计图纸的各球节点的坐标弹线放样到安装平台上，并用红线标出球节点的定位中心；按照放样弹出的球节点的定位点，采用定位调节托架定位，见图15；将球节点装入定位托架，然后采用全站仪微调球节点三维坐标，并安装网架杆件；转动调节把杆丝杆将球节点上调和下降。

    网架杆件安装好后，再次采用全站仪复核各球节点的三维坐标。
    对于超过误差的球节点，利用千斤顶、倒链、电动葫芦等进行调整，同时根据调整后的测量数据，在安装下榀网架时进行反误差的调整，确保网架安装完成后整体尺寸精度误差达到设计要求。

    六.结束语

    本工程单体面积大，体型复杂，端部悬挑大，节点种类多，所以对网架的安装提出了很高的要求。由于在施工前进行了详细的分析与论证，同时进行了多方案的比较和试验，使得施工非常顺利。

    参考文献

    ［1］ 建筑中国建筑金属结构信息网施工手册 中国中国建筑金属结构信息网协会编著
    ［2］ 网架结构设计与施工规程 （JGJ7-91）中国建筑工业出版社，1991
    ［3］ 建筑中国建筑金属结构信息网焊接规程 （JGJ81-91）

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