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单层拱形屋顶钢结构工程施工技术方案

第一节***屋顶结构及施工方案

天窗系统的主檩条所在的位置。图11—1屋顶结构的形成图

屋顶结构是一个东西走向有规律的单向拱架系统，南北向拱架间距为18m。这些拱形结构跨度不同，最小的大约为45m，最大的超过120m。垂直方向的荷载主要通过压缩每个拱形结构而承担。

拱形结构是用钢板焊接成的，深度变化由最长跨度基础处最大的大约3m深度支最高点处大约为1.2m最小深度。拱形结构的截面一般是扁平底部、V形箱式结构，它带有较厚得法兰板，以及最小厚度的腹板。对于每个拱形结构，沿整个长度在截面上加入一条纵加劲肋.在截面中焊进类似的横向隔膜式加劲肋，间距大约3m远。拱形结构截面顶部和底部法兰的宽度沿拱形结构的长度是不变的，由此可知，腹板不是完全平坦的元件(内部资料) 一、二级注册结构工程师 专业考试要点理解.pdf，而是稍微有些翘曲(在10m的距离上大约翘曲1.6o)。由于腹板很薄，因此在焊接到上述内部隔膜上之前，它们可以被稍微扭曲成正确地形状。

支撑玻璃天窗的构件由主檩条和次檩条系统组成。主檩条与主拱形结构连接在大约9.5m的间距，组成屋顶整体稳定系统。它们是预制的V形部分，在顶部法兰处为400宽，650深。V形部分的顶部和侧部采用钢板结构，厚度依据檩条的走向不同而发生变化。檩条靠近屋顶的中心线，即朝着顶部，几乎垂直，因此受到的侧向弯距很小。那些靠近拱形结构两端的檩条，以其侧面布置，与垂直方向所成的角度最大为40o，在弱轴方面的弯距相应的有所增加。因此，这些檩条的侧面腹板比较厚。为了形成每根檩条为V型，并且为了加强檩条绕其强轴的抗弯能力，在每个组分中还加进了一条直径为100的实心棒条.主檩条的起点是垂直的，因此他们的顶部法兰表面与和他们相交的拱形结构的顶部法兰水平。

主檩条在立面成曲线，以与原定位弧线配合，如上面几何结构部分中所说的那样。主檩条支撑着约3m间距箱形的次檩条，而此檩条直接支撑玻璃天窗的。这些次檩条的截面尺寸为250mm×100mm，底边成曲线，以配合屋顶的弧度。檩条没有超出主檩条顶面法兰深度下，而是被固定，以便檩条在它们上面通过。

4．横向稳定度和运动接缝

支撑轨道总站屋顶的***混凝土结构包括两个东西向伸缩缝直接在屋顶构件下面。为了避免因两个建筑元件之间不同的运动性能而引起复杂情况，在于混凝土结构的相同位置设置伸缩缝。这样屋顶被分成3个独立构件，并且都拥有自己的稳定系统。

***屋顶不采用任何支撑。每个屋顶部分的稳定性都通过拱形结构与主檩条的空腹桁架作用而保证，这一点依赖于这些元件的弱轴抗弯刚度。尤其是拱端和朝着拱端的主檩条，对南北方向每个屋顶部分的侧面稳定性起到了巨大作用。所以靠近拱端主檩条腹板的厚度需增加。

***混凝土结构中的伸缩缝位置对应于屋顶结构中两个拱的位置.在这些位置，拱被分成两个”半V”部分，每半个部分成为一个扇形或另一个扇形的一部分。在这些拱形结构之间，将提供大约200mm的间隙，以允许温度变形和地震位移。位于这些分开的拱形结构支撑位置上的混凝土结构采用双立柱，以便每个拱形结构都位于自己的立柱上而无须跨越伸缩缝采用复杂的转换结构。

图11—3屋顶的运动接缝

二、***屋顶钢结构工程难点

1．钢构件的深化设计及加工工艺

***屋顶钢结构独特的外形决定了，钢构件深化设计的准确及加工工艺的确定是本工程的难点。

2．大跨度拱架的安装座与现场混凝土边缘梁相连，上下翼缘宽度不变而高度改变的拱截面形成了腹板的双曲面形式，拱的上翼缘随拱的位置不同而发生不同的安装精度、焊接质量、吊装安全可靠是本工程的难点。

3．运输及吊装机械的选择

的超长超大决定了构件的场外、场内运输及吊装机械的选择是本工程的难点。

4．工期保证及组织协调

施工组织协调及配合是本工程的难点。

一、钢结构工程施工部署安排

1．钢结构部分施工工期

..安排合理的施工流程和施工顺序尽可能提供作业面，使各工种交叉施工。梯形拱长度为47～135m，最重构件达220t，端部通过抗震球支角度变化。拱与拱之间通过主檩相连，且主檩穿过拱截面。如何保证主拱在加工成分成8～14段，单段重10.4t～22t，长度约9m；主檩以拱单元为分段原则，单段重6.8t～15t，长度约18m。钢构件根据本工程钢结构特点，钢结构安装难度特大，所以工期的保证本工程钢结构工期为150天。

..安排好钢结构深化设计及加工制作计划，组织好工厂与现场的协调工作，以保证构件按计划进场。

..选用科学的、先进的、切实可行的施工方法、施工手段进行钢结构安装。

..使用先进的设备、机具、仪器以提高劳动生产率。

..监督六项基本职能，并选配优秀的管理人员及劳务队伍承担本工程的管理、施工任务。

..根据工程施工进度总计划，编制月、周、日计划相结合的各级计划进行进度的控制与管理，并配套制定各分包的计划以及机械设备配备使用计划，劳动力分布安排计划等，实施动态管理。

为了保证拱架单元均匀的将力通过球形支座传递给结构，各区支实施项目经理负责制，行使计划、组织、指挥、协调、控制、屋顶的伸缩缝将屋顶结构分成3个独立的单元，的稳定系统。根据屋顶的结构形式，将以3个独立的稳定系统为单元进行施工：一区支撑系统的搭设→一区构件的吊装（包括A拱、B拱、C拱、D拱、E拱、FN拱及相关主次檩）→二区支撑系统的搭设→二区构件的吊装（包括FS拱、G拱、H拱、I拱、J拱、K拱、LN拱及相关主次檩）→三区支撑系统的搭设→三区构件的吊装（包括LS拱、M拱、N拱及相关主次檩）撑系统的支点处采用千斤顶，待一个区段的构件安装完成后，各支点处的千斤顶同步分阶段卸荷，以保证结构的外形及下部混凝土结构的安全可靠。

钢结构工程劳动力配备表11—1

合计人134根据工期动态调整

4．钢结构施工现场平面布置

...钢结构施工不再另设水电供给设施，服从工程整体的统一安

排。现场统一考虑供电、供水设施，但钢结构施工需要单独

...钢结构施工临建仅考虑自身办公、仓库（包括食堂、会议室）。工具房设在施工现场。场地施工现场统一划定。

...考虑到本工程结构的特殊性，充分利用一层顶板城铁站台承载力高的特点，选用的两台行走塔轨道位于一层顶板，且钢构件的堆放场地选在城铁轨道位置。

图11—5钢结构工程施工平面布置图

1．熟悉合同、图纸及规范，做好施工现场记录。其程序是：

..编制工艺流程要领书，做详尽的构件进场计划。

..各特殊工种（司机、焊工、起重工、电工等）必须持证上岗，证件必须在有效期内方可进场作业。

熟悉图纸、计算工程量、现场调查

编制材料、构件、成品需用

组织对各工序施工人员进行专业技术交底及安全交底，并有详

...测量放线所用的经纬仪、水准仪、钢尺等测量仪器，都要做好

计量检测，并保证在有效期内使用。

制定材料供应计划，组织相关材料和机械设备进场。机械设备应做好检修和保养，保证完好率。

第三节钢构件的制作工艺

***屋顶钢结构工程为单层拱形钢结构，整个屋顶钢结构由14榀钢拱架（含二组伸缩拱架）通过檩条等构件组合而成。拱架南北方向设置，间距为18m。在拱架上部圆弧表面上自中间向二侧（东西向）每间隔6。（同心角）设置主檩条一道，结构中部最宽处设有13道，如下图所示：

图11—6屋顶结构平面布置图

1．本工程拱架是由钢板焊接而成的拱形结构如下图所示：

2．拱架横截面呈梯形箱形结构如下图所示：

1）图中上下翼缘板为一等宽的圆弧形板条。

2）由于拱架高度（H值）沿圆弧弧长在不断变化，因此其腹板为一翘曲的弧形板。

3）纵向加劲肋与腹板接合面为一曲线。

4）拱架下部区域，面积非常窄小，焊接异常困难。

根据拱架外形尺寸及运输条件的许可接结合吊装方案，现将拱架划分成若干个分段。现以某桁架为例进行说明，如下图所示：

根据上图所示将该拱架划分为8～14段，单重约10.4～22吨

按拱架结构图对每个零件进行放样、展开，编制数控切割软盘、号料划线草图、零件配套表及加工检验样板，并注意以下各点。

1．在放样前必须对各零件的焊接收缩变形进行计算，结合本公司在以往各项工程中的经验与记录，确定各零件的收缩变形量进行放样。必要时可在若干个分段的接缝处单侧留有余量，在分段拼装、总装时给予调整、割除，以保证拱架外形尺寸的精度。

2．上下翼缘板及纵向加劲肋上必须划出中心线，便于在切割、弯曲过程中监测、检验零件的变形。

3．在左右腹板展开过程中必须在其外表面同一位置设定一根曲线，腹板加工成形后，该二曲线必须位于同一平面上且垂直于拱架中心面，在制作过程中该线可作为加工检验样板的定位线，亦可作为组装、焊接过程中进行监测、检验组装精度与焊接变形的基准线。

4．纵向加劲肋二边曲线偏差大小，直接关系到拱架制作后的外形质量，因此必须编制每一块纵向加劲肋二边曲线变化的坐标值（型值表），便于检验该板切割后的曲形偏差。

A弧形零件加工后，检验样板的弧长不得小于1500mm

B腹板加工后的检验样板采用三角样板进行检验，沿每一块腹板设置6～7道，间距≤1500mm。

6．在正式号料、切割前必须对所用钢板进行确认

A钢材的牌号与厚度必须符合图纸要求；

B所用钢材必须经过复验，并经本工程监理确认合格；

C若有排版要求，钢板的外形尺寸必须对号入座，以保证各零件尺寸放样的可靠性。

1）本工程全部零件基本上采用火焰切割、冷加工弯曲成形。

2）零件成形后必须满足下列要求：

名称允许偏差值（mm）

为保证制作精度，根据本公司条件，整个拱架分成左右二大段（即各5小段）在刚性平台上进行组装，各小段之间采用工装板给予临时刚性固定。组装结束并经检验合格后进行打底焊，而后整体送往焊接流水线进行自动焊接。

拱架拼装胎架的设计十分重要，胎架模板位置必须达到：保证拱架外形的一致性；有效的增加拱架焊接过程中抗焊接变形的临时刚度；便于在接头部位对相应二端接头加工中各零件偏差的临时调整。

整个胎架制作完成后既要便于拱架拼装，又要便于在制作过程中对拱架变形及精度的监控，且具有可操作性。为达到上述目的胎架按下列要求制作。

1）胎架施工基面的考虑拱架拼装采用将拱架侧卧于平台上，其垂直中心面呈水平状态,右腹板外表面为与胎架模板接触面如下图：

图11—10拱与胎架的关系

A拱架上下圆弧面在平台上的投影为其真实外形，便于对其变形及外形尺寸的控制；

B拱架接缝位置线在平台上的投影为一直线，便于各分段翼缘板、腹板、纵向加劲肋的准确定位；

C拱架中心面呈水平状态，便于对拱架侧向弯曲的监控和横隔板的定位与测量。

A胎架模板位置设在每道横格板位置处，由于相邻二格板距离较大在相邻二横格板间增设一道模板，如下图所示：

图11—11胎架模板的位置

B各模板沿顶底圆弧向心线方向呈列，使其上工作表面为一直线。

在组装平台上（胎架基面），必须划出下列各线，如下图所示：

d设立标杆，划出拱架中心面标高线，翼缘板半宽线。

以上各线划线误差均不得大于1mm。

4)在平台上树立模板，模板呈垂直状态，底部与平台连接牢固，设置斜撑以增加刚性。

5)将平台上拱架顶底圆弧线移植至模板上，划出相应的位置的上下翼缘板半宽位置线，切割模板。模板划线切割误差均≤1mm；如下图所示。

拱架组装工作在胎架上进行。

在胎架上吊装定位右腹板→划出纵向加劲肋与横格板安装位置线→吊装定位上、下翼缘板、纵向加劲肋与横格板→焊接→吊装左腹板→焊接→检验→划出现场拼装结合线→装焊现场用的拼装工装卡具→解体→送流水线进行自动焊→检查、矫正→验收→喷砂除锈→涂装→发货；如下图所示。

A右腹板定位必须与胎架工作表面紧贴,间隙≤1mm;

B上、下翼缘板,纵向加劲肋与横隔板定位必须保证其中心线位于同一水平标高上,偏差≤2mm;

C上、下翼缘板、纵向加劲肋与横隔板定位必须保证其垂直度,偏差≤1mm;

D各构件定位,其端部位置必须对准胎架基面上的接缝位置线,偏差≤1mm;

E左腹板定位必须与内部各加劲肋横格板结合面贴紧,间隙≤1.5mm。

A焊接工作必须严格按焊接工艺文件所规定的工序与要求对各焊缝逐一进行焊接；

B拱架解体后各分段进行自动焊时，除严格按工艺文件进行焊接外，还必须对腹板上二根线与上、下翼缘板中心线进行严密监控、测量，一旦发现变形立即调整焊接工序，以控制拱架各分段的焊接变形。

拱架解体前除上、下翼缘板中心线外还必须划出下列各线，以留作现场拼装定位用。如下图所示。

5）解体前现场工装卡具的设计安装必须达到下列要求：

A能快速、简便的进行操作。

B能有效的对各分段接头进行定位，并使接头精度达到工艺要求。

C工装卡具去除后残留工作量少，不影响构件外观质量。

1．工厂拼装工序如下：

铺设路基板→划线→制作胎架→单侧分段定位→去除接头余量→另一侧分段定位→焊接→验收→装焊吊耳→油漆修补→现场吊装。

1）铺设路基板的地面必须夯实、平整，与路基板紧贴；

2）胎架划线与制作可参照上述工艺要求进行施工；

3）各分段定位后，必须对上、下翼缘板中心线进行测量与调整，务必使其位于同一水平面上，避免因路基板下沉而带来偏差造成拱架变形；

4）接头余量的划线必须考虑以下各项因素，经综合研究后给予划线、切割。

A各分段实测数据与图示尺寸偏差.

B现场即将进行的焊接工作可能产生的焊接收缩余量.

对局部窄小、难以进行焊接工作的部位和现场接头中纵向加劲肋焊接工作如何进行的考虑：

1．分段接头处的上、下翼缘板自接缝向两边各300设置一块嵌补板留待该部位纵向焊后进行装焊。

2．横格板与上、下翼缘板相交处抽空50mm；如下图所示。

3．腹板中部（位于构件中和轴）开设工艺孔，让施工人员入内进行焊接，横格板与下翼缘接缝采用电渣焊。

4．局部窄小处人员确实无法入内进行焊接的部位建议横隔板单边（与左腹板相交侧）外伸至腹板外表面平齐，腹板开槽进行焊接，该处焊缝焊后磨光。

八、对于拱架横截面结构形式的建议

基于目前本工程拱架外形尺寸及截面形状已经确定而又存在以上诸多的施工困难之现状，在保证原设计建筑风貌的原则下提出如下建议：

1．拱架截面中纵向加劲肋向二侧外伸，腹板分割成2~3块。由于腹板计算长度缩短，且将原一个大梯形截面改变成三个小梯形截面组合，因此可将横隔板取消（不排除局部设置加劲板）。如下图所示。

图11—17腹板与翼缘的关系

2．在主檩条与拱架腹板相交部位设置加强板（厚度与檩条同厚），以作间隔避免部分焊缝重叠。

3．拱架作上述改动后具有以下特点：

1）原整块腹板分隔成三块后，对其曲形加工提出了更高的要求，根据本公司综合加工能力，能满足这一要求；施焊的可能，改善了焊接工作环境，有利于焊接质量的提高；动焊设备进行焊接，对焊接质量的提高与保证提供了最大的可能。

一、钢构件的运输和现场堆放要求

1．钢构件的运输工专用运输托架，以保证各种异形构件可安全运抵施工现场。

2．钢构件的现场堆放要求。

本方案利用了轻轨行驶路线承载了高的特点，将钢构件堆放场地施工时将对结构进行验算，必要时进行支顶。堆放场地及构件车辆行驶路线如下图：

2）拱架结构的焊缝，基本上取消了施工人员钻入里面窄小空间

3）由于焊缝全部在外表面施焊可以最大限度的使用弧形跟踪自根据结构特点及加工、安装方案，拱架以分段形式运输进场。运输过程中必须重视成品保护，合理选择垫点，防止构件运输装卸过程中发生变形。构件的运输应考虑构件分段的外形几何尺寸，必要时加钢构件运抵现场后，应视现场条件分类码放。构件下的垫木位置应整齐划一，位置合理。堆放场地应当平整坚实。对钢构件堆放区的结构要进行结构承载力分析，必要时对其进行支顶，以满足结构承载设置在一层顶板塔式行走轨道之间，构件运输车辆行驶在一层底板，

图11—18构件堆放场地及构件车辆行驶路线

二、钢结构安装前的准备工作

钢构件进场后，现场施工质检员组织对构件自检验收。验收内容应包括：构件的质量保证资料是否齐全；构件的外形几何尺寸是否与图纸相符；误差是否超标；是否与要求发货数量相符。自检通过后报请监理审验、批准，方可进入安装工序。

2．确定测量控制网与控制点

钢结构测量控制点基于土建单位建筑物控制网而设置。***屋顶是通过弧线绕屋顶最高点下92m处的一条直线旋转而成，这种旋转以。

6的间距进行以确定主檩的位置。故测量前要在CAD中建立体模型DB41／T 1188-2016标准下载，将每个钢构件相对于不可见轴的三维坐标转化为相对可见轴的三维坐标。立体模型如下图：

拱段的截面顶宽度和截面的底宽度，随拱段的空间位置的不同而不发生变化，故拱段上的控制点设置在拱上下截面的中线位置；主檩及次檩的控制点设置在端部节点处，测量控制点如下图：

图11—20测量控制点的布置

测量前用一层顶板中线取代不可见轴，做出拱段及主檩相对可见轴的三维坐标。控制剖面如下图：

温州绕城高速公路北线二期工程--两阶段施工图设计 第一分册(1／2)（浙江省交规院2013年12月pdf版）.pdf图11—21测量控制轴的立面关系

构件进场检验合格后进行构件安装顺序编号。根据构件安装顺序图中的构件编号对应加工厂的构件出厂编号，用区别于加工厂编号颜色的涂料标于明显位置。