大型分叉柱与复杂曲面网架逆作法安装施工工法技术领域
本发明涉及建筑施工领域，尤其是一种大型分叉柱与复杂曲面网架逆作法安装施工工法。
背景技术
目前在国内外的航站楼、体育场馆、会展中心、车站等大跨度建筑结构中，屋面结构采用复杂曲面网架的非常多，其下部支承结构通常采用框架柱(钢柱或钢筋混凝土柱以及型钢混凝土柱)，近年来出现的分叉柱由于具有美观、结构受力合理等优点，越来越受到建筑师和结构师的青睐。对于由大型分叉柱支承的复杂曲面网架结构，通常的施工安装一般是先安装分叉柱，之后搭满堂脚手架安装曲面网架。这种安装方法具有施工周期长，满堂脚手架费用高等缺点。另外，当分叉柱顶部的节点采用向心轴节点时，采用常规安装方法不易保证向心轴节点的准确定位，对结构的受力可能产生不利影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对传统曲面网架施工的施工周期长、费用高及结构安全问题等特点研究开发的一种施工周期短、费用低及安全性高的大型分叉柱与复杂曲面网架逆作法安装施工工法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大型分叉柱与复杂曲面网架逆作法安装施工工法，包括一个单位曲面段的施工及各个安装区段的交叉施工，施工前采用有限元分析软件Midas对整个施工过程进行全过程仿真分析，通过分析优化施工方案，并且对施工过程分析中的应力较大杆件进行加强或替换；
一个单位曲面段的施工流程如下：
a.首先完成下部框架结构安装；钢柱安装：吊装前首先确定构件吊点位置，确定绑扎方法，吊装时做好防护措施，钢柱起吊后，当柱脚距地脚螺栓约30～40cm时扶正，使柱脚的安装孔对准螺栓，缓慢落钩就位，经过初校待垂直偏差在20cm内，拧紧螺栓，临时固定即可脱钩；钢梁吊装：钢梁吊装在柱子复核完成后进行，钢梁吊装时采用两点对称绑扎起吊就位安装，钢梁起吊后距柱基准面100cm时徐徐慢就位，待钢梁吊装就位后进行对接调整校正，然后固定连接，钢梁吊装时随吊随用经纬仪校正，有偏差随时纠正；
b.在下部框架结构施工完成基础上，先进行钢柱及分叉柱先装段的安装，与此同时，临时格构柱也进行安装；
c.之后进行曲面网架的安装，可采用“基准块”方法，即在地面将曲面网架的一部分拼装成基准块，其大小可根据吊机的吊装能力确定，基准块地面拼装后吊至高空就位于临时格构柱，以基准块为基础，往两侧采用高空散拼法拼装其余曲面网架，直至该区段安装完毕；
d.与向心轴节点连接的焊接球及连接耳板在曲面网架安装时高空就位分叉柱后装段的安装；
e.分叉柱安装之后进行临时格构柱的卸载；
各安装区段的交叉施工流程如下：
a.下部框架结构安装；
b.区段1：钢柱、分叉柱先装段的安装；临时格构柱的安装；
c.同时进行：区段1：曲面网架的安装其中又含曲面网架基准块的安装以及之后的向横向两侧进行高空安装、与向心轴节点连接的焊接球及连接耳板安装等；区段2：钢柱、分叉柱先装段的安装；临时格构柱的安装；
d.同时进行：区段1：分叉柱后装段的安装；区段2：曲面网架的安装；
区段3：钢柱、分叉柱先装段的安装；临时格构柱的安装；
e.同时进行区段1：临时格构柱的拆除；区段2：分叉柱后装段的安装；区段3：曲面网架的安装；区段4：钢柱、分叉柱先装段的安装；临时格构柱的安装；
f.同时进行：区段2：临时格构柱的拆除；区段3：分叉柱后装段的安装；区段4：曲面网架的安装；区段5：钢柱、分叉柱先装段的安装；临时格构柱的安装；
g.同时进行：所有区段曲面网架及分叉柱安装并卸载完毕；
进一步地，所述的大型分叉柱的分叉柱先装段和分叉柱后装段大多数采用焊接箱型截面及大直径焊接圆管。
进一步地，所述的曲面网架杆件加工制作流程如下：材料检验→钢管、封板下料、锥头坯料锻造→机械坡口、机械加工→拼装→自动焊接→喷砂除锈→涂装→包装、标识→出厂。
更进一步地，所述的焊接球加工制作：原材料检验→圆钢板下料→尺寸检查→热压成型→切边及坡口铣边处理→肋板开孔及坡口处理→两半球对装焊缝→焊缝探伤→涂装→包装、标识→出厂。
本发明的有益效果是，本发明的一种大型分叉柱与复杂曲面网架逆作法安装施工工法适用于屋面采用复杂曲面网架，曲面网架下部采用大型分叉柱的空间钢结构，实现了曲面网架、分叉柱、临时支撑立体交叉进行，并结合计算机仿真分析、施工全过程应力及位移现场监测以确保施工安全的综合技术，此工法在国内尚为首创，有着广阔的应用前景，社会和经济效益显著。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明中安装第一步的结构示意图。
图2是本发明中安装第二步的结构示意图。
图3是本发明中安装第三步的结构示意图。
图4是本发明中安装第四步的结构示意图。
图5是本发明中安装第五步的结构示意图。
图6是本发明中焊接球及连接耳板的结构示意图。
图7是本发明中临时格构柱的结构示意图。
图8是本发明中分叉柱后装段的结构示意图。
图9是本发明中分叉柱的制作流程图。
图中1.下部框架结构，2.钢柱，3.分叉柱先装段，4.分叉柱后装段，5.曲面网架，6.临时格构柱，7.焊接球，8.连接耳板，9.向心轴节点轴承孔，10.分叉柱后装段杆件。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
一种大型分叉柱与复杂曲面网架逆作法安装施工工法，包括一个单位曲面段的施工及各个安装区段的交叉施工，施工前采用有限元分析软件Midas对整个施工过程进行全过程仿真分析，通过分析优化施工方案，并且对施工过程分析中的应力较大杆件进行加强或替换；
一个单位曲面段的施工流程如下：
a.如图1所示，首先完成下部框架结构1安装；钢柱2安装：吊装前首先确定构件吊点位置，确定绑扎方法，吊装时做好防护措施，钢柱2起吊后，当柱脚距地脚螺栓约30～40cm时扶正，使柱脚的安装孔对准螺栓，缓慢落钩就位，经过初校待垂直偏差在20cm内，拧紧螺栓，临时固定即可脱钩；钢梁吊装：钢梁吊装在柱子复核完成后进行，钢梁吊装时采用两点对称绑扎起吊就位安装，钢梁起吊后距柱基准面100cm时徐徐慢就位，待钢梁吊装就位后进行对接调整校正，然后固定连接，钢梁吊装时随吊随用经纬仪校正，有偏差随时纠正；
b.如图2所示，在下部框架结构1施工完成基础上，先进行钢柱2及分叉柱先装段3的安装，分叉柱先装段3采用150t汽车吊，由于分叉柱先装段3为直柱，其安装方法与其它钢柱2类似。吊装时钢丝绳绑用卡环固定在吊耳上，起吊时保证卡环方向，以保证受力安全。起重机边回转边起钩，使分叉柱先装段3绕柱脚旋转而直立，回转吊臂，使钢柱2头大致垂直后让其到达安装位置且距下节柱柱顶约30-40cm时，工作人员手扶钢柱2使其竖直，使钢柱2缓慢落钩就位。在起重机不脱钩的情况下，将四面线对准下部框架结构1柱四面轴线，如有偏差则调整，起重机缓慢降落，经过初校待垂直偏差在4mm内，对分叉柱先装段3进行固定。需要注意的是，分叉柱先装段3顶部的四叉铸钢件(用于与分叉柱后装段4焊接)需提前与分叉柱先装段3焊接，并随分叉柱先装段3一起吊装。
与此同时，临时格构柱6也进行安装，临时格构柱6采用标准节进行组装，以加快支撑架的安装/卸载进度，且提高临时格构柱6的周转率，降低支撑架的成本。临时格构柱6采用2.0m×2.0m×3.0m规格的组合式支撑架，其所有杆件采用角钢，杆件之间采用铰接。临时格构柱6的位置根据计算确定，确保施工全过程中曲面网架5所有杆件的强度及稳定性，并保证各节点的挠度不超过允许值。由于下部楼层标高位置的不同，支撑架支撑面标高由8.5m～26.2m不等，根据分块曲面网架5需要设置不同高度的支撑架。支撑架通过25t汽车吊安装就位，底部采用卧梁通过化学螺栓与下部框架结构1连接；
c.如图3所示，之后进行曲面网架5的吊装及空中拼装，每一个安装区段在进行曲面网架5安装时，可采用“基准块”方法，即在地面将曲面网架5的一部分拼装成基准块，其大小可根据吊机的吊装能力确定，基准块地面拼装后吊至高空就位于临时格构柱，以基准块为基础，往两侧采用高空散拼法拼装其余曲面网架5，直至该区段安装完毕；
基准块曲面网架5吊装时共分三步进行，第一次提升高度为1m，达到此高度后停止提升，观察曲面网架5是否有变形，如没有任何变形及异常情况，即可再次起吊，提升高度达到两米时，再次停止提升，将曲面网架5调整平行后，再次观察曲面网架5的变形情况，如无任何变形及异常情况，即可将曲面网架5吊装完毕，起吊观察时间每次不小于半小时。基准块就位后继续进行拼装，先在地面将曲面网架5的一个锥体单元拼装完毕，用小吨位吊车送至预定安装的位置，曲面网架5基准块上相应球的每个位置上各一个人进行固定。
d.如图4所示，与向心轴节点连接的焊接球7及连接耳板8在曲面网架5安装时高空就位分叉柱后装段4的安装；焊接球7向心轴节点连接的焊接球7随曲面网架5一起安装就位，其安装精度以及与之连接的连接耳板8角度必须保证，安装之后需复测，以保证分叉柱后装段4在后期安装时可以准确就位；分叉柱后装段4的安装精度需同时满足以下两条：1、分叉柱后装段柱的安装角度偏差：0.02度。
2、安装过程中的曲面网架5竖向挠度及杆件应力要求：曲面网架5竖向挠度与理论计算值的差异在5mm以内，杆件应力与理论计算值的差异在10Mpa以内。
分叉柱先装段3、分叉柱后装段4的制作：大型分叉柱的先装段3和分叉柱后装段4大多数采用焊接箱型截面及大直径焊接圆管(部分采用变截面圆管)。其制作流程如图9所示。
e.如图5所示，分叉柱安装之后进行临时格构柱6的卸载；本工法的临时格构柱随安装区段而增加、拆除，而不是全部支撑架同时卸载。通过设置在支撑架顶上的可调节支承装置来进行卸载，卸载前通过计算确定每个支撑点的卸载量及卸载步数，并确定每次卸载的量，然后根据卸载量加工相应数量的钢板垫片，通过千斤顶使曲面网架5落位至支座。
各安装区段的交叉施工流程如下：
a.如图1所示，下部框架结构1安装；
b.如图2所示，区段1：钢柱2、分叉柱先装段3的安装；临时格构柱6的安装；
c.如图3所示，同时进行：区段1：曲面网架5的安装其中又含曲面网架5基准块的安装以及之后的向横向两侧进行高空安装、与向心轴节点连接的焊接球7及连接耳板8安装等；区段2：钢柱2、分叉柱先装段3的安装；临时格构柱6的安装；
d.如图4所示，同时进行：区段1：分叉柱后装段4的安装；区段2：曲面网架5的安装；区段3：钢柱2、分叉柱先装段3的安装；临时格构柱6的安装；
e.如图5所示，同时进行区段1：临时格构柱6的拆除；区段2：分叉柱后装段4的安装；区段3：曲面网架5的安装；区段4：钢柱2、分叉柱先装段3的安装；临时格构柱6的安装；
f.同时进行：区段2：临时格构柱6的拆除；区段3：分叉柱后装段4的安装；区段4：曲面网架5的安装；区段5：钢柱2、分叉柱先装段3的安装；临时格构柱6的安装；
g.同时进行：所有区段曲面网架5及分叉柱安装并卸载完毕；
曲面网架5杆件加工制作流程如下：材料检验→钢管、封板下料、锥头坯料锻造→机械坡口、机械加工→拼装→自动焊接→喷砂除锈→涂装→包装、标识→出厂。
焊接球7加工制作：原材料检验→圆钢板下料→尺寸检查→热压成型→切边及坡口铣边处理→肋板开孔及坡口处理→两半球对装焊缝→焊缝探伤→涂装→包装、标识→出厂。
本发明的工艺原理：
本工法是在下部框架结构1施工完成基础上，先进行钢柱2及分叉柱先装段3的安装，与此同时，临时格构柱6也进行安装，之后进行曲面网架5的安装，可采用“基准块”方法，即在地面将曲面网架的一部分拼装成基准块，其大小可根据吊机的吊装能力确定，基准块地面拼装后吊至高空就位于临时格构柱；以基准块为基础，往两侧采用高空散拼法拼装其余曲面网架，直至该区段安装完毕。与向心轴节点连接的焊接球7及连接耳板8在曲面网架安装时高空就位。
该区段的曲面网架5安装完成后即可进行分叉柱后装段4的安装。该分叉柱后装段4之所以需要“后装”是基于如下考虑：
1.大型分叉柱的长度较大，且为斜柱，其底端为梭形(即底端接近铰接)，若先行安装，在不对其进行临时支撑的情况下，其自重将导致顶端的位移相当大，由此将大大增加安装误差；
2.若分叉柱安装时增加临时支撑，将大大增加临时支撑的数量。
分叉柱安装之后进行临时格构柱6的卸载。必须注意的是，临时格构柱6的卸载顺序必须根据整体结构的受力情况，按照仿真计算分析的结果逐步进行。
施工全过程对关键构件的应力及整体结构的变形进行监测。应力监测采用振弦式应变计及相应的数采系统，变形监测采用全站仪。监测前要登记好每个测试点安装的应变计和传感器编号，并保存好记录资料。在引出线上与测试应力计编号相对应编号，编号标志应有防水措施，以防损坏。应力和变形监测过程中，施工单位应当就施工安装进度及时与监测人员进行通报，每个施工步骤需留有足够的时间，使整个结构变形充分，并满足应力应变数据采集的要求。
应力和变形监测过程中，施工单位应当就施工安装进度及时与监测人员进行通报，每个施工步骤需留有足够的时间，使整个结构变形充分，并满足应力应变数据采集的要求，所有安装区段完成之后方可进入下一道工序(屋面板安装)。
本工法除遵照《钢结构施工安全措施》、《钢结构工程吊装安全规范》及相应安全法规外，还应采取以下措施：
1.在一切准备工作做完之后，且经过系统的、全面的检查无误后，现场安装总指挥检查并发令后，才能正式进行大型分叉柱及向心轴节点与复杂曲面网架5的立体交叉安装；
2.在整个安装过程中，注意每个施工步骤的开始/结束时间等，并认真做好记录工作；
3.在整个安装过程中，测量人员应通过测量仪器配合测量各监测点位移的准确数值，发现异常立即报告；
4.安装过程中应每天对应力测试杆件的应力状态进行监测，此外，每个施工步骤开始或结束时，应补充进行监测。应力监测数据一旦出现异常应立即报告；
5.现场无线对讲机在使用前，必须向工程指挥部申报，明确回复后方可作用。通讯工具专人保管，确保信号畅通；
6.钢结构安装施工严格遵守安全操作规程；
7.各工种人员要持证上岗，严格遵守本工种安全操作规程，施工前所有施工人员要对施工方案及工艺进行了解，并进行安全技术交底(书面)，熟悉操作过程和具体步骤；
8.施工前逐级进行安全技术交底，其交底内容针对性要强，并做好记录，并明确安全责任制。
本发明的有益效果：
(1)大型分叉柱及向心轴节点与复杂曲面网架的立体交叉安装工法能够提升我国大跨度空间钢结构的施工安装技术水平，展现我国安装施工自主创新的精神。
(2)相对于常规安装方法，采用立体交叉安装方法可以大大加快施工安装进度，降低工程造价，节约资源。其经济效益来自以下方面：
(3)本工法避免了满堂脚手架的搭设及拆除，每项工程可带来100万以上经济效益；
(4)本工法施工措施简单可靠，施工风险极小；
(5)加快施工进度。采用本工法后，每项此类工程可加快进度两个月。进度加快后所带来的直接和间接效益约有160万。考虑以上两方面因素，每项工程至少可节约260万。目前我国各地都在兴建大跨会展中心、体育场馆、航站楼、火车站等，即使每年只有十项工程采用本工法，也可获得约2600万元的经济效益。
(6)该工法可推动空间钢结构的技术进步，提高企业竞争能力，它和用传统的方法进行施工安装相比，潜在的无形资产是巨大的，经济效益和社会效益是显著的。
(7)将进一步更新国内设计人才、施工安装人才的知识结构，使他们能具备科技创新的理论知识和技能。
(8)填补我国复杂空间钢结构施工安装行业相关理论与应用的空白；是大型分叉柱复杂曲面网架结构安装的一次创新；影响较深，意义较为重大，处于国内外先进水平。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。