上海世博会西班牙馆空间异型钢结构施工技术

摘要：2010年上海世博会西班牙馆主体结构为空间异型钢桁架，其结构复杂新颖，竖向为空间框架结构与水平构件沿建筑立面在不同部位发生扭曲，以与空间扭转曲面相适应。在钢结构施工过程中，采用若干创新性的施工技术，首次应用管桁架半相贯节点，以及空间法兰板连接节点。本项目采用计算机仿真、模拟和监测技术，解决了管桁架半相贯节点、法兰板连接、空间异型钢桁架吊装与高空焊接以及多曲面钢管桁架监测等难题。本项目施工经验将为同类型钢结构施工提供参考依据。
关键词：异型钢结构 曲面管桁架 施工 半相贯节点
1工程概况
2010年上海世博会西班牙馆工程位于上海世博会浦东C片区C09地块，占地面积7600多平方米，为上海世博会面积最大的自建馆之一。该工程建筑高度20米， 地上 3 层（局部 4 层）。建筑包括多功能厅、展厅、餐厅、报告厅、办公区和辅助用房。
西班牙国家展馆方案是将一个空间分割成和以往的四方盒子形不同的篮子形状，建筑外立面酷似手工编织的篮子，外墙覆盖柳条。主体结构采用钢结构，竖向空间框架结构与水平构件沿建筑立面在不同部位发生扭曲，以与空间扭转曲面相适应，钢结构屋顶均采用空间钢管桁架结构体系。（图1）



2.结构特点
本工程钢结构安装的难点在于造型复杂、节点特殊、安装精度难以控制。钢框架构件大多为钢管桁架。现场钢结构安装的主要施工内容包括竖向桁架柱系统和楼面、屋面梁（桁架）系统。钢材牌号为Q345，钢管截面尺寸多样，其中弦杆截面规格有Φ200*25 mm、Φ150*10 mm和Φ200*20mm等，腹杆截面规格有Φ140×5.5mm、Φ152×5.5mm、Φ133×5.0mm和Φ159×10mm等。（图2）



为了体现“篮子”独特的建筑造型，本工程大量采用空间弯扭形态构件，曲率多变，因而构件空间线型不统一，导致结构成型过程复杂，施工工况多样。

由于建筑造型的要求，本工程外系杆与主桁架连接节点全部采用半相贯节点，半相贯节点本身在制作方面就具有一定的难度，特别是弯曲管半相贯节点更是世界级难题。同时因该馆在世博会结束后要拆除运回西班牙，为便于拆卸，边梁与桁架柱采用销轴连接，主桁架结构杆件的接长连接均采用法兰连接（图3、4）。另外无论是主结构之间，还是主次结构之间，都存在多根杆件空间汇交现象，加之次结构复杂多样、规律性少，造成主结构的节点构造相当复杂，节点类型多样，制作精度要求高，现场拼装也愈加复杂。

图3 半相贯及法兰连接节点	图4 销接节点

复杂的空间形态杆系和众多的节点构造给现场三维定位和安装精度控制提出了更高的要求。特别是空间结构对焊接变形相当敏感，而施工过程中又必须采用一定量的必要焊接，因此必须采取必要的措施减小焊接变形并通过对安装误差进行调整和消除来减少其对结构的影响。这对安装过程中的测量和监控提出了新的挑战。
3.关键施工技术
3.1特殊节点施工
3.1.1弯管半相贯节点施工
本工程外系杆（ 截面规格为Φ152*14、Φ121*8等）与主桁架杆件大部分采用半相贯节点连接。由于局部高温切割对已成型的弯曲管曲率会产生影响，对于弯曲管半相贯节点应先割后弯，还是先弯后割，目前工程界尚无成熟的经验和结论，而如果弯管半相贯切口制作方面出现精度误差，则会给现场安装带来很大的障碍。为此，在工厂进行大量模拟试验的基础上，总结出一套有针对性的弯管半相贯切口施工工艺。
首先采用本公司六维相贯面等离子-火焰管材数控切割机及其最新版的配套软件PIPE2002，进行部分偏心相贯线的切割加工，但留小部分不割除，随后进行钢管的弯曲加工，完成弯管加工后再切除剩余部分（如图5所示），最后对所有弯曲管进行弧度检测，并且对所有切口实施角度检测。联系杆件在工厂加工好后，运至现场与桁架立柱进行相贯焊接。构件出厂前，在工厂实施单榀桁架整体预拼装。试验数据及工程实际构件加工均证明这一加工工艺可以保证构件的加工精度和加工效率。

图5 弯管半相贯节点制作模拟试验

安装时采用全站仪及数字水准仪建立测量控制网，首先精确控制主立柱的安装精度，并在保证构件制作精度的基础上，达到弯管相贯口的准确性。通过这些措施最终保证现场安装的质量和精度。对于其它与立杆全相贯的联系杆件，可将联系杆件从立柱轴线处断开，将相贯切口改为普通的端口进行切割。
3.1.2法兰连接节点施工
主桁架立柱、梁均采用法兰连接，考虑到这些构件均为多曲率钢管，在详图设计时，为方便施工，将所有法兰与杆件之间均设计垂直相连形式。采用现场法兰后焊接的方法进行连接（如图6所示）。具体过程为：在杆件预拼装过程完成后，只焊接接连接节点一侧杆件端法兰，待现场构件安装就位，装好连接螺栓后，再焊接节点另一侧杆件端部法兰，这样既保证了法兰连接节点的安装精度，同时又可以方便后期的结构拆卸。

图6 后焊接法兰连接

根据钢结构特点和现场实际情况，竖向桁架柱系统的安装的主要难点在于Γ型钢管桁架柱和S型桁架柱的吊装，在进行了多种结构安装方案的比选研究后，最终确定采用大型吊机分段吊装和空间散装相结合的方法进行钢结构安装。主结构的安装从建筑物东侧开始，遵循对称同步，先吊装外框桁架柱及其之间的联系杆件，形成稳定结构单元，然后在平面上由东向西发展，竖向由下向上逐件进行的流水施工原则，以避免安装过程中发生结构失稳破坏。安装过程中须对关键技术环节进行精细控制。

Γ型桁架高度一般不超过15米，现场根据桁架悬挑长度的不同进行吊装单元的分段。对于悬挑段长度不超过6米的Γ型桁架（如图7所示）采用将两榀单片桁架及其联系杆件组成单元体整体吊装就位；对于悬挑段长度超过6米的桁架（如图8所示）采取分两段吊装就位。首先在场外拼装平台分别将分段桁架及其联系杆件拼装成竖向吊装单元体和横向吊装单元体，而后进行竖向单元体吊装，就位调整后再进行横向吊装单元体的施工。横向吊装单元体悬挑端头设置临时支撑，临时支撑需在单元体吊装前就安装好。相临两个单元体安装就位调整完成后进行单元体之间联系杆件的安装。

3.2.2 S型钢管桁架柱
展厅区S型桁架宽度近6米，高度20米，因此刚性较差，且其高度与宽度均超过运输单元尺寸限值，如采用工厂整体加工出厂的形式，会给运输造成困难，且由于桁架构件单元体密度较小，会大大增加运输的成本。因此，S型单片桁架须在工厂进行杆件切割下料，现场组装成型。为防止吊装时导致构件变形，吊装前对桁架安装进行了模拟吊装分析。按照模拟分析结果，对S形桁架分三段进行吊装，采取自下而上递进、由外向内合拢的安装次序，在下段桁架形成稳定的闭合圈后再进行上段桁架的安装。因单片桁架侧向刚度较差，用吊机翻身扶直和起吊时，为防止受力状态与设计承载力状态不同导致构件产生可能的变形和损伤，翻身扶直过程中及单片桁架吊装时需采取临时加固措施，拉设三向缆风和搭设临时支撑脚手架（如图9、10所示），各吊装单元间连接系杆采用单杆散件安装。

3.3外场桁架焊接
桁架的焊接主要包括主弦杆管与管对接焊缝、弦杆与腹杆的相贯焊接、管子与法兰的焊接及桁架柱与柱脚底板的焊接。为了保证现场焊接质量，对焊接方法的选择、焊接变形的控制均做了详细的分析和对比。
3.3.1焊接方法选择及参数设定
由于受到外场施工条件限制，高空焊接、装配间隙、风速影响（黄浦江边）等，给焊接质量带来相当大的影响，也给控制焊接变形带来很大的难度，尤其是弦杆焊接。通过焊接工艺评定试验，在各项理化指标都符合规范的情况下，采用药芯焊丝+ CO2气保护焊接方法，并设定焊接参数如下：

方法	焊丝直径（mm）	保护气体流量L/min	电流(A)	电压(V)	焊接速度(cm/min)
FCAW-G	￠1.2	25	110-130	19.2～21	8-10

3.3.2焊接变形控制
为减少因焊接造成的结构变形，焊接时先焊主弦杆管构件对接焊缝，再焊腹杆与主弦杆相贯焊缝，同一钢管构件的两条焊缝不得同时施焊。焊接时应由焊缝中间部位向两边对称跳焊，防止扭曲变形。桁架高空对接焊接时，先焊接主桁架的弦杆，内外弦杆应同时对称施焊，再施焊相贯连接的腹杆。总体焊接方向为由中间往两侧进行。对于一个节点存在有多条相贯焊缝的情况，必须待一条相贯焊缝施焊完毕且冷却后，再施焊相邻的相贯焊缝，以防止应力集中，减小焊接变形。所有焊缝均在焊接工艺评定合格后方可进行正式焊接。
3.3.3焊接检测
柱与柱脚板焊接、管与管对接、管子与法兰焊接均为一级焊缝，通过采取措施，合理的焊接工艺保证，经采用UT100%检测，均符合GB11345的要求，且焊接变形也在标准范围内。
3.4测量监控
本工程的施工安装过程是一个从局部到整体、从不完整到完整的过程，施工过程中伴有结构形态的变化，而且每个施工阶段的边界条件和荷载条件也不同。因此，钢结构安装过程中,对桁架支座定位、主桁架的测量定位、标高控制及主桁架、侧向弦杆等均制定了严格的空间定位测量措施和方案，针对结构在施工过程中受到风、温度以及各类施工因素的影响所造成的结构变形、应力变化及振动情况进行了动态监测，并采取相应的控制措施。
3.4.1计算机仿真模拟
桁架安装过程中均采用计算机进行动态吊装模拟，包括吊装现场平面模拟、多曲率钢桁架吊装分段的重心和吊点位置确定及钢桁架吊装全过程工况模拟分析。如图11 S形桁架部分仿真模拟图:




3.4.2变形控制
(1)钢结构拼装定位以及钢桁架关键构件位移、变形的监测
采用光电测距（EDM）法，通过在钢管节点上选择适当的点布置反射器，与测量用的全站仪配合使用，形成光载波通信系统，利用全站仪的红外激光探测功能，对反射器进行连续监测，测量每个反射器与全站仪的相对角度和距离，配合经纬仪、水准仪及钢尺等辅助设备，经过系统计算，确定钢管节点与定位轴线之间的误差。
(2)关键构件轴向应力监测
西班牙馆管桁架结构采用大型通用有限元程序ANSYS建立有限元模型，全面模拟了构件的非线性受力全过程，对结构进行了分析计算，并采用无线传感器来进行主要构件应力监控，通过地面接收基站可实时采集和分析数据（图12、13）。监测杆件的布置原则主要参照最不利工况荷载下最大内力的杆件，通过监测结果和有限元分析结果对比，吻合度较好，说明构件安装及卸载是稳定成功的。




4.结束语
本文详细的介绍了2010年上海世博会西班牙馆空间异型钢桁架施工中的若干关键技术，获得以下结论：
1、首次在上海世博会西班牙馆钢结构中应用半相贯节点和法兰盘连接节点，通过采用专用的工装制备、工厂预拼装技术及计算机仿真等多项技术手段，保证了节点的施工质量，达到了可控、高效、高质量、高精度的水平，满足了设计要求；
2、利用先进的计算机仿真模拟和先进的监测技术，采用大型吊机分段吊装和空间散装相结合的方法进行钢结构安装，解决了L型、S型等空间管桁架的吊装难题；
3、该项目在焊接方面通过大量的试验编制了一系列焊接工艺文件并通过焊接工艺评定，确定了合理的外场焊接方法，解决了外场条件差、江边风大的焊接问题，有效的保证了工程施工质量。