大型圆竹拱–钢拱组合结构建筑施工技术

1 工程概况

宜宾市长宁县竹文化馆建筑面积1390m ² ，分为展厅、多功能厅和茶室3部分，设计以圆弧自然形态为主题，利用互相嵌套的空间组织形式，形成内部连续、流动、开放而具有趣味性的展览空间，用于当地竹文化展示并作为市民活动场所，建筑采用圆竹拱与钢拱组合成穹顶式的结构形式，以茅草为屋面，凸显当地文化特色。

文化馆展厅由6榀弧形钢拱+9榀弧形圆竹拱组合而成，最大跨度42.78m，最大高度9.8m，茶室由4榀弧形钢拱+9榀弧形圆竹竹拱组合而成，两馆均通过拱叠加围合方式形成螺旋上升式穹顶类建筑。多功能厅由4榀弧形钢拱+7榀弧形圆竹拱组合而成，通过螺旋钢环梁实现相交连接，结构形式如图1所示。

   

图1 宜宾竹文化馆结构形式示意

构成结构的圆竹拱和钢拱均为变截面拱，截面从拱脚到拱顶逐渐减小。以展厅拱截面为例，截面变化如图2所示。

   

（a）

   

（b）

图2 展厅竹拱截面变化示意

（a）圆竹拱截面底部、中部、顶部变化；（b）钢拱 截面底部、中部、顶部变化

2 圆竹拱–钢拱组合穹顶式建筑施工技术

2.1 圆竹选材与处理

（1）精选圆竹材料。选择4~6年生、5~6m长的楠竹和红竹毛料，去掉两头后单根长度3~4m。楠竹加工后将外径两头控制在90~100mm，主要用于结构构件。红竹选用外径50~60mm，主要用于装饰檩条。

（2）脱糖和纤维软化处理。采用耐热油和专用防护剂进行脱糖处理，分解掉竹子内部多糖类淀粉及可溶性糖类，并达到统一的米黄色。通过浸泡蒸煮，将化学制剂注入竹细胞内，使原竹在外力受压热弯过程中不易开裂，使竹纤维更具柔韧性和可加工性。

（3）防腐、防霉和防虫蛀工艺处理。自然晾干后，通过浸泡生物杀菌剂杀灭真菌，达到防腐防霉效果，试样变色分级1级（GB/T18261—2013《防霉剂对木材霉菌及变色菌防治效力的试验方法》）、耐腐Ⅱ级（GB/T13942.1—2009《木材耐久性能第1部分：天然耐磨性实验室试验方法》）。通过添加生物杀虫剂渗入竹子组织内部，杀灭虫卵，白蚁蛀蚀等级大于9级（GB/T18260—2015《木材防腐剂对白蚁毒效实验室试验方法》）。

（4）对圆竹进行防裂与耐光抗老化工艺处理。通过涂抹专利制剂达到抗裂效果。采用低毒、高效的紫外吸收剂与成膜物质配制备耐光抗老化涂层涂抹，使颜色稳定性提高到76%。

（5）对竹子进行调直和调弯处理。对于需要在现场加工或调弯的竹子，加工完成后在竹子两个端头涂抹防腐防霉剂。

2.2 大跨圆竹拱–钢拱组合结构施工吊装顺序

由于钢结构理论和施工技术成熟，且钢拱成型后稳定性好，可以为竹拱施工结构提供较好的支撑，因此圆竹拱–钢拱建造方案采用先施工钢拱、再施工圆竹拱的工序。

考虑到不同位置拱的空间关系及施工操作空间及避让关系，单个结构拱的施工工序遵循由低到高、由两端向中间吊装的顺序安装。以展厅和多功能厅的钢拱施工为例，其分段吊装顺序如图3所示，其中多功能厅首先施工D3L6和D3L3两拱，然后其余4段拱从4个方向同时开始施工，拱施工完成后再完成上部螺旋环梁施工。

   

（a）

   

（b）

图3钢拱吊装顺序示意

（a）展厅拱吊装顺序；（b）多功能厅拱吊装顺序

2.3 圆竹拱定位安装方法

竹拱在圆竹加工厂完成预制、预拼装及编号，运至施工现场后对圆竹的表观质量、竹拱拱高、曲率、支座定位、竹构件的几何尺寸等关键参数进行校验和复核。

对已完成的钢拱线型及标高进行测量，以实际测量为依据，矫正竹拱安装控制标高、平面位置，满足竹拱定位轴线与主体结构轴心相交，对运至现场的圆竹微调加工，同时竹拱安装前，需预先确定竹拱施工时横撑位置。

安装时采用竹拱底面作为实际测量的控制面。首先安装竹拱最底排竹拱，然后由下向上逐层、逐根进行竹拱段安装。竹拱最底排圆竹在地面完成制孔，并用M12长螺栓拼装后，吊装到对应的位置，利用圆竹和绳索相互配合，对竹拱进行定位。第二排及以上排圆竹待一排拼装完成后，先利用紧箍对每排锁紧，

然后在高空完成成排的开孔，并采用M12长螺栓固定，再进行上一排竹拱安装。待竹拱段整个截面组装完成后，进行竖向、径向开孔，并及时采用竖向螺栓固定高度。竹拱的变截面控制，通过切削最上层竹子实现竹拱截面线型连续均匀变化。

为保证竹拱面外的稳定性，多个竹拱形成后，利用预先确定的横向支撑位置，采用圆竹作为临时支撑，将竹拱进行横向连接，形成统一的整体，为各拱提供额外的侧向刚度。

2.4 圆竹拱连接构造及拱脚应力释放技术

2.4.1 拱脚内插钢管外包钢靴灌浆锚固连接

竹拱拱脚部位受力大、易造成竹竿劈裂，为此，在拱脚500mm高的部位采用内插钢管外包钢靴灌浆锚固的连接方法。基础浇筑时提前预埋带焊接钢管的预埋件，按对应位置将钢管插入竹拱的每根圆竹，通过内嵌钢管将水平剪力传给基础，然后在竹拱外侧设置外包钢靴，并灌入高强无收缩灌浆料，对竹拱拱脚进行加固。在竹拱拱脚每根圆竹上开设圆孔，保证灌浆料可填充圆竹与钢管之间的缝隙。内插钢管外包钢靴灌浆锚固连接方法，大幅提高了拱脚承载力，改善了竹拱拱脚服役环境，提高了竹结构耐久性。

2.4.2 拱脚应力释放建造技术

随着竹拱安装及屋面荷载的增加，竹拱线型会逐渐发生变化，若先浇筑竹拱拱脚混凝土，虽然可形成嵌固端约束，但会导致安装过程拱脚位置处弯矩和扭矩不断聚集和积累，对结构长期运维产生不利影响。为此，本工程调整了施工工序，待整个建筑完成后，再进行拱脚位置处灌浆连接，该措施通过放松基础约束的措施，使拱脚可出现一定转动，减少了因施工过程竹拱线型变化带来的拱脚应力聚集效应，降低了结构内力，提高了长期运用期间的安全性。

2.4.3 竹拱在钢拱上的连接构造

竹拱与钢拱连接同样采用内嵌钢管与螺杆连接的方法。内嵌钢管开设有螺栓洞口，焊接时应确保每排螺栓孔位置预留准确、整齐，然后将圆竹插入内嵌钢管，对准螺栓孔后，通过长螺栓进行横向连接，实现拉力传递，并在竹拱和钢拱接触部位进行防腐处理，通过灌浆料填充圆竹与内嵌钢管之间的缝隙，实现加强连接。

2.4.4 圆竹拱接长及合龙连接方法

圆竹接长采用内嵌圆竹竹套搭接接长的方法连接，内嵌竹外径与竹拱圆竹内径贴合。采用射钉固定，并用结构胶密封。径向连接采用M12螺杆连接，连接间距为50?cm。

竹拱合龙处仍采用内嵌圆竹与射钉固定的方法。为使合龙段两端内嵌圆竹不影响圆竹拼装合龙，且搭接长度符合要求，在合龙段圆竹加工时，圆竹一端预留的竹节外长度为10?cm，合龙口另一端圆竹预留竹节外长度不小于20?cm。合龙安装时，先将套竹用细线十字封嵌套竹下口，完全放入不小于20cm圆竹内，然后将合龙竹对准已安装竹段，抽出细线，轻轻敲打竹壁，使内镶套竹滑入并抵紧10cm竹节端，利用射钉固定，并用结构胶密封，完成安装。

2.5 钢板檩托连接装置及安装方法

展厅和茶室的结构为螺旋上升式空间结构，拱上表面与檩条安装存在线面位置冲突。另外，若采用檩托与竹拱直接连接，会导致竹拱局部承受较大的荷载，易引起局部圆竹劈裂。为此，提出钢板檩托连接装置（图4），通过钢板上焊接U形檩条托，将空间线面连接转变为点线连接，并通过钢板作为垫层分散檩托局部集中荷载，并用作连接竹拱。为了减少钻孔对竹拱承载力的不利影响，螺杆孔采用沿环向钢板檩托交错在竹拱内层和外层布置的方案。

   

图4 钢板檩托连接装置及安装

安装时，首先在地面上完成钢板制孔及钢板与檩托焊接工作。然后按竹拱上表面曲率加工装置的弯曲弧度，再分片吊装至竹拱上表面，利用交错布置的等间距孔进行竹拱径向钻孔。最后采用M12的长螺栓将钢板檩托连接装置与竹拱连接，实现檩托和竹拱的连接。

2.6 圆竹拱–钢拱组合结构整体受力建造技术

钢拱–竹拱作为组合结构，为充分保证钢拱与竹拱协调承载作用，对于叠加拱结构（展厅和茶室）中心相接部位的缝隙，采用竹条垫片或木垫片进行嵌缝处理，并用结构胶进行胶粘，以保证各拱之间实现密贴传力，如图5所示。

   

图5 采用竹木垫片嵌入竹拱和钢拱缝隙

采用环向矩管对各拱进行横向连接。在竹拱安装完成后，及时采用环向矩管将拱之间横向连接，提高拱的侧向稳定性，同时可利用环向矩管为后期幕墙安装提供节点支撑。

竹拱与环向钢管采用钢板抱箍连接，并用曲率一致的弧形钢板将抱箍与竹拱拱脚钢靴连接，起到加强作用，同时对抱箍安装起到限位作用，如图6所示。

   

图6 钢板檩托连接装置及安装

通过钢檩条将结构连为一体。檩条按三跨分段加工制作，由低到高将檩条放入C形檩托内，位置准确后，将檩托与檩条焊接。通过钢管螺旋环向连接为一个整体，起到相互支撑、共同承载和传递屋面荷载的作用，极大地提高了结构的稳定性和承载能力。

2.7 竹梢屋面系统构造及安装建造技术

竹梢屋面系统由保温层、防水层和竹梢屋面3部分构成，其细部构造从下往上分为横竖向竹片网格、竹席、保温棉、圆竹龙骨网格、胶合板、自粘沥青防水卷材、木龙骨和竹梢。

竹梢屋面的建造过程，屋面采用轻质材料，为了能够对屋面各系统进行有效固定，实现在结构生根连接，在檩条上焊接有长螺杆，檩条中间部位焊接有短螺杆。檩托位置采用长螺杆，用于固定屋面圆竹龙骨，檩条中间位置采用短螺杆，用于固定竹垫片，为竹片网格及竹席提供射钉连接基质。

为了对保温岩棉进行固定，在屋面系统设计了纵横竹龙骨系统，圆竹沿拱上曲面作为屋面系统径向主龙骨，屋面最下端外环和最上端内环，以横向主龙骨对径向主龙骨进行封闭，其余横向龙骨作为次龙骨，采用相贯切削与主龙骨连接，并采用射钉对连接部位进行固定。进一步利用龙骨作连接基质，进行保温棉和胶合板施工安装。胶合板为防水卷材铺贴提供了平整的基层，防水铺贴完成后安装木龙骨垫板，并采用枪钉和螺丝进行固定。木龙骨为环向龙骨，用于固定竹梢。最后，竹梢采用分片环向压条与木龙骨连接固定，完成屋面安装。

2.8 外包饰面竹施工

竹拱外包饰面竹，沿竹拱上表面环向每隔30cm采用文钉固定在结构竹上。对于钢拱，首先每隔30cm安装1个矩形木檩框，然后通过射钉将饰面竹与木檩条固定。饰面竹安装完成后，在外表面涂抹仿竹漆，实现竹建筑色泽一致。

3 结束语

结合实际工程对大型圆竹拱–钢拱组合穹顶式建筑施工进行了介绍，得出如下结论。

（1）采用钢拱作为竹拱中间节点支撑，形成了圆竹拱–钢拱组合式结构体系，通过横向矩管和钢檩条连接，形成结构整体受力体系，可实现圆竹建造大跨度空间建筑的需求。

（2）详细介绍了圆竹选材与处理方法、圆竹拱定位安装技术、圆竹拱连接节点构造与竹拱拱脚应力释放建造技术、钢板檩托连接装置及安装方法、圆竹拱–钢拱整体协调受力建造等技术，相关技术为圆竹应用建筑结构推广起到了积极的作用，同时也为同类结构施工提供了参考。

（3）竹梢屋面为轻质屋面，为保证屋面在风荷载等作用下不被破坏，介绍了竹梢屋面的系统构造和建造过程，实现了竹梢屋面系统在结构上的生根连接，满足了圆竹拱–钢拱组合穹顶式建筑功能性要求。