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渤海國際專家服務中心體育館和休閑中心鋼桁架的制作與安裝技術

作者：建筑鋼結(jié)構網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:26:20 [收藏]

    摘 要：本文介紹了大跨度鋼桁架的制作與安裝工藝，闡述詳圖設計、預拼裝和低應力狀態(tài)下焊接質(zhì)量控制等方法；運用ansys計算軟件分析大跨度桁架吊裝時應力變形及支架模型的應力變形，確保結(jié)構施工安全可靠
    關鍵詞：大跨度 桁架 制作 安裝

    1.工程概況
    渤海國際專家服務中心休閑中心和體育館鋼結(jié)構屋蓋采用雙向斜交平面桁架拱系，桁架拱采用管道相貫焊接。屋蓋桁架由平行的主桁架（XZHJ）及放射狀的次桁架（XHHJ）兩兩相交組成。屋蓋邊界處有一道環(huán)向邊桁架（XBHJ）進行封閉，結(jié)構形成一個穩(wěn)定剛體。主桁架為平面弧形桁架,上下弦桿管為φ273*7mm，腹桿為φ180*5mm，下弦桿為彎弧桿件。次桁架為平面折彎桁架,上下弦桿管為φ273*7mm，腹桿為φ180*5mm。鋼管均為無縫鋼管，材質(zhì)為Q345B。
    本工程的顯著特點：
    ①整體設計新穎。屋架整體成平滑的曲線形，屋架十字支撐構造新穎，安裝后需保持與屋架一致的曲線形態(tài)。這就對我們制作、安裝提出了更高的精度要求。
    ②結(jié)構跨度大，施工現(xiàn)場吊裝情況復雜，休閑中心最大跨度達106米，體育館跨度也達到85米，現(xiàn)場吊裝難度非常之大，這也是此工程的最大一難點。
    ③施工標準高、焊接難度大。標準高突出表現(xiàn)在桿件加工精度要求高：為了保證屋架的藝術效果，不僅要求各桿件下料長度偏差小，而且桿件接頭處曲面應嚴絲合縫，全是相貫接口，因此焊接又是此工程的又一難點。

    2 桁架制作
    為了保證整體的精度要求，桁架制作從以下幾個方面予以控制：
    2.1詳圖設計
    根據(jù)設計院提供的外形尺寸、節(jié)點坐標和桿件表，使用 X-steel鋼結(jié)構詳圖設計軟件和Autocad 計算機繪圖程序，對桁架進行了合理分割以及節(jié)點設計。將整個主體結(jié)構分解成各個單獨的桿件和單元件，并分別進行繪制。施工詳圖設計主要包括以下內(nèi)容：節(jié)點拼裝總圖、節(jié)點拼裝順序圖、桿件圖、節(jié)點圖及材料明細表等。
    2.2下料切割
    本工程屋面主體結(jié)構部分為鋼管，且構件節(jié)點處的桿件均為相貫連接節(jié)點，所以鋼管的相貫線切割是本工程的一個重部分，根據(jù)工期要求及切割工藝的要求，采用2臺先進數(shù)控管子馬鞍形切割機，該設備具有切斷與開坡口一次完成的全自動切割功能，大大提高了相貫焊縫的坡口質(zhì)量。為后期桁架組對焊接提供了保障。平面桁架組拼，需在胎具上用卡具固定
    2.3構件拼裝
    編制拼裝作業(yè)指導書。桁架全部采取平放位置拼裝，制作出與其相合攏的桁架側(cè)面樣板，檢查合攏情況。
    拼裝胎座采用臨時剛性胎架，以坐標點為轉(zhuǎn)換基準進行放線及靠模定位；用正式連接板進行構件連接固定。檢查項目包括：軸線偏差、接口的間隙與錯邊量、桿件的長度、側(cè)彎與翹曲、牛腿的長度與角度、拼裝單元的長度等。

    2.4 焊接
    ①焊接順序： 對上下弦桿按立焊->平焊->仰焊的順序進行；對上下弦桿與腹桿的接口依據(jù)測量結(jié)果安排焊接次序，通常先進行腹桿與下弦的焊接，再進行腹桿與上弦的焊接，并跟蹤測量，以便通過調(diào)整焊接順序控制變形。
    ②焊縫坡口主要形式
    對于管管相貫焊縫，當支管與主管夾角α在55°~125°時，為全熔透焊縫，選用單邊V型坡口，當支管與主管夾角α<55°或α>125°時，部分采用熔透焊縫、部分采用角焊縫，熔透焊縫坡口，狀及尺寸如圖：

    ③焊接質(zhì)量控制
    依據(jù)焊接工藝評定結(jié)果對不同焊縫進行遠程電流調(diào)節(jié)，采用對稱焊、多層多焊道和分段退焊工藝，減少焊接應力和變形；采取連續(xù)焊、預熱、焊后石棉布包裹等措施，控制延遲裂紋的產(chǎn)生；對于剛度大、板厚、焊接空間狹窄等特殊部位，選擇優(yōu)秀焊工，并在焊接工程師的監(jiān)控下進行焊接，減少不必要的返修。
    3 桁架安裝
    桁架安裝是本工程的最大一個難點，選用合理的安裝方案是此工程的重中之重。本工程屋蓋外形為弧形屋蓋,為空間大跨度曲面，屋蓋的長度、寬度都非常之大，且現(xiàn)場條件差、各專業(yè)又交叉施工，故確定合適的安裝方案將顯得格外重要。根據(jù)屋蓋結(jié)構的特殊性以及現(xiàn)場的具體施工條件并結(jié)合以往用于其它類似大型鋼結(jié)構的實際施工經(jīng)驗，采用了分段吊裝，現(xiàn)場拼裝的方案來完成整個屋蓋的現(xiàn)場安裝?，F(xiàn)就以休閑中心為例闡述安裝過程。
    3.1 模型計算
    ①由于此結(jié)構復雜，跨度大，構件吊裝過程中容易產(chǎn)生變形。為了保證安裝精度控制變形，運用ansys計算軟件模擬吊裝，分別從起吊狀態(tài)、安裝過程中、就位狀態(tài)計算模型，計算桁架應力、豎向變形，外變形及構件穩(wěn)定驗算應力比，從而分析構件的應力及變形，以確定桁架最合理的分段位置以及臨時安裝支承胎架的位置。

    ②此工程現(xiàn)場條件有限，工期緊，各專業(yè)交叉施工，不能大面積搭設腳手架，在保證桁架分段位置受力的同時，還得考慮吊機的行走路線、不影響其他專業(yè)的施工，故將臨時支承胎架簡化為一根24m高懸臂格構柱，橫截面邊長為1500mm×1500mm。
    通過計算：胎架變形、強度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，可以滿足安裝過程需要。

    3.2 安裝過程
    ①現(xiàn)場桁架拼裝:
    桁架為平面桁架結(jié)構，故采用臥式組裝，這樣可以減少胎架高度，降低焊接的難度，使焊接質(zhì)量更容易得到保證。
    在拼裝場內(nèi)，采用現(xiàn)澆砼作為地模，然后劃出桁架主管中心線在地面上的投影線，再設立胎架立柱支撐。胎架經(jīng)過驗收合格后才可用于拼裝屋架。首先用吊車把構件放在胎架上，按照桁架施工詳圖固定桿件的位置。如果桿件加工曲線偏差超過允許范圍時，允許加熱矯正桿件，但加熱溫度嚴禁超過正火溫度(900℃)；加熱矯正后的桿件需緩慢冷卻。然后施焊上下弦桿件接頭，最后拼裝腹件、上下弦間支撐。拼裝時嚴格控制尺寸，為下一步安裝提供精度保證。
    ②桁架吊裝:
    a.按照先吊裝主桁架，再吊裝聯(lián)系桁架（次桁架）的思路，每吊完2榀主桁架后立即吊裝其間的聯(lián)系桁架，使之形成一空間體系。針對現(xiàn)場復雜的施工環(huán)境，在CAD三維模型上模擬吊裝，從而確定最合理的吊車行走路線及站車位置。如圖九所示。
    b.根據(jù)上敘計算的應力變形要求，嚴格控制桁架吊裝的吊點，以減小變形。桁架跨度小于或等于 18m時，綁扎兩點即可；大于 18m時需綁扎四點以上。最長桁架長度約 60m，布置4個吊點，吊點間距 8m 左右，吊鉤中心對準屋架中心，吊索左右間距基本一致，為使各吊索受力均勻，吊索用滑輪串通。利用兩臺手動葫蘆分別獨立牽引弦桿件節(jié)點，待桁架從地面吊起后緩慢調(diào)整倒鏈長度，使桁架升高或降低，從而實現(xiàn)對桁架空中姿態(tài)的調(diào)整，便于高空就位。

    ③桁架就位:
    此工程每榀桁架采用的2個萬向鉸支座與基礎連接，在分段吊裝過程中，就需要在臨時安裝支承胎架用型鋼制作一個假支座來臨時固定分段桁架，待整體吊裝完畢后再拆除臨時安裝支承胎架上的假支座。就位過程中，采用2臺全程跟蹤，利用建立好的測量控制網(wǎng)，來對桁架進行定位和控制。桁架用汽車吊升到位后，首先采用倒鏈將桁架放置在設置好的假支座上，同時采用全站儀對桁架精校，校好后將桁架焊牢在假支座上，對接口用連接板螺栓固定，并對桁架采用纜風繩以保證穩(wěn)固。

    3.3 構件焊接的技術要點
    ①所有構件根據(jù)吊機的其中能力，盡量在地面拼裝焊接，減少高空焊接以確保焊接質(zhì)量，同時分次焊接也能減少焊接產(chǎn)生的應力。
    ②鋼管之間的對接焊縫要求在鋼管內(nèi)部加襯管以保證焊接熔透。
    ③嚴格控制焊接順序：合理的焊接順序可以減小焊接變形，避免過大的應力集中，對于桁架弦桿的焊接，根據(jù)拼裝或吊裝順序從中間往兩邊焊接，對于桁架的腹桿，采取交叉焊接法。
    ④構件制作完成后，應采取措施消除焊接殘余應力和控制焊接變形，對于本工程，可采用措施建議如下：
    a、焊后熱處理消除應力，加熱采用電加熱器，石棉保溫。建議最高溫度不能超過650度。
    b、高頻震動消除應力，本工程中主要為管管相貫的環(huán)焊縫。焊接時，環(huán)焊縫焊接時預熱，每焊一層后,用風鎬或者小錘敲擊焊縫，釋放應力。
    3.4 卸載
    為了確保鋼結(jié)構逐漸受力，在整個結(jié)構完成后即進行同步卸載。卸載的關鍵是結(jié)構的安全受力，同時在臨時支架上無局部超載，以確保其安全，根據(jù)主次桁架控制點（即主桁架的分段點）卸載前后位移計算結(jié)果，將卸載過程定為位移控制，并遵循“多級進行，自中間向兩側(cè)”的原則。最后確定主桁架下弦桿各控制點卸載分三階段15輪次進行。卸載方法采用各支承點逐漸割除法，即用千斤頂將支承點頂空，用氣割將假支座按照位移控制局部割除，直至弦桿完全脫離假支座為止。

    4 結(jié)束語
    大跨度雙向斜交平面桁架拱結(jié)構體系，大大的拓展了上部的空間，桿件分布均勻，置身其中給人以超大空間感，這種空間結(jié)構普遍運用到大型的公共建筑中，并深受歡迎；同時也給我們施工單位帶來機遇和挑戰(zhàn)，在今后此類工程施工過程中，如何制定最優(yōu)化最合理的方案，對確保施工精度及結(jié)構安全，至關重要。

    參考文獻
    1.余厚極 簡明結(jié)構吊裝手冊[M]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社
    2.建筑鋼結(jié)構焊接技術規(guī)程JGJ81-2002 北京： 中國建筑工業(yè)出版社
    3.鋼結(jié)構工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范 GB50205-2001 北京： 中國建筑工業(yè)出版社
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