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海寧市游泳館鋼結(jié)構(gòu)桁架的深化設(shè)計、制作及安裝

作者:張可 王再勝 於國飛    
時間:2012-10-10 16:28:06 [收藏]
隨著建筑技術(shù)的發(fā)展,以及鋼結(jié)構(gòu)自重輕、適合工業(yè)化生產(chǎn)、建造周期快、綠色環(huán)保等優(yōu)點,鋼結(jié)構(gòu)越來越廣泛的應(yīng)用于各種大型、復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)中,克服了混凝土結(jié)構(gòu)的的局限性,滿足了建筑跨度大、空間大的要求,使建筑和結(jié)構(gòu)更加統(tǒng)一和諧。
    關(guān)鍵詞:

    摘    要   隨著建筑技術(shù)的發(fā)展,以及鋼結(jié)構(gòu)自重輕、適合工業(yè)化生產(chǎn)、建造周期快、綠色環(huán)保等優(yōu)點,鋼結(jié)構(gòu)越來越廣泛的應(yīng)用于各種大型、復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)中,克服了混凝土結(jié)構(gòu)的的局限性,滿足了建筑跨度大、空間大的要求,使建筑和結(jié)構(gòu)更加統(tǒng)一和諧。本文結(jié)合海寧市游泳館鋼結(jié)構(gòu)桁架工程,對大跨度空間鋼管桁架的深化設(shè)計、制作及安裝進(jìn)行了分析與介紹。

          1  工程概況
          海寧市游泳館
    是嘉興市承辦2010年第十四屆省運會游泳項目的場館,它位于海寧市體育中心東側(cè),能容納1500名觀眾同時觀看比賽,內(nèi)有25米短池10個泳道和50米標(biāo)準(zhǔn)池10個泳道,建筑面積2.39萬平方米。見圖1。
     

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    海寧市游泳館屋面采用空間桁架結(jié)構(gòu)(見圖2),主桁架跨度為61.2m,開間為7.5m,采用倒三角桁架,上弦為兩根Φ273mm×14mm,下弦為一根Φ325mm×14mm,縱向布置4道次桁架,R軸采用固定鉸支座,C軸、5軸和22軸采用彈性滑動支座,均為上弦支承,支座中心標(biāo)高為18.130m;材質(zhì)均為Q345B熱軋無縫鋼管。

          2  深化設(shè)計

    任何鋼結(jié)構(gòu)的制造和安裝都需要有一支素質(zhì)優(yōu)良的技術(shù)人員隊伍。深化設(shè)計部門是其中的核心。詳圖的質(zhì)量將直接影響到制造、采購、質(zhì)檢等部門甚至?xí)て诋a(chǎn)生重大影響。

    深化設(shè)計的主要任務(wù)是將建筑工程師和結(jié)構(gòu)工程師提出的鋼結(jié)構(gòu)施工圖進(jìn)一步繪制成制作安裝詳圖,工作內(nèi)容主要包含連接節(jié)點深化設(shè)計、車間加工圖、安裝布置圖、零件圖、材料清單、排板圖等內(nèi)容,具體可能隨項目的要求不同而有所改變。詳圖內(nèi)必須包含制造所必須的數(shù)據(jù)和說明。設(shè)計人員可通過圖紙、線條、尺寸和注釋等,標(biāo)明構(gòu)件的切割、打孔方式、螺栓、焊縫等制造要求。

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    2.1 桿件詳圖設(shè)計
         
    所有桿件均1:1建立計算機(jī)三維實體模型,確定其空間交織情況采用與設(shè)備相適應(yīng)的相貫面切割程序輸入節(jié)點編號,主管與支管編號,及其相應(yīng)的截面型號、幾何特征參數(shù)和數(shù)量等,形成計算機(jī)數(shù)據(jù)文件供車間加工制作,并編制相貫口切割后桿件長度及相貫口幾何特征值等數(shù)據(jù)表格,供質(zhì)檢部門檢驗桿件加工質(zhì)量。
    2.2 節(jié)點詳圖設(shè)計
         
    節(jié)點詳圖設(shè)計的依據(jù)是鋼結(jié)構(gòu)施工圖和現(xiàn)行國家規(guī)范;設(shè)計的原則是保證結(jié)構(gòu)安全及受力合理前提下,盡量使節(jié)點簡單化、統(tǒng)一化,以方便工廠生產(chǎn)和安裝。
          2.2.1 弦桿對接節(jié)點
          本工程主桁架跨度61.2m,受鋼管長度及運輸限制,必需對弦桿進(jìn)行對接。
    首先是根據(jù)結(jié)構(gòu)整體受力特點并結(jié)合現(xiàn)場施工吊裝方案(地面分段拼裝,屋面對接,累積滑移),確定主桁架分段位置,如圖4。
     
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    再次是根據(jù)避免焊接應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)受力合理原則,節(jié)點做法必需滿足:
          (1)直縫焊管對接時,二者對接的直焊縫應(yīng)旋轉(zhuǎn)90度或弧長≥300mm,如圖5;
          (2)鋼管對接的長度≥1000mm且≥鋼管直徑,并且在一個節(jié)間不得多次對接,如圖6;
          (3)弦桿對接節(jié)點不得設(shè)在節(jié)點處,與支管相貫焊縫錯開100mm以上,如圖7;
          (4)對接節(jié)點焊縫為一級全熔透焊縫。
     
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    本工程均采用無縫熱軋鋼管,綜合制作及施工考慮,采用如圖8做法:
     
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    2.2.2 支座節(jié)點
          本工程支座均采用上弦支承,做支座節(jié)點深化時必需考慮桿件是否與下部砼結(jié)構(gòu)是否相碰。通過建立1:1三維實體模型發(fā)現(xiàn),設(shè)置固定鉸支座R軸支座,腹桿與砼柱相碰。通過調(diào)節(jié)腹桿夾角,使腹桿錯開砼柱,如圖9。若角度調(diào)整較大,需驗算調(diào)整后的結(jié)構(gòu)安全性。
     
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    支座節(jié)點是主要受力節(jié)點,還需考慮構(gòu)件的局部穩(wěn)定合理設(shè)置肋板。本工程支座節(jié)點采用焊接球形勢,直徑為550mm,壁厚25mm。在球內(nèi)設(shè)25mm厚肋板,板的方向桁架跨度方向一致,更好的滿足結(jié)構(gòu)的傳力途徑。焊接球節(jié)點做法及桿件與焊接球連接參考了《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》,詳圖如圖10。
     
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    2.3 桁架預(yù)拱設(shè)計
          根據(jù)規(guī)范規(guī)定,并結(jié)合施工經(jīng)驗,本工程主桁架跨度61.2m,需要預(yù)起拱。
          2.3.1 預(yù)拱值的確定
          預(yù)拱值的確定一般有兩類:a.施工圖明確注明的起拱值要求;b.當(dāng)施工圖無明確要求時,參照規(guī)范確定起拱值。無論何種情況,預(yù)拱后其桿件變形都應(yīng)控制在彈性范圍內(nèi)。
          本工程施工圖無明確要求起拱值,根據(jù)規(guī)范確定其起拱值,取恒載標(biāo)準(zhǔn)值加1/2活載標(biāo)準(zhǔn)值所產(chǎn)生的擾度值。計算所得起拱值為132mm。
          2.3.2 預(yù)拱對桿件長度的影響
          假定桁架桿件長度為L0,預(yù)拱后桿件長度改變值為ΔL,由此可得,預(yù)拱后的桿件長度L= L0±ΔL。
          上述中已明確預(yù)拱后其桿件變形都應(yīng)控制在彈性范圍內(nèi),因此,ΔL=бL0/E,式中б/E=fy/E=310/206x105≈0,由此可得L= L0。
          這說明在深化設(shè)計中可不考慮預(yù)起拱對桿件長度的影響。

    3 加工制作
    由于鋼結(jié)構(gòu)所有鋼構(gòu)件均在工廠加工成形,因此工廠內(nèi)構(gòu)件加工工藝決定了整個工程的質(zhì)量。本工程主要質(zhì)量控制為桁架桿件的加工控制和弦桿彎曲加工控制。工藝流程如圖11。
     
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    3.1桁架桿件加工
          桁架桿件相貫口切割精度與否,直接影響工程的質(zhì)量。本工程根據(jù)深化設(shè)計提供的三維切割下料計算機(jī)數(shù)據(jù)文件,采用北京林克曼三維數(shù)控管相貫線切割機(jī)切割下料,其下料切割和剖口由計算機(jī)控制一次完成,精度誤差不大于1mm,很好的控制了桿件加工精度。
          3.2 弦桿彎曲加工
          主桁架下弦端部為弧形管,桿件在相貫面切割好后采用冷彎數(shù)控彎管機(jī)加工。該弧形為無幾何半徑的自由曲線,采用壓彎成現(xiàn)(圖12)。壓彎時應(yīng)充分考慮鋼材的屬性――變型與反變形,反變形也稱為“反彈量”,它直接影響桿件的幾何尺寸、安裝精度和內(nèi)應(yīng)力。因此,壓彎時必需根據(jù)加工經(jīng)驗和實測數(shù)據(jù)適當(dāng)加大彎曲曲率,稱之為“超彎曲”;并保證一定的壓彎時效,保證彎曲精度。鋼管壓彎時應(yīng)保證臺架的側(cè)向剛度,防止側(cè)向變形。
          彎曲后的桿件不應(yīng)有明顯凹痕、缺口以及幾何尺寸、形狀位置不符合要求。
     
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    4 桁架安裝
    根據(jù)現(xiàn)場的施工情況,游泳館內(nèi)泳池施工不允許搭設(shè)腳手架和大型施工機(jī)械進(jìn)入,而桁架屋面標(biāo)高處的砼上人屋面已經(jīng)完工,并且桁架為上弦支承,結(jié)合桁架本身結(jié)構(gòu)特點,采用地面拼裝、分段吊裝、屋面對接、整榀翻轉(zhuǎn)、累積滑移的施工方案,充分的利用了砼樓面作為施工平臺、桁架的自重作為翻轉(zhuǎn)動力、桁架支座與下弦桿的高度差作為翻轉(zhuǎn)落差,節(jié)約了施工費用、縮短了施工工期。
     
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    4.1 桁架的拼裝
          本工程采用地面拼裝。首先是在地面根據(jù)桁架幾何尺寸和預(yù)拱要求搭設(shè)拼裝胎架。胎架的搭設(shè)不僅要滿足精度要求并且應(yīng)保證足夠的剛度,防止桁架在拼接時產(chǎn)生變形。
          桁架桿件在胎架上拼裝時要實時檢測拼裝的尺寸精度,在所有桿件點焊就位后,用全站儀、鋼尺等工具復(fù)核各節(jié)點定位尺寸,確認(rèn)無誤后施焊。
          4.2 桁架的整榀對接翻轉(zhuǎn)
          桁架在地面拼裝完成后,分?jǐn)嗟跹b至砼樓面搭設(shè)的翻轉(zhuǎn)支架上;此時,桁架是水平放置在支架上,并在支架上對接成整榀桁架,如圖14,并同時在支架上安裝防止桁架滑動和移位的卡扣件;然后將桁架和翻轉(zhuǎn)支架整體滑移到事先安裝支架轉(zhuǎn)動軸的翻轉(zhuǎn)位置,位置根據(jù)桁架重心確定,使重心位于樓面邊界處,并同時桁架上弦和翻轉(zhuǎn)支架上安裝滑輪葫蘆與砼梁拉緊,整榀桁架在次桁架位置均安裝滑輪組,如圖15;各滑輪組同時同步釋放,使桁架在自重作用下翻轉(zhuǎn)65度就位,如圖16。
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    4.3 桁架的累積滑移
          在第一榀桁架翻轉(zhuǎn)就位后,將其滑移到第二個軸線處,再翻轉(zhuǎn)第二榀桁架,然后吊裝次桁架拼接,再將起整體滑移,依次重復(fù),直至全部桁架安裝完畢。
          4.3.1 滑軌的安裝
          桁架在滑移時不可避免的與滑軌產(chǎn)生摩擦力,摩擦力的大小直接決定滑移牽引力的大??;牽引力越小,滑移越容易,對桁架結(jié)構(gòu)在滑移過程中產(chǎn)生的應(yīng)力越小。在結(jié)構(gòu)自重一定的前提下,本工程通過減小摩擦系數(shù)的方式來達(dá)到摩擦力減小的目的,在桁架支座下安裝引軌道滑動平板滑輪小車,如圖18,極大的減小了摩擦力。
    另外,滑移軌道的安裝應(yīng)保證其精度,保證所有軌道在同一直線上,保證軌道在同一標(biāo)高上。
     
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    4.3.2 桁架的滑移                                   
          桁架的滑移必需保證同步進(jìn)行,防止桁架在滑移過程中產(chǎn)生應(yīng)力。先進(jìn)行500mm的試滑行,用全站儀檢測桁架幾何尺寸和定位尺寸,若發(fā)現(xiàn)有誤差時應(yīng)及時調(diào)整。在滑移的過程中,應(yīng)全程監(jiān)測滑移是否同步,同步精度應(yīng)控制在10mm以內(nèi),做到及時發(fā)現(xiàn)、及時調(diào)整。當(dāng)局部桁架滑移倒位后,應(yīng)及時安裝次桁架,保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。
          4.4 現(xiàn)場焊接工藝
          根據(jù)現(xiàn)場焊接工作量大、施工面廣的特點,采用了CO2氣體保護(hù)半自動焊和手工焊相結(jié)合的焊接方法。焊接材料按下表選擇:
     
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    現(xiàn)場焊接工作量最大的是桁架相貫節(jié)點的焊接。鋼管相貫時,支管端部的相貫線焊縫位置沿支管周邊分為A(趾部)、B(側(cè)面)和C(根部)三個區(qū)域,如圖19所示,相貫焊縫按以下原則處理:
          (1)當(dāng)支管壁厚≤6mm時,采用全周角焊縫;
          (2)當(dāng)支管壁厚>6mm時,所夾銳角≥75°時,采用全周帶坡口的全熔透焊縫;
          (3)當(dāng)支管壁厚>6mm時,所夾銳角<75°時,A、B區(qū)采用帶坡口全熔透焊縫,C區(qū)采用帶坡口部分熔透焊縫(θ<35°時,可采用角焊縫),各區(qū)相接處坡口及焊縫應(yīng)圓滑過渡;
          (4)對全熔透和部分熔透焊縫,其焊縫高度>1.07t,且<1.2t;對角焊縫,焊角尺寸為1.5t,t為支管壁厚 
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    5 結(jié)語
    大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間桁架的制作和安裝的環(huán)節(jié)非常多,本文主要介紹了結(jié)構(gòu)從深化設(shè)計、加工制作到現(xiàn)場安裝過程中的一些重要環(huán)節(jié),并分析了這些環(huán)節(jié)中的控制因素和方法等。
    參 考 文 獻(xiàn)
          [1] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范  GB50017-2003,北京:中國計劃出版社,2003
          [2] 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范  GB50205-2001,北京:中國計劃出版社,2002
          [3] 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程  JGJ7-99,中國建筑工業(yè)出版社,1991
          [4] 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程  JGJ7-2010,中國建筑工業(yè)出版社,2010
          [5] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊(上、下),北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004
          [6] 陳紹蕃. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理,第二版,北京:科學(xué)出版社,1998
          [7] 李和華. 鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設(shè)計手冊,北京:中國建筑工業(yè)出版社,1992
          作者簡介:張可(1980-),浙江中南建設(shè)集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司設(shè)計院工程師,主要從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與深化。

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