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渤海國(guó)際專家服務(wù)中心體育館和休閑中心鋼桁架的制作與安裝技術(shù)

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)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(shè)計(jì)、預(yù)拼裝和低應(yīng)力狀態(tài)下焊接質(zhì)量控制等方法；運(yùn)用ansys計(jì)算軟件分析大跨度桁架吊裝時(shí)應(yīng)力變形及支架模型的應(yīng)力變形，確保結(jié)構(gòu)施工安全可靠
    關(guān)鍵詞：大跨度 桁架 制作 安裝

    1.工程概況
    渤海國(guó)際專家服務(wù)中心休閑中心和體育館鋼結(jié)構(gòu)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(jìn)行封閉，結(jié)構(gòu)形成一個(gè)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(wú)縫鋼管，材質(zhì)為Q345B。
    本工程的顯著特點(diǎn)：
    ①整體設(shè)計(jì)新穎。屋架整體成平滑的曲線形，屋架十字支撐構(gòu)造新穎，安裝后需保持與屋架一致的曲線形態(tài)。這就對(duì)我們制作、安裝提出了更高的精度要求。
    ②結(jié)構(gòu)跨度大，施工現(xiàn)場(chǎng)吊裝情況復(fù)雜，休閑中心最大跨度達(dá)106米，體育館跨度也達(dá)到85米，現(xiàn)場(chǎng)吊裝難度非常之大，這也是此工程的最大一難點(diǎn)。
    ③施工標(biāo)準(zhǔn)高、焊接難度大。標(biāo)準(zhǔn)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(shù)效果，不僅要求各桿件下料長(zhǎng)度偏差小，而且桿件接頭處曲面應(yīng)嚴(yán)絲合縫，全是相貫接口，因此焊接又是此工程的又一難點(diǎn)。

    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(gè)方面予以控制：
    2.1詳圖設(shè)計(jì)
    根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的外形尺寸、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和桿件表，使用 X-steel鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件和Autocad 計(jì)算機(jī)繪圖程序，對(duì)桁架進(jìn)行了合理分割以及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。將整個(gè)主體結(jié)構(gòu)分解成各個(gè)單獨(dú)的桿件和單元件，并分別進(jìn)行繪制。施工詳圖設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：節(jié)點(diǎn)拼裝總圖、節(jié)點(diǎn)拼裝順序圖、桿件圖、節(jié)點(diǎn)圖及材料明細(xì)表等。
    2.2下料切割
    本工程屋面主體結(jié)構(gòu)部分為鋼管，且構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處的桿件均為相貫連接節(jié)點(diǎn)，所以鋼管的相貫線切割是本工程的一個(gè)重部分，根據(jù)工期要求及切割工藝的要求，采用2臺(tái)先進(jìn)數(shù)控管子馬鞍形切割機(jī)，該設(shè)備具有切斷與開坡口一次完成的全自動(dòng)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(duì)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(gòu)件拼裝
    編制拼裝作業(yè)指導(dǎo)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(shí)剛性胎架，以坐標(biāo)點(diǎn)為轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)進(jìn)行放線及靠模定位；用正式連接板進(jìn)行構(gòu)件連接固定。檢查項(xiàng)目包括：軸線偏差、接口的間隙與錯(cuò)邊量、桿件的長(zhǎng)度、側(cè)彎與翹曲、牛腿的長(zhǎng)度與角度、拼裝單元的長(zhǎng)度等。

    2.4 焊接
    ①焊接順序： 對(duì)上下弦桿按立焊->平焊->仰焊的順序進(jìn)行；對(duì)上下弦桿與腹桿的接口依據(jù)測(cè)量結(jié)果安排焊接次序，通常先進(jìn)行腹桿與下弦的焊接，再進(jìn)行腹桿與上弦的焊接，并跟蹤測(cè)量，以便通過(guò)調(diào)整焊接順序控制變形。
    ②焊縫坡口主要形式
    對(duì)于管管相貫焊縫，當(dāng)支管與主管夾角α在55°~125°時(shí)，為全熔透焊縫，選用單邊V型坡口，當(dāng)支管與主管夾角α<55°或α>125°時(shí)，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(píng)定結(jié)果對(duì)不同焊縫進(jìn)行遠(yuǎn)程電流調(diào)節(jié)，采用對(duì)稱焊、多層多焊道和分段退焊工藝，減少焊接應(yīng)力和變形；采取連續(xù)焊、預(yù)熱、焊后石棉布包裹等措施，控制延遲裂紋的產(chǎn)生；對(duì)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(jìn)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(gè)難點(diǎn)，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(zhǎng)度、寬度都非常之大，且現(xiàn)場(chǎng)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(gòu)的特殊性以及現(xiàn)場(chǎng)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(gòu)的實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，采用了分段吊裝，現(xiàn)場(chǎng)拼裝的方案來(lái)完成整個(gè)屋蓋的現(xiàn)場(chǎng)安裝。現(xiàn)就以休閑中心為例闡述安裝過(guò)程。
    3.1 模型計(jì)算
    ①由于此結(jié)構(gòu)復(fù)雜，跨度大，構(gòu)件吊裝過(guò)程中容易產(chǎn)生變形。為了保證安裝精度控制變形，運(yùn)用ansys計(jì)算軟件模擬吊裝，分別從起吊狀態(tài)、安裝過(guò)程中、就位狀態(tài)計(jì)算模型，計(jì)算桁架應(yīng)力、豎向變形，外變形及構(gòu)件穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)力比，從而分析構(gòu)件的應(yīng)力及變形，以確定桁架最合理的分段位置以及臨時(shí)安裝支承胎架的位置。

    ②此工程現(xiàn)場(chǎng)條件有限，工期緊，各專業(yè)交叉施工，不能大面積搭設(shè)腳手架，在保證桁架分段位置受力的同時(shí)，還得考慮吊機(jī)的行走路線、不影響其他專業(yè)的施工，故將臨時(shí)支承胎架簡(jiǎn)化為一根24m高懸臂格構(gòu)柱，橫截面邊長(zhǎng)為1500mm×1500mm。
    通過(guò)計(jì)算：胎架變形、強(qiáng)度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，可以滿足安裝過(guò)程需要。

    3.2 安裝過(guò)程
    ①現(xiàn)場(chǎng)桁架拼裝:
    桁架為平面桁架結(jié)構(gòu)，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(chǎng)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(shè)立胎架立柱支撐。胎架經(jīng)過(guò)驗(yàn)收合格后才可用于拼裝屋架。首先用吊車把構(gòu)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(guò)允許范圍時(shí)，允許加熱矯正桿件，但加熱溫度嚴(yán)禁超過(guò)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(shí)嚴(yán)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)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(jì)算的應(yīng)力變形要求，嚴(yán)格控制桁架吊裝的吊點(diǎn)，以減小變形。桁架跨度小于或等于 18m時(shí)，綁扎兩點(diǎn)即可；大于 18m時(shí)需綁扎四點(diǎn)以上。最長(zhǎng)桁架長(zhǎng)度約 60m，布置4個(gè)吊點(diǎn)，吊點(diǎn)間距 8m 左右，吊鉤中心對(duì)準(zhǔn)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(tái)手動(dòng)葫蘆分別獨(dú)立牽引弦桿件節(jié)點(diǎn)，待桁架從地面吊起后緩慢調(diào)整倒鏈長(zhǎng)度，使桁架升高或降低，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)萬(wàn)向鉸支座與基礎(chǔ)連接，在分段吊裝過(guò)程中，就需要在臨時(shí)安裝支承胎架用型鋼制作一個(gè)假支座來(lái)臨時(shí)固定分段桁架，待整體吊裝完畢后再拆除臨時(shí)安裝支承胎架上的假支座。就位過(guò)程中，采用2臺(tái)全程跟蹤，利用建立好的測(cè)量控制網(wǎng)，來(lái)對(duì)桁架進(jìn)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(shè)置好的假支座上，同時(shí)采用全站儀對(duì)桁架精校，校好后將桁架焊牢在假支座上，對(duì)接口用連接板螺栓固定，并對(duì)桁架采用纜風(fēng)繩以保證穩(wěn)固。

    3.3 構(gòu)件焊接的技術(shù)要點(diǎn)
    ①所有構(gòu)件根據(jù)吊機(jī)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(shí)分次焊接也能減少焊接產(chǎn)生的應(yīng)力。
    ②鋼管之間的對(duì)接焊縫要求在鋼管內(nèi)部加襯管以保證焊接熔透。
    ③嚴(yán)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(guò)大的應(yīng)力集中，對(duì)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(duì)于桁架的腹桿，采取交叉焊接法。
    ④構(gòu)件制作完成后，應(yīng)采取措施消除焊接殘余應(yīng)力和控制焊接變形，對(duì)于本工程，可采用措施建議如下：
    a、焊后熱處理消除應(yīng)力，加熱采用電加熱器，石棉保溫。建議最高溫度不能超過(guò)650度。
    b、高頻震動(dòng)消除應(yīng)力，本工程中主要為管管相貫的環(huán)焊縫。焊接時(shí)，環(huán)焊縫焊接時(shí)預(yù)熱，每焊一層后,用風(fēng)鎬或者小錘敲擊焊縫，釋放應(yīng)力。
    3.4 卸載
    為了確保鋼結(jié)構(gòu)逐漸受力，在整個(gè)結(jié)構(gòu)完成后即進(jìn)行同步卸載。卸載的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)的安全受力，同時(shí)在臨時(shí)支架上無(wú)局部超載，以確保其安全，根據(jù)主次桁架控制點(diǎn)（即主桁架的分段點(diǎn)）卸載前后位移計(jì)算結(jié)果，將卸載過(guò)程定為位移控制，并遵循“多級(jí)進(jìn)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(diǎn)卸載分三階段15輪次進(jìn)行。卸載方法采用各支承點(diǎn)逐漸割除法，即用千斤頂將支承點(diǎn)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(yǔ)
    大跨度雙向斜交平面桁架拱結(jié)構(gòu)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(gòu)普遍運(yùn)用到大型的公共建筑中，并深受歡迎；同時(shí)也給我們施工單位帶來(lái)機(jī)遇和挑戰(zhàn)，在今后此類工程施工過(guò)程中，如何制定最優(yōu)化最合理的方案，對(duì)確保施工精度及結(jié)構(gòu)安全，至關(guān)重要。

    參考文獻(xiàn)
    1.余厚極 簡(jiǎn)明結(jié)構(gòu)吊裝手冊(cè)[M]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社
    2.建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程JGJ81-2002 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社
    3.鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范 GB50205-2001 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社
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