空間懸挑鋼桁架的制作與安裝

□文/張 軍 梁書新

□梁書新/天津三建建筑工程有限公司。

空間懸挑鋼桁架的制作與安裝

□文/張 軍 梁書新

文章以實(shí)際工程為例，介紹了空間懸挑鋼桁架的制作、安裝工藝，強(qiáng)調(diào)鋼結(jié)構(gòu)工程施工單位和設(shè)計(jì)單位相結(jié)合的重要性。

鋼桁架；懸臂段；栓焊結(jié)合；倒立預(yù)拼；空間懸挑

1 工程概況

天津東麗湖滑水會(huì)所的重要部分是在混凝土筒體標(biāo)高22.830m處的平臺(tái)上安裝一個(gè)半橢圓的球體，建筑外觀優(yōu)美宛如海上的日出。橢圓球體的承重平臺(tái)為懸挑的空間鋼桁架結(jié)構(gòu)，桁架上澆筑120mm厚混凝土板。平面形狀呈扇形，見圖1和圖2。

鋼桁架有5榀主桁架，8榀次桁架。主次桁架斜交，栓焊結(jié)合的剛性連接，見圖3。

桁架的上弦桿為直桿，采用H型鋼，截面外形尺寸不變。下弦桿為折線桿件。同樣采用H型鋼，截面外形尺寸不變。斜腹桿采用雙槽鋼通過節(jié)點(diǎn)板與上下弦桿焊接連接。直腹桿除了與下部鋼骨柱對(duì)應(yīng)處采用H型鋼與上下弦桿熔透的焊縫連接外，其余采用雙槽鋼通過節(jié)點(diǎn)板與上下弦桿焊接連接。

5榀主桁架中HJ1、HJ3的下弦與H型鋼直腹桿對(duì)應(yīng)處有3根，2根短柱與下部的鋼骨柱連接，HJ2的下弦外側(cè)有1根鋼柱與下部的鋼骨柱連接，HJ2的上下弦分別和HJ1的上下弦現(xiàn)場(chǎng)焊接連接。

主桁架最大長(zhǎng)度為32.48m，最大高度為3.3m，單榀桁架最大質(zhì)量為23.5t，懸挑最大長(zhǎng)度為18.80m，縱向次桁架（HJ4～HJ10）和主桁架采用貫通式連接，最大的懸挑長(zhǎng)度為7.5m，橫向次桁架（HJ11～HJ18）將縱向次桁架連接成一體，所有桁架的下弦設(shè)有支撐以保證下弦桁架平面外的穩(wěn)定性，上弦靠120mm混凝土現(xiàn)澆板來保證整體穩(wěn)定性。整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)形成體系后，除承受鋼結(jié)構(gòu)本身自重和混凝土板重量外，懸挑邊緣的每點(diǎn)設(shè)計(jì)荷載為10t，共21個(gè)點(diǎn)。

2 工程難點(diǎn)與特點(diǎn)

1）由于鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系為空間桁架斜交而成并且懸挑桁架都為變截面，按設(shè)計(jì)要求主桁架的上下弦?guī)в袘冶鄱闻c次桁架現(xiàn)場(chǎng)組裝，在加工制作時(shí)每個(gè)小懸臂段與主桁架的弦桿都為空間角度，按理論計(jì)算懸臂段與主桁架弦桿制作誤差為0.3°（即2mm）時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)安裝后的懸挑次桁架就會(huì)偏移軸線48mm，所以下料、組對(duì)、焊接等工序要求非常嚴(yán)格，加工精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的要求。

2）整個(gè)鋼平臺(tái)通過5榀主桁架支承在混凝土筒內(nèi)的10根鋼骨柱上，5榀主桁架安裝時(shí)，下弦的10根短柱要與混凝土筒體中10根鋼骨柱進(jìn)行對(duì)接，對(duì)接錯(cuò)位不能超過2mm，難度很大。因?yàn)樵诎惭b鋼骨柱時(shí),單柱校正后只能用纜繩固定，然后施焊澆筑混凝土，現(xiàn)混凝土已澆筑完畢肯定存在誤差，即使5榀主桁架下弦的鋼柱平面尺寸，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼骨柱的平面尺寸進(jìn)行組裝，但在實(shí)際測(cè)量時(shí)由于現(xiàn)場(chǎng)10根鋼骨柱的平面位置都存在一定的角度，即使測(cè)量誤差控制到1mm左右，在制作組對(duì)時(shí)由于焊接變形，總的積累誤差肯定超過2mm。

3）由于三面裙房已完工，只能在桁架長(zhǎng)度方向進(jìn)行吊裝，主桁架最大質(zhì)量為23.5t，分為二段，每段重為12t左右（加上焊縫及栓釘），即使采用150t的起重設(shè)備也無法吊裝。

4）主桁架上下弦桿的翼緣板和腹桿的“T”形焊縫，不等厚翼緣板對(duì)接焊縫，腹板的對(duì)接焊縫，腹桿的節(jié)點(diǎn)板與弦桿的對(duì)接焊縫都要求為全熔透的二級(jí)焊縫并要求進(jìn)行100%探傷，工程量很大。尤其是現(xiàn)場(chǎng)中HJ1和HJ2的連接焊縫，節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，操作空間小，而連接節(jié)點(diǎn)非常重要，施工難度很大。

3 鋼桁架的制作加工

由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及特殊性，在桁架的制作準(zhǔn)備階段對(duì)圖紙進(jìn)行了全面細(xì)致的研究，對(duì)圖紙中部分問題及現(xiàn)場(chǎng)的工作條件與設(shè)計(jì)院進(jìn)行了協(xié)商，在保證結(jié)構(gòu)足夠承載力的前提下進(jìn)行了修改和調(diào)整。

1）首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)起重設(shè)備合理劃分主桁架的制作單元，由于裙房已完工，根據(jù)現(xiàn)有的天津市最大噸位的塔吊西德290的起重量，將HJ1、HJ3分成3個(gè)制作單元，在塔吊的回轉(zhuǎn)半徑I=37m時(shí)起重量為8t，I=30m時(shí)起重量為9t，I=17m時(shí)起重量為12t。

2）5榀主桁架下弦10根鋼柱與下部混凝土筒體中的鋼骨柱的連接措施。在筒體中10根鋼骨柱的柱頭焊一塊具有Z向拉力的鋼板，鋼板比鋼骨柱的截面尺寸大20mm，鋼骨柱與鋼板采用全熔透的一級(jí)焊縫連接，見圖4。經(jīng)復(fù)核上下鋼柱錯(cuò)邊5mm以內(nèi)，不影響結(jié)構(gòu)受力，實(shí)踐證明安裝的偏差都在4～5mm。

3）加工方案的確定。由于主次桁架斜交且都為變截面，下弦為折線，鋼桁架的制作方案尤為重要，直接關(guān)系到加工質(zhì)量的控制并對(duì)桁架的安裝起到?jīng)Q定性的影響。采用“倒立預(yù)拼裝組對(duì)方法”確保了整體結(jié)構(gòu)的制作精度并使安裝順利進(jìn)行。

具體方案是：首先根據(jù)圖紙制作出各榀整體桁架，桁架交點(diǎn)處次桁架預(yù)留10mm的余量；然后在工廠搭建一個(gè)35m×25m鋼平臺(tái)，在鋼平臺(tái)上按1∶1比例放出整個(gè)結(jié)構(gòu)的平面布置圖，勾畫出上弦桿及節(jié)點(diǎn)板的輪廓線，用槽鋼制作各榀桁架的起拱高度，見圖5；按現(xiàn)場(chǎng)的安裝順序先立主桁架（HJ3、HJ1、HJ2），后立次桁架；將桁架倒立在平臺(tái)上，按平臺(tái)上的大樣線進(jìn)行主次桁架的連接，待整個(gè)結(jié)構(gòu)組立后，主次桁架之間、次桁架之間按圖紙要求將節(jié)點(diǎn)處用氣割斷開，拆成單個(gè)構(gòu)件，這樣就保證了主桁架及次桁架上懸臂段的段組裝精度。

4）加工制作工藝流程。根據(jù)平面布置圖放樣確定每榀桁架長(zhǎng)度及桁架相交的角度→桁架放樣→制作桁架上下弦桿→制作腹桿→桁架的組立→桁架的焊接→主次桁架預(yù)拼組裝→拆成單榀構(gòu)件→懸壁段的焊接→主桁架的制孔分段→噴砂除銹→涂裝編號(hào)→送現(xiàn)場(chǎng)。

5）加工過程中的技術(shù)措施。每榀桁架按1∶1的比例放樣制作，大樣尺寸反復(fù)校核無誤后方可制作樣板及樣桿，制作樣板用1mm厚的鐵板制作，嚴(yán)禁變形。

HJ1、HJ2的連接節(jié)點(diǎn)處必須采用整體節(jié)點(diǎn)制作，節(jié)點(diǎn)板的長(zhǎng)度方向應(yīng)與鋼板的長(zhǎng)度方向一致并在弦桿的腹板上設(shè)置易于現(xiàn)場(chǎng)操作的臨時(shí)定位板。

整榀主桁架制作完后，根據(jù)圖紙確定分段位置，采用鉆模成孔，然后進(jìn)行切割分段。

桁架焊接以盡量避免焊接變形為原則，從中間到兩側(cè)同時(shí)同步進(jìn)行焊接并隨時(shí)用樣板檢驗(yàn)，隨時(shí)調(diào)整弦桿，焊接采用自動(dòng)焊，接頭及主次桁架上的懸壁段采用CO2氣體保護(hù)焊，腹桿（槽鋼）與節(jié)點(diǎn)板焊接采用手工電弧焊。

6）對(duì)焊接變形的處理采用“火焰加熱矯正法”進(jìn)行。必須是單個(gè)零件矯正后才能進(jìn)行構(gòu)件的組裝焊接，矯正時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制加熱溫度不得超過800℃，加熱的溫度控制采用觀察法，加熱部位表面發(fā)藍(lán)即可。

4 鋼桁架的安裝施工

采用“主桁架分段吊裝，次桁架依次安裝就位，分部形成單元受力體系，空中拼接懸挑部分桁架下設(shè)承重支撐胎架”的安裝方法。

1）在距地面19.53m處搭建一個(gè)高空組裝承重平臺(tái)，以H軸為中心先放出中筒中桁架的定位線，安裝中筒部分的分段桁架，即先安裝HJ3再安裝HJ1，最后安裝HJ2，主桁架安裝完畢再依次安裝中間部分的次桁架，即HJ11、HJ10、HJ9、HJ8，安裝就位經(jīng)測(cè)量合格后進(jìn)行焊接，使之成受力體系，作為安裝其余懸挑桁架的根基。

2）因桁架組裝的需要，懸挑桁架下設(shè)支撐胎架，支撐胎架采用承重的腳手架，供桁架支撐及施工操作用。安裝時(shí)同樣以H軸為中心，先安裝HJ3再安裝HJ1、HJ2最后安裝次桁架，安裝時(shí)應(yīng)先栓后焊。

3）由于桁架分段安裝，應(yīng)及時(shí)調(diào)整分段桁架軸線、標(biāo)高及垂直度，桁架軸線調(diào)整采用左右絲螺桿，其標(biāo)高調(diào)整采用分段桁架下設(shè)支撐胎架上的千斤頂進(jìn)行調(diào)節(jié)，另在桁架上弦兩端拉倒鏈及手扳葫蘆，以調(diào)整桁架的垂直度，其調(diào)整順序是先軸線，后垂直度，最后調(diào)整標(biāo)高。

4）焊接變形的措施。從中間往四周進(jìn)行焊接，先焊主桁架后焊次桁架。焊接工藝有對(duì)稱施焊、多層多道焊、分段跳焊。

5）測(cè)量控制技術(shù)。為使整個(gè)施工過程中的誤差處于受控狀態(tài)，采用了全過程定點(diǎn)跟蹤測(cè)量方法，對(duì)分段桁架進(jìn)行定位測(cè)量，對(duì)接測(cè)量，桁架成型測(cè)量，焊接前測(cè)量，焊接后測(cè)量，拆除承重腳手架前后測(cè)量，對(duì)一天當(dāng)中溫度變化對(duì)構(gòu)件影響的測(cè)量并且對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)置了230點(diǎn)進(jìn)行受力前后的應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)繪成示意圖，將結(jié)果分析之后及時(shí)提交給施工人員，以便及時(shí)有效地控制軸線、標(biāo)高、垂直度的偏差。

5 結(jié)語

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛度大、受力復(fù)雜、施工難度大的重要鋼結(jié)構(gòu)工程，施工前進(jìn)行設(shè)計(jì)追蹤，充分消化理解設(shè)計(jì)意圖，合理劃分施工單元，協(xié)助設(shè)計(jì)院完善圖紙是施工能順利完成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在選擇施工方案時(shí)必須認(rèn)識(shí)到施工工況是大型鋼結(jié)構(gòu)施工中最不利的工況之一，加工和安裝是有機(jī)的統(tǒng)一體，對(duì)于節(jié)點(diǎn)復(fù)雜施工精度高的鋼結(jié)構(gòu)工程，采用“預(yù)拼裝組對(duì)方法”是值得借鑒和推廣的，在安裝過程中采用“分段吊裝，分部形成單元受力體”的方法，確保了施工安全和工程的順利進(jìn)行。

TU745

C

1008-3197（2011）03-12-02

2011-03-22

張 軍/男，1959年出生，高級(jí)工程師，天津三建建筑工程有限公司，從事施工技術(shù)管理工作。

□梁書新/天津三建建筑工程有限公司。