世博主題館屋面桁架加工分段技術(shù)對(duì)比分析

楊力峰

（上海寶冶集團(tuán)有限公司，上海 201101）

1 工程概況

2010年中國(guó)上海世博會(huì)主題館是世博會(huì)永久保留建筑之一，位于上海世博會(huì)B片區(qū)。主題館設(shè)計(jì)引入了“上海里弄”、“老虎窗”等地方建筑特色，屋面三角形的連續(xù)構(gòu)架令人聯(lián)想到風(fēng)箏、紙飛機(jī)、飛鳥等象征自由、美好生活的元素。

屋面主桁架分為東區(qū)和西區(qū)兩部分，主桁架的截面為正三角形，上弦和下弦的軸線標(biāo)高差為3000mm，東區(qū)主桁架共9榀，每榀總長(zhǎng)144m，由4根柱子支撐；西區(qū)主桁架共9榀，每榀總長(zhǎng)126m，兩端座在柱子上，下方為兩條通長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力拉索。另外還有5組聯(lián)系桁架連接主桁架，南北兩側(cè)還有兩組邊桁架和挑沿等附屬結(jié)構(gòu)。

主桁架和柱子的連接是通過(guò)發(fā)散的V型支撐連接，整個(gè)屋面有45組支撐，高度為3m，寬度為3m，長(zhǎng)度為6m，重量共計(jì) 130t。

2 工程特點(diǎn)分析

本工程的屋面鋼結(jié)構(gòu)屬于典型的空間大跨度管桁架，且東西兩區(qū)分別為多點(diǎn)連續(xù)柱支撐和大跨度預(yù)應(yīng)力張拉弦結(jié)構(gòu)，但對(duì)于工廠加工來(lái)說(shuō)，兩者主桁架沒(méi)有任何區(qū)別。工廠加工、分段方案的選擇可不考慮區(qū)分。

對(duì)于典型的大跨度管桁架結(jié)構(gòu)，常規(guī)的加工方法主要有：散件發(fā)貨，高空散裝；整體出廠，現(xiàn)場(chǎng)吊裝以及分段出廠；現(xiàn)場(chǎng)拼裝等三種方式。視工程項(xiàng)目的具體結(jié)構(gòu)、運(yùn)輸條件及現(xiàn)場(chǎng)施工能力而定。

對(duì)于柱頂V型支撐，由于運(yùn)輸成本和空間尺寸控制等原因，一般工程均將柱頂?shù)腣型支撐散件運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行單件吊裝。勢(shì)必需要現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)大量支撐胎架、存在高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)、施工措施成本高，更重要的是現(xiàn)場(chǎng)施工工期長(zhǎng)。

本工程的主要特點(diǎn)有：工期緊，現(xiàn)場(chǎng)拼裝難度大、成本高；加工廠和安裝現(xiàn)場(chǎng)距離相對(duì)較近，運(yùn)輸條件有利。

在主桁架吊裝前，發(fā)現(xiàn)后續(xù)的施工工期十分緊張，必須采取有效措施和方法才能保證施工進(jìn)度。

3 實(shí)際加工方法

3.1 整體加工思路

根據(jù)上述分析，本工程在實(shí)際加工時(shí)，采用主桁架分段出廠、現(xiàn)場(chǎng)分段吊裝的方法。在現(xiàn)場(chǎng)施工工期特別緊張的情況下，為保證現(xiàn)場(chǎng)施工要求，采取柱頂V型支撐在工廠整體裝配焊接出廠的方法。

3.2 主桁架的分段加工

3.2.1 主桁架結(jié)構(gòu)形式

主桁架為正三角形桁架，如圖1所示，腹桿與主弦桿為管管相貫焊接，主桁架兩端與柱頂支座采用鉸接。

3.2.2 加工難點(diǎn)

3.2.2.1 零件的配套

桁架加工時(shí)，主弦管和腹桿以及配套的耳板等零件都要配齊。要求在切管下料和零件下料時(shí)要有一個(gè)統(tǒng)一的安排。

圖1 主桁架及截面形式

3.2.2.2 西區(qū)屋面起拱

西區(qū)屋面折線起拱，在距離兩端45m處起拱150mm。

3.2.2.3 焊接

桁架的焊接主要是對(duì)接和相貫焊縫的焊接，需要在焊接過(guò)程中控制焊接的質(zhì)量以及焊接變形。

3.2.2.4 桁架的分段

由于主桁架是分段出廠，車間加工時(shí)采用整體拼裝，然后再分段，分段點(diǎn)主桿在車間采用鋼板臨時(shí)固定，待到組裝焊接完畢之后，除去固定鋼板就可以分段出廠，若涉及到分段處的腹桿，則腹桿只焊接一端，另一端只需要點(diǎn)焊，分段后，為了防止分段處的腹桿變形，還要用角鋼將腹桿和主桿進(jìn)行臨時(shí)固定。

3.2.2.5 胎架的搭設(shè)

由于桁架的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，對(duì)胎架要求較高，即要保證整體的尺寸精度，還要保證胎架的整體穩(wěn)固性。

3.2.2.6 桁架零件板的安裝

主桁架和聯(lián)系桁架以及檁條連接時(shí)，都是采用連接板連接，而連接板在定位時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)比較難找，如何定位是關(guān)鍵。

3.2.3 主桁架加工制作工藝流程

單片主桁架制作時(shí)，先將主桁架的主弦管平放在超平的胎架上面，經(jīng)過(guò)測(cè)量在主管上面定出腹桿的位置，然后將切好貫口的腹肝組裝上去，最后焊接。具體的工藝流程如圖2所示。

圖2 主桁架的制作工藝流程

3.2.4 胎架搭設(shè)（圖3）

搭設(shè)胎架的意圖是為了更好的把上弦桿、下弦桿更準(zhǔn)確的定位和組裝，以便于以后現(xiàn)場(chǎng)安裝。西區(qū)和東區(qū)因?yàn)槠鸸安煌?，西區(qū)采用和實(shí)際放置旋轉(zhuǎn)90°的方式組裝，東區(qū)按照實(shí)際放置角度組裝。

管桁架的組裝在專用胎架上進(jìn)行，胎架經(jīng)1:1放樣，由鋼板及鋼管焊接而成，胎架必須有足夠的剛度，在組裝前要對(duì)胎具進(jìn)行水平及垂直位置檢測(cè)，確保其精確度。

胎架做完后，弦桿整體外形測(cè)量放于胎架上，將分段桿件置于胎架上按制作編號(hào)拼裝成整體。分段點(diǎn)用定位鋼板固定。

組裝結(jié)束后，對(duì)管桁架外形尺寸進(jìn)行復(fù)檢，發(fā)現(xiàn)超出允許范圍的尺寸偏差要及時(shí)進(jìn)行矯正。

拼裝順序：先裝主弦管，腹桿按照從下到上的順序安裝，最后安裝吊耳和連接板等附屬零件

圖3 胎架示意圖

3.3 V型支撐的整體加工

V型支撐如圖4所示，下端有一個(gè)支座，支座直接座在鋼柱的頂端，和柱頂板直接焊接。支座上焊接4個(gè)或6個(gè)不等的鋼管，鋼管直徑在300～400mm左右，從下到上發(fā)散開來(lái)，像一個(gè)V型，用以支撐整個(gè)屋面主桁架的下弦主桿。

圖4 V 型節(jié)點(diǎn)三維圖

3.3.1 加工過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)

保證支座底板的水平以及貫口的定位尺寸；保證鋼管兩個(gè)端頭貫口之間有一個(gè)扭轉(zhuǎn)角的準(zhǔn)確；V型撐的焊接要求很高，支座和支座插板的連接焊縫均為全熔透一級(jí)焊縫，鋼管和插板的焊縫是坡口焊縫。如此大的焊接量對(duì)V型撐的變形帶來(lái)不利的影響，如何消化這些焊接變形是一個(gè)難點(diǎn)；V型撐焊接完畢之后，肯定存在一定的誤差，如何根據(jù)實(shí)際情況確定關(guān)鍵尺寸，保證V型撐到現(xiàn)場(chǎng)后能夠準(zhǔn)且的安裝也是工程中的一個(gè)重點(diǎn)。

3.3.2 V型撐加工的技術(shù)要點(diǎn)

3.3.2.1 切管

切管是V型撐加工成功與否的一個(gè)前提，根據(jù)設(shè)計(jì)提供的三維模型，用相連接的鋼管和鋼板切貫口，得出切割數(shù)據(jù)之后輸入到切管機(jī)中，進(jìn)行數(shù)控下料。

3.3.2.2 胎架的制作

V型撐的尺寸為3m×3m×6m左右，相對(duì)來(lái)說(shuō)體積較大，需要搭設(shè)專用胎架進(jìn)行加工。胎架的作用有兩點(diǎn)：支撐作用和準(zhǔn)確定位。

支撐作用：由于鋼管的重量較大，一根重500kg，不可能簡(jiǎn)單的靠臨時(shí)支撐固定，必須搭設(shè)一個(gè)專用胎架用以支撐巨大的重量；準(zhǔn)確定位：胎架和V型撐的接觸點(diǎn)都要有精確的尺寸，用以保證V型撐的鋼管放置在胎架上面可以很快的確定其尺寸和角度的正確，不必花太大的精力去調(diào)整。

圖5 V型撐胎架圖

3.3.2.3 焊接

焊接的重點(diǎn)有兩點(diǎn)：一是保證一級(jí)焊縫的一次合格；二是盡量減少焊接變形。

焊接時(shí)，首先焊接支座上的十字加肋，因?yàn)殇摪搴弯摪逯g的焊縫比較容易焊接，而且產(chǎn)生的焊接變形比較容易校正。焊接完支座和加勁之后，就要考慮相貫焊縫的焊接問(wèn)題了，如果焊接變形導(dǎo)致鋼管的角度超差過(guò)多，則很難修正過(guò)來(lái)，因此，在焊接焊縫之前，首先將鋼管進(jìn)行臨時(shí)固定，用角鋼將6個(gè)鋼管的貫口連接起來(lái)，組成一個(gè)整體；然后對(duì)所有的相貫焊縫進(jìn)行打底焊，打底焊時(shí)要注意對(duì)稱焊接。

3.3.2.4 尺寸檢查

V型撐要和柱頂和主桁架的下弦桿相連，在尺寸檢查時(shí)，要重點(diǎn)保證V型撐的上端6個(gè)貫口對(duì)應(yīng)的中心點(diǎn)要在兩條平行的直線上面，而且這兩條直線組成的平面要和大地平行。所以在測(cè)量尺寸時(shí)，利用一個(gè)比較簡(jiǎn)單得方法，選用一個(gè)直徑為50mm的鋼管，把鋼管放在貫口上面，如果鋼管平行大地，且和貫口縫隙較小，證明貫口尺寸正確。

圖6 V型撐檢查圖

表1是構(gòu)件加工完畢之后的一個(gè)關(guān)鍵尺寸的控制列表。

表1 尺寸檢查控制表格

4 結(jié)論與分析

通過(guò)以上分析，我們對(duì)大跨度管桁架項(xiàng)目的出廠分段形式的綜合情況進(jìn)行對(duì)比，見表2。

對(duì)管桁架的工廠整體（分段）制作，通過(guò)胎架搭設(shè)、工藝流程的控制，可以很好地保證整體尺寸符合設(shè)計(jì)要求，并保證現(xiàn)場(chǎng)吊裝的順利進(jìn)行。

V型支撐可根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況和整體工期、成本最優(yōu)控制，選擇散件出廠或整體焊接出廠的最優(yōu)方法。

表2 管桁架出廠分段形式綜合情況對(duì)比表