大跨度三角錐立體鋼管桁架的制作與安裝

江蘇南通六建建設集團有限公司 如皋 226500

1 工程概況

大慶石油科技博物館入口大廳屋蓋鋼結構采用了由大跨度三角錐立體鋼管桁架組成的空間折板體系，相鄰2 榀桁架相互傾斜倚靠在一起，桁架的上弦為板脊、下弦為板谷，相對的2 組形成1 個徑向單元，每一個徑向單元就像桁架拱一樣工作，在板谷的外端設置環(huán)梁以承擔徑向推力。鋼管桁架由10 榀桁架梁及4 榀桁架柱組成，其中10 榀桁架梁相互咬合形成寶石花形狀（圖1）。桁架梁支座處安裝標高為23.6 m，桁架柱支座安裝標高為0.45 m，桁架安裝最高點為27.1 m。桁架梁、柱均為三角錐形式，桁架梁長23.15 m，單榀安裝單元最重9.5 t，桁架柱長26.65 m，單榀安裝單元最重14 t。鋼桁架規(guī)格為Φ203 mm×8 mm、Φ245 mm×10 mm、Φ273 mm×14 mm。

2 施工方法

由于桁架柱、梁的單榀安裝單元結構尺寸太大，不易運輸，故采用由專業(yè)工廠進行下料、噴砂除銹、底漆作業(yè)，然后將零部件運至施工現(xiàn)場，在現(xiàn)場進行組裝、焊接及安裝作業(yè)的施工方法。

3 施工特點

3.1 制作難度大

桁架節(jié)點鋼管桿件相碰數(shù)量多，所有構件拼接接點均采用坡口全熔透焊等強連接，焊縫質(zhì)量等級為一級，要求節(jié)點無間隙安裝，下料精度要求高，桁架梁相互咬合形成閉合結構，各桁架梁、柱間配合緊密，桁架拼裝精度要求高。

3.2 安裝難度大

10 榀桁架梁通過中心的Φ500 mm×250 mm×20 mm鋼圓環(huán)相連形成空間折板體系（圖2），在中心處須建立臨時支撐體系，以完成桁架梁及桁架柱的安裝，結構安裝完工后，臨時支撐體系卸載拆除，完成受力體系轉(zhuǎn)換，故受力體系轉(zhuǎn)換過程中的結構受力和變形的監(jiān)控至關緊要，施工難度大。

圖1 入口大廳屋蓋鋼結構體系

圖2 空間折板體系

雖然單榀構件的質(zhì)量不大（最重為14 t），但由于構件幾何尺寸較大（桁架梁長23.15 m，寬11.34 m，高3.5 m；桁架柱長26.65 m，寬11.34 m，高4.815 m），安裝高度高（最高點標高為27.1 m），且在15.2 m的標高處還設有2 道預應力鋼梁，吊車可站車的位置距安裝點較遠（最遠達到24 m），這給桁架梁的安裝作業(yè)帶來了很大的困難。

4 鋼管桁架制作

4.1 下料

由于桁架節(jié)點鋼管桿件相碰數(shù)量多，所有構件拼接接點均采用坡口全熔透焊等強連接，故桿件的加工長度必須準確，這是確保桁架組裝精度的關鍵，坡口角度根據(jù)相貫線接口的不同位置合理設置，這是確保相貫口可焊透的關鍵。我們利用PIPE2000軟件從桁架設計空間軸線圖上提取桿件兩端的相貫線及標識，形成gcd文件，輸入到五維數(shù)控相貫線等離子切割機的電腦中，在工廠完成桿件的下料作業(yè)。

下料時，由于受溫度、焊接工藝、焊縫形式等諸多因素影響，管件下料時應考慮焊接收縮量，并在下料長度上予以考慮。桿件下料結束后采用噴砂除銹，除銹等級達到Sa2.5級，構件出廠前噴涂水性富鋅底漆并進行預拼裝。

4.2 桁架拼裝胎具制作

先制作桁架梁胎具，當10 榀桁架梁拼裝結束后，利用此胎具擴展形成桁架柱的胎具，再在此基礎上拼裝其余4 榀桁架柱。

由于桁架梁、柱為三角錐體系，其外形尺寸由3 根弦桿的空間位置來確定，為便于施工，故取桁架梁2 根下弦所在的平面為胎具的水平控制面，上弦桿件在2 根下弦桿件所形成平面的中垂面上。

水平控制面采用500 mm×200 mm的H型鋼梁制作，鋼梁的加固形式如圖3所示。

圖3 胎具鋼梁加固

上弦桿采用Φ159 mm×6 mm的鋼管支撐定位，鋼管頂端通過絲桿調(diào)節(jié)，以確保上弦桿精確定位。

4.3 桁架拼裝

弦桿定位→腹桿定位→焊接→檢驗

4.3.1 弦桿定位

采用700 kN吊車進行弦桿吊裝，根據(jù)桁架大樣圖進行弦桿定位，偏差控制在±3 mm，定位后將下弦桿用300 mm×150 mm×20 mm鋼板與胎具鋼梁焊接固定。

4.3.2 腹桿定位

將上、下弦桿外切線的連線作為腹桿拼裝的控制線，將腹桿外表面的一條素線作為軸線的投影線，通過與控制線進行比對測量來調(diào)整腹桿的安裝位置。

4.4 桁架焊接

所有焊縫均為一級焊縫，正確選擇焊接順序，采用對稱焊法，收縮量大的部位先焊，收縮小的部位后焊，使焊接變形和收縮量最小。

焊接時采用低氫型堿性焊條，電源采用直流反極性，短電弧進行施焊，焊接后對所有焊縫進行外觀檢測和超聲波探傷檢驗，將發(fā)現(xiàn)的缺陷及時清除。

5 桁架安裝[1-5]

5.1 吊裝設備選擇

根據(jù)工程特點及施工現(xiàn)場的實際情況，桁架的安裝選用700 kN和1 000 kN汽車式起重機相互配合進行。

5.2 臨時支撐體系的建立

10 榀桁架梁自重共90 t，在安裝形成設計受力體系之前，四周暫由屋面和桁架柱支撐，其中心處由臨時支撐體系支撐.

經(jīng)設計計算，在大廳中心處地面澆筑4 000 mm×4 000 mm×3 000 mm混凝土基礎，用QTZ80塔吊標準節(jié)搭設桁架柱，作為桁架安裝時中心支撐架，在中間用500 mm×200 mm的H型鋼成井字形將支撐架圍住，并與預應力鋼梁臨時連接，以增加支撐架的穩(wěn)定性（圖4）。在HJL1的外環(huán)梁上靠桁架柱方向的位置處設置一臨時支撐架，支撐架采用Φ245 mm×10 mm鋼管制作，底部與埋件采用焊接連接。

圖4 中心處支撐架

5.3 空中拼裝平臺

在桁架梁的下弦上安裝拼裝平臺，拼裝平臺選用200 mm和160 mm的C形檁條制作骨架，上面滿鋪厚5 mm鋼板網(wǎng)，平臺四周設置高1 m防護欄桿，用于桁架梁之間連接拼裝（圖5）。

圖5 拼裝平臺

5.4 桁架吊裝

先用1 000 kN汽車吊吊裝支承在屋面上的桁架梁，然后采用1 000 kN和700 kN汽車吊雙機抬吊安裝桁架柱與桁架梁（圖6）。

圖6 吊裝順序

5.5 桁架結構受力體系轉(zhuǎn)換

桁架梁、柱吊裝結束后，測量上弦桿的水平度及支座桁架球、中心鋼圓環(huán)、梁柱交接點的空間位置，同時通過臨時支撐架頂?shù)挠蛪呵Ы镯斶M行微調(diào)，待符合要求后，將屋面支座、中心鋼圓環(huán)、桁架梁柱交接點、外環(huán)梁、內(nèi)環(huán)梁等各節(jié)點處焊接固定。最后將臨時支撐架頂上的油壓千斤頂回油下降卸載，使臨時支撐架與桁架梁中心鋼圓環(huán)脫離接觸，完成受力體系轉(zhuǎn)換。在此過程中，千斤頂回油下降速度要慢，加強桁架梁撓度變形觀測，避免撓度變形超過設計允許值。

6 結語

大慶石油科技博物館入口大廳屋蓋鋼結構采用了由10 榀大跨度三角錐立體鋼管桁架組成的空間折板體系。在施工過程中，采用由專業(yè)工廠以五維相貫線自動等離子切割機進行鋼管端部加工，保證了下料精度，確保節(jié)點無間隙安裝。

在施工現(xiàn)場制作胎具進行組裝焊接，以減少運輸難度及運輸過程中對桁架造成的損壞，再在中心處搭建鋼管桁架柱作為臨時支撐體系，合理安排吊裝順序。利用雙機抬吊進行吊裝，借助臨時支撐體系的千斤頂進行卸載，完成受力體系的轉(zhuǎn)換，保證了屋蓋鋼結構的安裝質(zhì)量。