大型鋼結(jié)構(gòu)環(huán)形桁架施工技術(shù)*

廣廈建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 杭州 310012

1 工程概況

樂清市體育中心體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋平面投影呈橢圓形，南北長(zhǎng)約148 m，東西寬約128 m，屋面最高標(biāo)高為28 m。屋蓋結(jié)構(gòu)采用索桁式弦支體系，由單層曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和空間索桁體系雜交而成（圖1）。由周邊V形柱和上下環(huán)梁形成的鋼結(jié)構(gòu)環(huán)形桁架作為屋蓋支撐體系。鋼結(jié)構(gòu)用量約為3 000 t，構(gòu)件材質(zhì)為Q345B。V形柱采用φ900 mm×25 mm圓管截面，共計(jì)24根；上下2 道環(huán)梁采用圓管截面，分布于V形柱頂部和中上部，上環(huán)梁構(gòu)件截面φ1 700 mm×35 mm，下環(huán)梁構(gòu)件截面φ1 000 mm×30 mm。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)軸測(cè)示意

2 總體安裝方案

體育館環(huán)形桁架，采用2臺(tái)SC1500型1 500 kN履帶吊在館外側(cè)由長(zhǎng)軸兩端采取對(duì)稱站位進(jìn)行吊裝。V形柱吊裝分段為相鄰2段斜鋼柱形成1個(gè)倒V形，同時(shí)在上端部?jī)蓚?cè)各帶450 mm長(zhǎng)的上下環(huán)梁端頭以方便環(huán)梁連接。環(huán)梁按每一個(gè)柱距為一個(gè)吊裝分段?，F(xiàn)場(chǎng)吊裝時(shí)首先安裝相鄰的2段倒V形柱吊裝分段，然后吊裝V形柱間的下環(huán)梁分段。當(dāng)相應(yīng)的徑向梁和環(huán)梁吊裝完成之后再吊裝上環(huán)梁分段和上下環(huán)梁間的連桿。依此順序完成環(huán)形桁架的吊裝[1,2]。

3 吊裝施工技術(shù)

3.1 倒V形柱地面拼裝

使用全站儀將倒V形柱的各分段軸線放樣至地面上→設(shè)置拼裝胎架，并對(duì)胎架位置和標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量調(diào)整→安裝倒V形柱頂部帶節(jié)點(diǎn)的分段→安裝倒V形柱下部的分叉段→用經(jīng)緯儀復(fù)核并校正，進(jìn)行焊接操作，完成拼裝[3]

3.2 吊裝施工順序

先吊裝預(yù)埋段Y形鋼柱，然后吊裝倒V形鋼柱，接著分段吊裝下環(huán)梁，再分段吊裝上環(huán)梁。當(dāng)體育館現(xiàn)場(chǎng)土建施工符合鋼柱預(yù)埋條件時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)場(chǎng)進(jìn)行鋼柱預(yù)埋段的安裝；當(dāng)土建地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)完成后，在館外側(cè)布置2臺(tái)1 500 kN履帶吊進(jìn)行吊裝施工。

3.3 倒V形鋼柱吊裝

倒V形鋼柱長(zhǎng)度為26.90～26.99 m，質(zhì)量為30.26～30.35 t，采用1 500 kN履帶吊單機(jī)回轉(zhuǎn)法直接起吊，滿足吊裝要求。2臺(tái)1 500 kN履帶吊同時(shí)從橢圓短軸部位進(jìn)行對(duì)稱吊裝作業(yè)，在柱上環(huán)梁端頭設(shè)置吊點(diǎn)，鋼絲繩從柱上環(huán)梁端頭穿過。當(dāng)?shù)筕形鋼柱起吊至設(shè)計(jì)位置時(shí)，采用設(shè)置在倒V形鋼柱柱腳的牽引繩進(jìn)行調(diào)整就位，通過焊接在柱上的連接耳板和高強(qiáng)螺栓進(jìn)行臨時(shí)固定。先通過千斤頂調(diào)整倒V形鋼柱的標(biāo)高，然后利用安裝卡具調(diào)整上下柱接頭錯(cuò)邊，再利用全站儀檢測(cè)各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和外形線的實(shí)際位置，同理論位置進(jìn)行比較后進(jìn)行構(gòu)件的精確調(diào)整，達(dá)到誤差要求后按照既定的焊接順序?qū)υ摰跹b段的構(gòu)件進(jìn)行焊接固定[4-6]。

3.4 上下環(huán)梁吊裝

下環(huán)梁各段長(zhǎng)度為15.39～15.43 m，最大質(zhì)量為11.07 t；上環(huán)梁各段長(zhǎng)度為15.87～15.99 m，最大質(zhì)量為22.97 t，采用1 500 kN履帶吊滿足吊裝要求。環(huán)梁吊裝前，應(yīng)清理鋼梁表面污物；對(duì)產(chǎn)生浮銹的連接板和摩擦面在吊裝前進(jìn)行除銹。在地面用臨時(shí)螺栓把連接板固定在梁的兩端，將高強(qiáng)螺栓裝于工具包，并將工具包綁在離梁端1 m位置處。鋼梁吊裝就位時(shí)要注意鋼梁的上下方向及水平方向，確保安裝正確。起吊就位后，先用撬棍再用沖頭（沖釘）調(diào)整好梁的準(zhǔn)確位置，然后夾好連接板，當(dāng)連接板與螺栓孔對(duì)正后，臨時(shí)螺栓擰緊固定，即可脫鉤。整個(gè)安裝過程中，與梁連接的柱必須由全站儀對(duì)柱的坐標(biāo)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，柱的坐標(biāo)偏差值要控制在允許范圍內(nèi)。

4 現(xiàn)場(chǎng)焊接施工

4.1 焊接特點(diǎn)

環(huán)梁節(jié)點(diǎn)形式復(fù)雜，焊接質(zhì)量要求高；鋼柱對(duì)接、鋼梁對(duì)接，基本上是高空焊接，焊縫質(zhì)量等級(jí)均為一級(jí)焊縫。Q345B鋼材焊接質(zhì)量控制困難，精度要求高；環(huán)形桁架呈橢圓形，南北長(zhǎng)約為148 m，東西寬約為128 m，焊接變形控制尤為重要。根據(jù)工程特點(diǎn)，考慮焊接效率和操作難度，決定采用CO2氣體保護(hù)焊。

4.2 整體分段施焊

為了使環(huán)形桁架均衡承受焊接應(yīng)力，把整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)環(huán)形桁架分成8個(gè)施工段，由2個(gè)作業(yè)班組同步對(duì)稱進(jìn)行焊接施工，確保焊接參數(shù)一致。焊接時(shí)采用多層焊接的方法以減少構(gòu)件縱向變形，每層起弧點(diǎn)相距30～50 mm，避免缺陷集中在一處。

4.3 桿件焊接順序

斜柱鋼梁組焊時(shí)應(yīng)采取合理的焊接順序，同一根柱子兩側(cè)的節(jié)點(diǎn)焊接必須同時(shí)進(jìn)行，以保證鋼柱左右對(duì)稱受力，確保鋼柱角度正確；同一根梁的兩端焊接采用一先一后的方法，一端焊接完成并且焊縫溫度冷卻到常溫，焊接應(yīng)力有效釋放后，再進(jìn)行梁另一端的焊接施工。

4.4 合攏縫設(shè)置

由于平面呈橢圓形的環(huán)形桁架，南北長(zhǎng)度達(dá)到148 m，東西寬度達(dá)到128 m，焊接應(yīng)力與變形很大，為了有效消除焊接應(yīng)力，決定在體育館環(huán)形桁架的2-28軸、7-9軸、14-16軸、21-23軸設(shè)置4條合攏縫，在合攏縫施焊封閉前，盡量使4個(gè)區(qū)間的桁架焊縫能比較自由的收縮，盡可能多地釋放焊接應(yīng)力。等環(huán)形桁架所有的焊縫都施焊完成并且冷卻至常溫后，再進(jìn)行4條合攏縫的焊接。

4.5 焊接工藝

鋼柱、鋼梁截面為φ900 mm×25 mm、φ1 700 mm×35 mm、φ1 000 mm×30 mm的圓管。對(duì)接焊接時(shí)將高空操作平臺(tái)安裝在柱對(duì)接位置以下1.2 m處，配備2名焊工焊接。施焊前，焊工應(yīng)檢查焊接部位的組裝質(zhì)量，如不合要求，應(yīng)修磨補(bǔ)焊合格后方能施焊。坡口表面不允許帶有污泥雜質(zhì)、油污、氧化皮等影響焊接的物體。單個(gè)構(gòu)件焊接時(shí)采用2人對(duì)稱施焊，每焊1層都要認(rèn)真清渣。

5 施工監(jiān)測(cè)

體育館鋼結(jié)構(gòu)屋面采用了預(yù)應(yīng)力技術(shù)，施工過程中對(duì)環(huán)形桁架等主要構(gòu)件進(jìn)行了施工監(jiān)測(cè)。由于上環(huán)梁直接與主動(dòng)受力索連接，因此對(duì)環(huán)形桁架的上環(huán)梁應(yīng)力采用應(yīng)變傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，上環(huán)梁的應(yīng)力變化總體上與施工過程的結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律吻合較好。無論是張拉階段還是屋面板施工階段，上環(huán)梁的應(yīng)力變化較小，變化值大多在20 MPa以內(nèi)[7,8]。

圖2 上環(huán)梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意

6 結(jié)語

樂清體育中心體育館環(huán)形桁架凈空高、斷面大，施工難度大，通過科學(xué)設(shè)計(jì)、合理施工，確保了鋼結(jié)構(gòu)的順利安裝，保證了安裝精度，有效控制了結(jié)構(gòu)變形，取得了良好效果，工程獲得了2013年度中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)。