大跨度管桁架機(jī)庫鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

曹莉立，楊 松

（北京市機(jī)械施工有限公司，北京 100045）

1 工程概況

東航北京基地機(jī)務(wù)維修區(qū)的機(jī)庫主體結(jié)構(gòu)由四肢格構(gòu)式落地桁架組成,桁架之間采用縱向平面桁架、邊桁架及屋面支撐、柱間支撐架構(gòu)成一個(gè)空間結(jié)構(gòu)（圖1）。機(jī)庫分為門頭桁架和大廳桁架，門頭桁架跨度為97m，機(jī)庫大廳跨度為76.3m，機(jī)庫進(jìn)深99.9m，機(jī)庫結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)標(biāo)高為23.6m，桁架主要材料為鋼管，材質(zhì)為Q345B，主要截面形式為?89×4～?299×16，門頭桁架處有部分焊接球，主要截面為WSR500×20和WS400×16，桁架弦桿跨中采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)；機(jī)庫桁架總重量約1200t。

圖1 機(jī)庫效果圖

2 鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工難點(diǎn)

2.1 鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）大廳桁架跨中主弦桿連接采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)連接。

2）四肢格構(gòu)柱柱腳采用杯口式柱腳。

3）桁架共有30根格構(gòu)柱、7根抗風(fēng)柱、11榀大廳桁架及2榀門頭桁架。

2.2 施工難點(diǎn)

1）工程量大、施工面積大、安裝高度高。

2）構(gòu)件種類多，加工質(zhì)量控制難度大。

3）現(xiàn)場(chǎng)拼裝工作量大，桁架桿共6142根，焊接球共132個(gè)，鑄鋼節(jié)點(diǎn)23個(gè)。

4）焊接形式包括球管焊接、管管相貫焊接、鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊接，對(duì)焊接工藝、質(zhì)量控制要求高。

5）對(duì)地面拼裝及吊裝中的桁架位移及變形要求高。

6）大廳桁架跨中采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)連接，安裝難度大。

3 鋼結(jié)構(gòu)分段及拼裝

3.1 鋼管桁架分段、拼裝

鋼管桁架拼裝分為主桁架拼裝、次桁架拼裝、環(huán)桁架拼裝、邊桁架、抗風(fēng)柱拼裝。其中主桁架、邊桁架為四邊形結(jié)構(gòu)，次桁架、環(huán)桁架、抗風(fēng)柱為平面桁架。

主要分段、拼裝方法如下。

1）主桁架分為格構(gòu)式桁架柱和桁架梁。將桁架柱分成3段在地面進(jìn)行拼裝。將大廳桁架梁分成2個(gè)半榀桁架，每個(gè)半榀桁架分成3段，每段桁架梁在地面拼裝胎架上進(jìn)行拼裝，最后將3段桁架在地面原位組拼成半榀桁架。

2）門頭桁架梁分為前片桁架和后片桁架，先將前、后片桁架分成4段分別在地面進(jìn)行拼裝，再在地面將半榀前、后片桁架組合成2個(gè)半榀小拼單元。

3）次桁架、環(huán)桁架、邊桁架采用在地面分段組拼。

4）抗風(fēng)柱分成3段在地面分段拼裝。

3.2 拼裝胎架

由于鋼桁架構(gòu)件長度較大，為保證現(xiàn)場(chǎng)組拼的精度，采用在地面設(shè)置拼裝胎架，進(jìn)行預(yù)拼裝，再分段吊裝至高空拼裝平臺(tái)上進(jìn)行組拼，胎架設(shè)置應(yīng)考慮到履帶起重機(jī)位置及運(yùn)輸?shù)缆罚▓D2）。胎架搭設(shè)好后，用水準(zhǔn)儀按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行復(fù)核，相對(duì)偏差±20mm，滿足要求后進(jìn)行桁架的拼裝。

圖2 拼裝胎架

拼裝時(shí)將桁架的弦桿放在胎架的支撐點(diǎn)上，基本擺放水平。胎架搭設(shè)好后，用水準(zhǔn)儀按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行復(fù)核，滿足要求后進(jìn)行桁架的拼裝。

4 臨時(shí)支撐架設(shè)置

大廳桁架梁兩端坐落于兩側(cè)的格構(gòu)式桁架柱上，采用分段拼裝、吊裝的方法，需要在桁架梁分段處設(shè)置臨時(shí)支撐，以保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性及安裝對(duì)接工作的順利進(jìn)行。由于桁架梁分段接口投影沒有在軸線的位置上，而是在場(chǎng)內(nèi)地面上，接口處設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)底部需要做基礎(chǔ)，且要滿足承重要求。

支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算選擇受力最大的主桁架進(jìn)行驗(yàn)算，支撐架高度21m。支撐架支點(diǎn)反力最大為17.6t，支撐架位移最大為2.7mm，支撐架應(yīng)力最大為32MPa，支撐架應(yīng)力比最大為0.1，滿足要求。

支撐架基礎(chǔ)主要承受軸心荷載,使用周期較短,故按無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)設(shè)計(jì),并適當(dāng)配置構(gòu)造鋼筋?；A(chǔ)計(jì)算時(shí)，不以實(shí)際尺寸調(diào)節(jié)地耐力，統(tǒng)一取fa=100kPa。混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C30,fc=14.3MPa,ft=1.43MPa。由于各基礎(chǔ)支撐架有效面積相同，因此僅計(jì)算各支撐架受力最大的基礎(chǔ)。經(jīng)承載力驗(yàn)算，大廳桁架梁及門頭桁架梁支撐架基礎(chǔ)均符合要求。

由于桁架梁支撐點(diǎn)位少，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高度大，承受的荷載大，因此要求標(biāo)準(zhǔn)節(jié)本身有足夠的承載力，同時(shí)能保證自身的穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)要拉攬風(fēng)繩（圖3）。

圖3 3m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)示意圖

5 鋼結(jié)構(gòu)安裝

針對(duì)本工程的結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)件大小等綜合因素，確定了“地面分段拼裝、分段吊裝”的技術(shù)方案。格構(gòu)柱吊裝采用1臺(tái)50t履帶起重機(jī)，桁架梁采用1臺(tái)120t履帶起重機(jī)進(jìn)行吊裝。安裝順序?yàn)閺谋毕蚰?，從大廳向門頭方向順序安裝。

5.1 分段安裝方案的優(yōu)點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)

1）優(yōu)點(diǎn) ①施工過程中受力狀態(tài)與實(shí)際設(shè)計(jì)狀態(tài)比較接近；②技術(shù)先進(jìn)、成熟，有豐富的分段吊裝的經(jīng)驗(yàn)；③相對(duì)與土建配合少、交叉施工少；④在地面進(jìn)行拼裝作業(yè)，減少了高空焊接的作業(yè)量，焊接質(zhì)量易保證；⑤減少了高空作業(yè)，施工安全性好。

2）關(guān)鍵點(diǎn) ①精心劃分鋼結(jié)構(gòu)加工、運(yùn)輸、組裝單元；②對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)校正、焊接措施要求較高；③高空對(duì)接精度要求高。

5.2 桁架柱安裝

將桁架柱分為3段，分別在地面拼裝胎架上進(jìn)行拼裝，用1臺(tái)50t履帶起重機(jī)順序依次吊裝。在桁架柱接口處搭設(shè)操作平臺(tái)，待土建進(jìn)行鋼管內(nèi)混凝土施工后，繼續(xù)安裝上一節(jié)桁架柱，依次完成全部桁架柱安裝。

5.3 大廳桁架梁安裝

機(jī)庫大廳桁架梁共11榀，桁架跨度76.3m，桁架兩端支撐在桁架柱上。大廳桁架梁安裝時(shí)，先將桁架梁在地面拼裝胎架上拼裝成長度約20m的小拼單元，然后在該桁架地面位置地面組拼成長度約39m的半榀桁架梁，用1臺(tái)120t履帶起重機(jī)將半榀桁架梁吊裝到鋼柱和臨時(shí)支撐架上，吊裝另一半桁架梁，完成第一榀桁架安裝；按照此方法安裝第二榀桁架，同時(shí)安裝次桁架及斜撐形成穩(wěn)定體系，安裝完第三榀主桁架及次桁架后，拆除第一榀主桁架支撐節(jié)，將拆除后的支撐架安裝到第四榀桁架上，依次安裝大廳桁架至門頭。

5.4 門頭桁架梁安裝

機(jī)庫門頭桁架梁共2榀，其中，ZHJ-4，1榀，ZHJ-5，1榀。門頭桁架梁跨度76.3m，總長99m，桁架梁兩段支撐在桁架柱上。因此，門頭桁架安裝時(shí)，先將桁架在地面拼裝成長度約50m的ZHJ-4和ZHJ-5的半榀小拼組合單元，然后在一端用1臺(tái)120t履帶起重機(jī)，另一端用1臺(tái)200t汽車吊采用雙機(jī)抬吊的施工方法將ZHJ-4和ZHJ-5的半榀組合單元吊裝就位，半榀組合單元一端落在格構(gòu)柱頂，另一端落在臨時(shí)支撐架上，采用同樣的方法將另一半的半榀組合單元吊裝到位（圖4）。

圖4 半榀組合單元示意圖

6 施工模擬分析

利用Midas Gen計(jì)算軟件進(jìn)行施工模擬驗(yàn)算，自重取結(jié)構(gòu)自重，通過對(duì)吊裝單元的反力、位移、應(yīng)力及應(yīng)力比進(jìn)行分析，從理論上保證吊裝施工及卸載的精度和安全。

1）大廳桁架吊裝、卸載驗(yàn)算 卸載采用階段性卸載方法。自重狀態(tài)下各點(diǎn)反力最大為6.6t，吊裝過程中桁架各點(diǎn)位移最大為3.8mm，應(yīng)力最大為28MPa；半榀桁架安裝到位后，支撐節(jié)處反力為8.6t（2×4.3t），位移最大為5.5mm，應(yīng)力最大為42MPa；整榀桁架安裝到位后，未拆除支撐節(jié)時(shí)支撐節(jié)反力為17.2t（2×8.6t），桁架位移最大為11mm，應(yīng)力最大為59MPa；安裝完三榀桁架后，各支撐節(jié)反力最大為22t（10t+12t），桁架位移最大為16mm，應(yīng)力最大為67MPa；三榀桁架安裝到位，卸載第一榀桁架后支撐節(jié)反力最大為40.4t（22.1t+18.3t），桁架位移最大為29mm。

2）門頭桁架組拼單元吊裝驗(yàn)算 吊裝過程中各點(diǎn)反力最大為27.8t，位移最大為15mm，應(yīng)力最大為57.4MPa。

經(jīng)過對(duì)桁架梁吊裝過程的施工模擬驗(yàn)算，桁架梁組拼單元在吊裝過程中的反力、位移、應(yīng)力、應(yīng)力比均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

7 施工過程監(jiān)測(cè)

30根格構(gòu)柱，每根格構(gòu)柱分為3節(jié)共90節(jié)，每節(jié)格構(gòu)柱垂偏均在8mm以內(nèi)，每根格構(gòu)柱全高垂偏均在20mm以內(nèi)，格構(gòu)柱杯口位置偏差均在5mm以內(nèi)；吊裝桁架梁13榀，每榀大廳桁架梁撓度均滿足規(guī)范要求；現(xiàn)場(chǎng)焊縫約1.2萬道，其中1級(jí)焊縫（主要以管對(duì)接焊縫為主）823道，一次焊接探傷合格率達(dá)到99.5% 。

經(jīng)過本工程實(shí)踐檢驗(yàn)，大跨度桁架結(jié)構(gòu)形式的機(jī)庫建筑，以科學(xué)的施工方法、合理的施工工序、精確的施工模擬，順利完成了東航北京基地機(jī)務(wù)維修區(qū)的施工，保證了施工質(zhì)量與工期。

[參考文獻(xiàn)]

[1]GB 50205-2001，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[2]GB 50755-2012，鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范[S].