大跨懸挑“7”字形管桁架地面拼裝施工關(guān)鍵技術(shù)

周海鋒

（中冶建工集團(tuán)有限公司，重慶400032）

1 引言

大型體育場館的建設(shè)日漸增多，其屋面體系大多為鋼結(jié)構(gòu)，其自重輕、跨度大，能滿足結(jié)構(gòu)及功能性需要。鋼結(jié)構(gòu)屋面造型復(fù)雜，導(dǎo)致構(gòu)件異型、弧形桿件及復(fù)雜節(jié)點增多，懸臂桁架多采用地面拼裝成型，然后大型起重設(shè)備分榀吊裝，高空連接成整體的施工方法，地面拼裝質(zhì)量將影響到整個鋼結(jié)構(gòu)施工安全和質(zhì)量[1]。通過地面拼裝施工技術(shù)總結(jié)創(chuàng)新，可用于指導(dǎo)同類型或相似桁架地面拼裝，彌補(bǔ)相關(guān)技術(shù)資料空缺。

2 工程概況

2.1 項目總體概況

體育場位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾牙克石市，主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋面為鋼管桁架結(jié)構(gòu)，地上2層，局部3層。占地面積14 376.67m2，總建筑24 995.8m2，總座椅數(shù)16 995個（乙級體育場），設(shè)計使用年限50年，抗震設(shè)防烈度7度。主體結(jié)構(gòu)最大長度240m，最大寬度190m，檐口高度33.227m。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)概況

屋面鋼管桁架結(jié)構(gòu)，主桁架24榀（見圖1），東西側(cè)對稱布置各12榀，環(huán)桁架4道，沿整個屋蓋呈不規(guī)則橢圓形布置（見圖2）；主桁架為倒“7”字形安裝，截面呈倒三角形（見圖3），每榀桁架設(shè)置2個支座分別在A、C軸線，支座中心距3m，主桁架有 6 種不同規(guī)格，質(zhì)量 27～56t，懸挑長度 23～33m，倒“7”字高14～20m；鋼結(jié)構(gòu)罩棚質(zhì)量約1600t；主桁架桿件規(guī)格：上弦桿φ76mm×（3.8～425）mm×30mm；下弦桿及腹桿φ76mm×（3.8～480）mm×35mm；焊接空心球支座半徑R為425～500mm。

圖1 屋蓋整體示意圖

圖2 屋蓋立面示意圖

圖3 主桁架立面示意圖

3 工程特點及拼裝難點

本工程的特點及拼裝難點如下：

1）主桁架規(guī)格多，桿件長度、直徑、傾斜角度不一（見圖3），對地面拼裝放樣、拼裝精度控制等帶來挑戰(zhàn)；

2）節(jié)點復(fù)雜，焊接質(zhì)量控制難度大。主桁架腹桿較多，軸線均相交與一點，導(dǎo)致此處焊縫相交及存在窄間距焊接，其焊接困難，設(shè)計一級全熔透焊縫質(zhì)量不易保證；

3）截面形式復(fù)雜、桿件變徑，轉(zhuǎn)折等，需要對桿件分段劃分，方案需仔細(xì)策劃，以減少拼裝焊接量和提高組拼工效；

4）工期緊張，拼裝胎架多套，重復(fù)利用率低，需多次改造使用，倒“7”字形地面臥拼，其形式復(fù)雜，對胎架制作精度及可調(diào)整性要求高。

4 現(xiàn)場臥拼整體及關(guān)鍵工藝流程

整體流程：場地處理→測量放線→胎架焊接拼裝→桿件吊裝組拼焊接→技術(shù)復(fù)核→焊縫探傷→補(bǔ)漆→轉(zhuǎn)場安裝。

場地處理：選址→承載力復(fù)核→地基處理→混凝土硬化→切縫→養(yǎng)護(hù)。

胎架焊接拼裝：測量放線→底梁定位→拉梁焊接→立柱焊接→斜撐加固→三角托焊接→技術(shù)復(fù)核。

桿件吊裝組拼焊接：上弦左側(cè)主弦桿吊裝→上弦右側(cè)主弦桿吊裝→下弦桿吊裝→調(diào)整定位→上弦聯(lián)系桿吊裝定位→腹桿吊裝定位→技術(shù)復(fù)核→分段焊接→驗收。

說明：桿件在工廠下料、彎弧、相貫線切割、噴漆等，質(zhì)量合格，打包運至拼裝現(xiàn)場。

5 施工關(guān)鍵技術(shù)

5.1 場地處理

拼裝場地處理應(yīng)考慮因素：主桁架及胎架自重荷載，其通常進(jìn)行地面硬化后能滿足要求，也可進(jìn)行簡單核算；重點應(yīng)考慮拼裝吊機(jī)行走路線和停車點荷載，本工程主桁架地面拼裝后，采用SCC4000（400t）履帶吊轉(zhuǎn)場吊裝，因此，考慮吊裝荷載時地面承載能力為主；拼裝場地及桿件堆放地應(yīng)進(jìn)行墊高，便于排水。

履帶吊行走線路路基承載力簡化計算包括2方面：

1）通過查詢設(shè)備參數(shù)，獲得吊機(jī)在基本臂和標(biāo)準(zhǔn)配重下的履帶平均接地比壓力P1，通過靜力計算獲得吊機(jī)負(fù)重狀態(tài)下履帶反力（取較大值），從而計算壓應(yīng)力P2。P1+P2＜fak（地基承載力特征值）。

2）簡化靜力計算模型，如圖4所示。查詢設(shè)備參數(shù)表和分析吊裝工況，通過靜力計算模型得到履帶最大反力R，從而得到壓應(yīng)力P，P＜fak。

本工程拼裝場地通過粉土壓實后鋪200mm厚碎石，C25硬化150mm厚；吊裝路線粉土換填500mm厚毛坯石，鋪150mm厚級配礫石整平層，并壓實，履帶吊行走時隨鋪15mm厚鋼板。

圖4 簡化靜力計算模型

5.2 構(gòu)件拆分

主桁架拆分成若干桿件運至現(xiàn)場拼裝焊接，其拆分合理性涉及運輸、拼裝效率、焊接量等，因此，應(yīng)詳細(xì)策劃。“7”字主桁架拆分：直管長度不超過拖掛車廂，超過時分段；彎管、變徑節(jié)、腹桿、聯(lián)系桿單獨成段，折線處在轉(zhuǎn)折點分段。分段處應(yīng)避開密集施焊節(jié)點。如有復(fù)雜節(jié)點（鑄鋼節(jié)點），節(jié)點應(yīng)單獨制造。

5.3 胎架設(shè)計及組拼

主桁架胎架3套，完成同類型構(gòu)件拼裝后改造，胎架的設(shè)計應(yīng)考慮承載力、剛度和穩(wěn)定性要求，通過計算確定（見圖5）。立柱間距應(yīng)當(dāng)考慮桿件形式及長度、焊縫位置、構(gòu)件變形及穩(wěn)定、胎架整體加固等因素。胎架采用全站儀定位放樣，確保尺寸準(zhǔn)確。胎架及主桁架采用Xsteel Tekla整體建模，轉(zhuǎn)換成CAD模型圖，進(jìn)行坐標(biāo)定位放樣。

根據(jù)放樣位置，先安裝底梁并焊接拉梁固定，再焊接立柱和斜支撐；胎架高度最低處應(yīng)能滿足全位置焊接所需高度；三角托高度應(yīng)根據(jù)標(biāo)高嚴(yán)格控制，并焊接限位立柱；上弦桿焊接平臺應(yīng)能確保焊接可操作性，確保其合理寬度和高度。拼裝胎架組裝后應(yīng)進(jìn)行技術(shù)復(fù)核，驗收合格后使用。

圖5 胎架設(shè)計示意圖

5.4 拼裝及焊接

用25t汽車吊將主桁架地面一次拼裝成型（見圖6）?，F(xiàn)場架立胎架，將主桁架弦桿依次吊裝至胎架上并臨時固定，調(diào)整復(fù)核后臨時焊接固定，吊裝腹桿和聯(lián)系桿并與主弦桿臨時固定，在分段焊接主弦桿和對應(yīng)的腹桿。

焊接采用新技術(shù)（免清根焊接技術(shù)、免開破口熔透焊技術(shù)、窄間隙焊接技術(shù)），確保焊接質(zhì)量。焊前進(jìn)行工藝評定，桁架焊接應(yīng)先焊接主構(gòu)件再焊接次構(gòu)件；對稱結(jié)構(gòu)焊接必須對稱施焊，應(yīng)連續(xù)施焊避免多次熄弧引弧；先焊接焊縫長且填充量大的焊縫。為減少桁架主弦桿焊接過程中的焊接變形，應(yīng)分段同步焊接腹桿和聯(lián)系桿形成約束體系，或設(shè)置臨時支撐和焊縫約束板（固定在焊縫兩側(cè)）。部分圓管可采用地面對接焊接成型后胎架拼裝，以減少仰焊。

圖6 主桁架拼裝

5.5 質(zhì)量控制與檢測

質(zhì)量檢測包括：拼裝尺寸、焊接質(zhì)量、防腐涂裝等，拼裝質(zhì)量通過現(xiàn)場檢尺并與深化設(shè)計圖紙對比，偏差在允許范圍內(nèi)；焊縫設(shè)計采用一級焊縫，全焊透，所有焊縫均進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查合格后超聲波探傷，均達(dá)到驗收及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

鋼管焊接控制要點：坡口組對時應(yīng)避免破口間隙過小和錯邊量，應(yīng)考慮焊接收縮余量（通過試驗焊接確定，經(jīng)驗參考值為弦桿每段放焊接收縮余量3～5mm，對腹桿等桿件放焊接收縮余量2mm）；在施焊部位搭設(shè)防風(fēng)棚；墊板應(yīng)與坡口緊貼；坡口清理干凈不得留有雜質(zhì)和污染物；焊前預(yù)熱和焊后保溫時間及溫度應(yīng)滿足要求；打底焊采用小電流將焊縫根部熔透，填充焊電流大于打底焊，避免出現(xiàn)焊瘤等缺陷，并嚴(yán)格控制層間溫度，層間清理應(yīng)徹底[2]。

6 結(jié)語

由于結(jié)構(gòu)的特殊性，“7”字形鋼管主桁架構(gòu)造復(fù)雜，臥拼難度大，通過現(xiàn)場優(yōu)化及創(chuàng)新，總結(jié)了場地處理方式、拼裝胎架設(shè)計思路、桁架拆分及組拼質(zhì)量控制等方法，確保了拼裝進(jìn)度和質(zhì)量，具有一定的應(yīng)用借鑒價值。由于本工程體量有限，對于更大型的類似結(jié)構(gòu)，可參考以上思路解決實際問題。