杜浩
摘要:近年來,我國建筑行業(yè)的發(fā)展,使鋼結(jié)構(gòu)成為一種廣泛應(yīng)用的建筑形式,而鋼結(jié)構(gòu)管桁架更是在許多大型建筑中得以應(yīng)用。本文以某機場中的機庫為例,對大跨度管桁架機庫的鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行深入研究,以期能夠提高鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用水平,使更多的大跨度空間能夠采用鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)。
Abstract: In recent years, the development of China's construction industry has made steel structures a widely used construction form, and steel pipe trusses have been used in many large buildings. This article takes a hangar in an airport as an example to conduct in-depth research on the steel structure construction technology of a long-span pipe truss hangar, with a view to improving the application level of steel structure construction technology and enabling more large-span spaces to use steel construction technology.
關(guān)鍵詞:大跨度管桁架;機庫;鋼結(jié)構(gòu);施工技術(shù)
Key words: long-span pipe truss;hangar;steel structure;construction technology
中圖分類號:TU391 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號:1006-4311(2020)06-0166-03
0 ?引言
在許多大型建筑中,其屋蓋結(jié)構(gòu)都采用了鋼結(jié)構(gòu)管桁架,因這種結(jié)構(gòu)的伸縮能力出色,而且不需要投入較大的制造成本,這使其應(yīng)用范圍非常廣泛,可使建筑安全性得到極大提升。鋼結(jié)構(gòu)管桁架屬于一種非常獨特的建筑結(jié)構(gòu)體系,通過該建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,以此實現(xiàn)對大跨度空間的設(shè)計,能夠使建筑變得更加美觀,并降低施工成本,正是其在這些方面上的應(yīng)用優(yōu)勢,使其在建筑行業(yè)中有著非常廣闊的發(fā)展前景。
1 ?項目概況
某機場維修區(qū)中,其機庫主體結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)桁架為四肢格構(gòu)式落地桁架,該桁架通過邊桁架、平面桁架、柱間支撐和屋面支撐來搭建一個大跨度空間。在機庫中,可將桁架結(jié)構(gòu)按照大廳與門頭兩個部分來進(jìn)行劃分,其中大廳部分的桁架空間跨度達(dá)到76.3m,而門頭部分的桁架空間跨度則達(dá)到97m,整個機庫的進(jìn)深為100m,標(biāo)高為23.6m,該桁架采用鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù),并以Q345B鋼管為結(jié)構(gòu)材料。在機庫的大跨度空間中,鋼結(jié)構(gòu)管桁架的截面規(guī)格是?覫89×4至?覫299×16,在門頭部分的桁架中,其鋼結(jié)構(gòu)的焊接位置存在一些焊接球,其截面是WS400×16與WSR500×20,桁架弦桿跨中區(qū)域則應(yīng)用鑄鋼節(jié)點。該機庫的整個鋼結(jié)構(gòu)管桁架質(zhì)量在1200t左右。
2 ?鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)中的重難點
在對機庫大跨架鋼管桁架的鋼結(jié)構(gòu)施工中,需要明確其技術(shù)特點,并了解其施工重難點,在技術(shù)特點上主要有三點:其一,在機庫大廳部分中,利用鑄鋼節(jié)點來實現(xiàn)對桁架跨中主弦桿的連接;其二,在機庫的四肢格構(gòu)式落地桁架中,其柱腳形式為杯口式;其三,整個桁架中采用的抗風(fēng)柱、格構(gòu)柱、門頭橇架以及大廳桁架數(shù)量分別是7根、30根、2榀與11榀。在對機庫四肢格構(gòu)式落地桁架進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)施工時,其重難點則主要體現(xiàn)在以下幾個方面:首先,鋼結(jié)構(gòu)的施工任務(wù)繁多,并且施工面積較大,同時因其桁架標(biāo)高為23.6m,因此在安裝時需要進(jìn)行高空作業(yè)。其次,鋼結(jié)構(gòu)施工所采用的各種構(gòu)件種類眾多,要想控制其施工質(zhì)量會存在較大難度。再次,在鋼結(jié)構(gòu)施工中需要進(jìn)行大量的拼裝作業(yè),具體包括6142根桁架桿、23個鑄鋼節(jié)點以及132個焊接球。此外,在爆接過程中除了要對球管進(jìn)行焊接以外,還要對鋼管與鋼管進(jìn)行貫通焊接,對鑄鋼節(jié)點進(jìn)行焊接等,因此需要嚴(yán)格控制焊接工藝質(zhì)量。最后,在進(jìn)行地面拼裝和吊裝時,需要嚴(yán)格控制桁架的位移與變形問題,同時考慮到需要利用鑄鋼節(jié)點來對大廳桁架部分的跨中區(qū)域進(jìn)行連接,因此在安裝難度上是比較大的。
3 ?鋼結(jié)構(gòu)分段、拼裝及其胎架
3.1 桁架的分段與拼裝
在對機庫大跨架鋼管桁架進(jìn)行拼裝時,需要分別對邊桁架、主桁架、環(huán)桁架、抗風(fēng)柱以及次桁架進(jìn)行拼裝,而對于主桁架與邊桁架來說,其結(jié)構(gòu)都是四邊形的,而對于環(huán)桁架、次桁架以及抗風(fēng)柱來說,其都是平面桁架。具體拼裝步驟如下:其一,需要對主桁架進(jìn)行劃分,使其被分解為桁架梁與桁架柱兩個部分,然后通過三段來劃分桁架柱,并將其在地面上拼裝。而大廳桁架梁則需分解為2個半榀桁架,同樣按照三段來進(jìn)行劃分,然后在地面拼裝胎架上拼裝各段桁架梁,待拼裝完畢時在原來位置上對三段桁架進(jìn)行組拼;其二,按照前后片來對門頭部分的桁架梁進(jìn)行劃分,然后按照四段在地面上對前、后片桁架實施拼裝,在此基礎(chǔ)上對半榀前、后片桁架進(jìn)行組合,使其成為2個半榀小拼單元;其三,通過地面分段方式對次桁架、邊桁架以及環(huán)桁架進(jìn)行組拼;其四,在拼裝抗風(fēng)柱時,需要劃分為三段來進(jìn)行地面拼裝。
3.2 胎架拼裝
考慮到鋼桁架中許多構(gòu)件的尺寸較長,這會給現(xiàn)場組拼帶來難度,因此需要在地面上采用胎架來實現(xiàn)預(yù)拼裝,然后將各個構(gòu)件進(jìn)行分段吊裝,并置于高空拼裝平臺中組拼。在對胎架進(jìn)行設(shè)置時,需要對運輸?shù)缆肥欠癖憬菀约笆欠駮艿铰膸鹬貦C的影響進(jìn)行充分考慮。在對胎架進(jìn)行搭設(shè)完畢后,還要應(yīng)用水準(zhǔn)儀來對其位置尺寸進(jìn)行復(fù)合,最大偏差不得超過20mm,待復(fù)核后滿足要求時再對桁架進(jìn)行拼裝。在拼裝過程中,需要在胎架支撐點上水平放置桁架弦桿,同時用水準(zhǔn)儀來對其水平度進(jìn)行復(fù)核,待桁架弦桿滿足復(fù)合要求后,方可對桁架進(jìn)行拼裝。
4 ?支撐架
格構(gòu)式桁架柱兩側(cè)分別是大廳桁架梁,在進(jìn)行分段拼裝與吊裝時,應(yīng)采取臨時支撐的方式來對桁架分段處進(jìn)行固定,以確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,同時也能便于后續(xù)的安裝對接。考慮到桁架梁分段的接口投影并未處于軸線位置,因此需要將基礎(chǔ)設(shè)置到接口位置的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)底部,以確保達(dá)到承重要求。在計算支撐結(jié)構(gòu)時,需要驗算主桁架的最大受力值,確保支撐架的高度能夠保持在21m。而在支撐架支點處所產(chǎn)生的反力最大值是17.6t,支撐架位的最大位移值達(dá)到2.7mm,支撐架的最大應(yīng)力值是32MPa,最大應(yīng)力比則為0.1,能夠滿足要求。之所以要設(shè)置支撐架基礎(chǔ),其目的是為了更好的對軸心荷載進(jìn)行承受,由于其只是臨時使用,因此需要采用無筋擴展方式來進(jìn)行設(shè)計,并對構(gòu)造鋼筋進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲?。在對基礎(chǔ)進(jìn)行計算時,耐力調(diào)節(jié)不需以實際尺寸為準(zhǔn),將其fa的值統(tǒng)一設(shè)定為100kPa,所采用的混凝土強度為C30,ft與fc的值分別為1.43MPa與14.3MPa。因各個基礎(chǔ)的支撐架有著相同的有效面積,因此只需對各個支撐架的受力最大基礎(chǔ)進(jìn)行計算即可。通過驗算承載力,門頭橇架梁和大廳橇架梁的支撐架基礎(chǔ)都能夠達(dá)到使用要求。因橇架梁只有很少的支撐點位,并且其標(biāo)準(zhǔn)節(jié)較高,所需承受的荷載也比較大,因此需要確保標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的承載力足夠,通過風(fēng)繩來提高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的穩(wěn)定性。
5 ?鋼結(jié)構(gòu)安裝
5.1 分段安裝的優(yōu)勢及重點
分段安裝的優(yōu)勢有五點,其一,能夠使實際受力狀態(tài)和設(shè)計狀態(tài)相接近;其二,具有技術(shù)先進(jìn)性;其三,不需要和土建進(jìn)行密切的配合,能夠減少交叉施工現(xiàn)象;其四,拼裝作業(yè)可在地面進(jìn)行,能夠使高空焊接作業(yè)的工作量大幅減少,進(jìn)而更易保證焊接質(zhì)量;其五,能夠大幅減少高空作業(yè),保障施工安全。在分段安裝中還有一些重點需要注意:首先,需要對鋼結(jié)構(gòu)的運輸、加工及組裝單元進(jìn)行精心劃分。其次,需在現(xiàn)場對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的糾正,同時嚴(yán)格控制焊接措施。再次,必須要保證高空中的對接精度。
5.2 安裝桁架柱
按照三段來對桁架柱進(jìn)行劃分,使其拼裝作業(yè)能夠置于地面的拼裝胎架中進(jìn)行,然后利用履帶起重機來進(jìn)行依次吊裝。操作平臺需搭設(shè)在桁架柱的接口位置,待到土建鋼管混凝土施工完畢后,對上節(jié)桁架柱進(jìn)行繼續(xù)安裝,然后依次安裝所有的桁架柱。
5.3 安裝大廳桁架
在機庫大廳部分共包括11榀桁架梁,其跨度達(dá)到76.3m,桁架柱作為桁架的兩端支撐。在安裝大廳部分的桁架梁時,需要在地面拼裝胎架上對桁架梁進(jìn)行拼裝,拼裝長度在20m左右,然后對半榀桁架梁進(jìn)行地面組拼,組拼長度在39m左右,利用履帶起重機來吊裝半榀稈架梁,使其能夠置于臨時支撐架與鋼柱的上方,然后再對另一半桁架梁進(jìn)行吊裝,以此實現(xiàn)對第一榀桁架的安裝。重復(fù)采用上述部聚,分別對第二榀與第三榀桁架進(jìn)行安裝,在對第二榀桁架進(jìn)行安裝的同時,還要對相應(yīng)的次桁架與斜橇架進(jìn)行安裝,以此確保桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在第三榀主桁架及其次桁架進(jìn)行安裝完畢后,對第一榀主桁架的支撐節(jié)進(jìn)行拆除,并在第四榀桁架上安裝原來拆除的支撐架,最后再對大廳桁架進(jìn)行安裝,直至到達(dá)門頭為止。
5.4 安裝門頭桁架
機庫的門頭部分桁架梁分別包括ZHJ-4與ZHJ-5,2榀。該部分的桁架梁跨度達(dá)到76.3m,而總長度則達(dá)到99m,桁架柱需對樁架梁的兩側(cè)進(jìn)行支撐。在對該部分的桁架進(jìn)行安裝時,需在地面對桁架進(jìn)行50m左右的拼裝,使上述兩榀能夠通過拼裝形成小拼組合單元,并通過履帶起重機及吊車,采取雙機抬吊方式,使ZHJ-4與ZHJ-5的一半能夠吊裝就位,格構(gòu)柱頂與臨時支撐架分別為半榀組合單元的兩側(cè),在對另一半半榀組合單元進(jìn)行吊裝時,也同樣采用上述方法。
6 ?施工模擬及其監(jiān)測
施工模擬驗算需應(yīng)用到Midas Gen軟件,利用該軟件分別分析對吊裝單元的應(yīng)力、應(yīng)力比、位移、反力,以確保吊裝作業(yè)、卸載精度能夠在理論層面上滿足安全要求。在對大廳部分的桁架進(jìn)行吊裝與卸載驗算時,應(yīng)通過階段性卸載來進(jìn)行,桁架在自重狀態(tài)下,其最大反力值可達(dá)到6.6t,在吊裝時桁架的位移最大值則是3.8mm,其應(yīng)力最大值則是28MPa,在安裝半榀桁架后,其支撐節(jié)中的反力達(dá)到8.6t,最大位移值與最大應(yīng)力值分別是5.5mm和42MPa。在對整榀桁架進(jìn)行安裝完畢后,支撐節(jié)卻未拆除時,則其所受到的反力可達(dá)到17.2t,最大位移值是11mm,最大應(yīng)務(wù)值是59MPa。在對三榀桁架進(jìn)行安裝完畢后,支撐節(jié)所受到的最大反力可達(dá)到22t,最大位移值與最大應(yīng)力值分別是16mm與69MPa。在對三榀桁架進(jìn)行安裝完畢后,對第一榀桁架上的支撐點進(jìn)行卸載時,其所受到的最大反力可達(dá)到40.4t,而最大位移值則達(dá)到29mm。在對門頭部分的桁架進(jìn)行吊裝與卸載驗算時,在吊裝時桁架的位移最大值則是15mm,其應(yīng)力最大值則是57.4MPa,最大反力可達(dá)到27.8t。通過模擬和驗算桁架梁的吊裝過程,在吊裝桁架梁組拼單元時,其所受到的反力、應(yīng)力及其應(yīng)力比、位移等全部都能達(dá)到設(shè)計要求。因桁架的格構(gòu)柱共30根,并且都是按照三節(jié)來進(jìn)行劃分的,因此各個格構(gòu)柱的全高垂偏及杯口位置的偏差分別是20mm與5mm以內(nèi)。在13榀的桁架梁吊裝過程中,其桁架梁找度也能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。在共計1.2萬道焊縫中,有823道焊縫達(dá)到1級標(biāo)準(zhǔn),通過一次焊接探傷,檢測結(jié)果表明焊接合格率為99.5%。該結(jié)果能夠滿足大跨度桁架結(jié)構(gòu)形式機庫建筑的使用要求。
7 ?結(jié)語
科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,使人們對建筑工程的經(jīng)濟性、美觀性、實用性及安全性變得越來越關(guān)注,隨著更多先進(jìn)施工技術(shù)的推廣與應(yīng)用,大跨度管桁架鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用范圍也將進(jìn)一步擴大,進(jìn)而使建筑行業(yè)得到更好的發(fā)展。通過該施工技術(shù),可降低施工成本,提高施工質(zhì)量,并可兼顧結(jié)構(gòu)的實用性、經(jīng)濟性和美觀性,不過其應(yīng)用過程中卻比較復(fù)雜,在施工過程中尚有許多關(guān)鍵之處要進(jìn)行嚴(yán)格的控制與監(jiān)管,只有這樣才能使建筑工程發(fā)揮出最大的綜合效益。
參考文獻(xiàn):
[1]馬軍亮,張嶺如,劇孟飛,唐延俊.戶內(nèi)直流場空間立體鋼管桁架結(jié)構(gòu)吊裝施工技術(shù)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2017(S1):369-373.
[2]盧立香.鑄鋼節(jié)點在大跨度管桁架建筑鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用探討[J].鋼結(jié)構(gòu),2003(05):28-30.
[3]陳峰,李鍵,郝海龍,陳宇.北京海淀展覽館大跨度預(yù)應(yīng)力管桁架安裝技術(shù)[J].施工技術(shù),2018,47(08):8-10.
[4]姬帥,蘆繼忠,凌亞青,林俊,白潔俊.鋼結(jié)構(gòu)拼裝胎架研制及其在大跨度鋼桁架中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu),2018,48(15):66-70.
[5]張瑞森,宋紅智.天津機場航站樓大跨度管桁架鋼結(jié)構(gòu)屋蓋安裝技術(shù)[J].天津建設(shè)科技,2009,19(02):19-22.
[6]張媛媛,辛?xí)赠i.大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架設(shè)計要點分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2019(12):111-112.