大跨度管桁架結(jié)構(gòu)施工工藝

馬旺旺

(四川攀鋼鋼構(gòu)有限公司，四川攀枝花 617000)

近年來(lái)，管桁架直接交匯的結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越多地應(yīng)用于大型公共建筑及工業(yè)廠房之中，該結(jié)構(gòu)形式具有外形豐富、結(jié)構(gòu)輕巧、受力均衡、剛度大、桿件單一等優(yōu)點(diǎn)。但該結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于大跨度建筑中暴露出一定的問(wèn)題，如管桁架拼裝施工難度大、進(jìn)度控制難及施工成本高等[1]。針對(duì)管桁架建筑施工中存在的問(wèn)題，結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有大跨度空間結(jié)構(gòu)施工技術(shù)與鋼管屋桁架的特點(diǎn)，提出了一種新的管桁架結(jié)構(gòu)施工工藝，該工藝可有效地解決大跨度管桁架拼裝難度大、對(duì)技術(shù)要求較高等問(wèn)題。

1 結(jié)構(gòu)形式的選擇

1.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)形式以開口截面鋼桁架為主，適用于小跨度、低載荷、低剛度的工程項(xiàng)目，如小型封閉倉(cāng)庫(kù)項(xiàng)目[2]。由于鋼構(gòu)件的連接方式主要采用焊接或螺栓連接，導(dǎo)致施工繁雜且各組合節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度較低。隨著建筑跨度的不斷增加及對(duì)結(jié)構(gòu)性能要求的提高，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式已難以滿足建筑的要求。

1.2 管桁架拼裝結(jié)構(gòu)形式

為滿足現(xiàn)代化大跨度建筑的修建，組合式巨型鋼管桁架大量運(yùn)用于建筑之中，該結(jié)構(gòu)主要以大型螺旋焊接鋼管為主要受力構(gòu)件，以彩鋼瓦作為屋頂及墻面的主要外部覆蓋結(jié)構(gòu)。對(duì)于封閉的料場(chǎng)，管桁架結(jié)構(gòu)從材料采購(gòu)、制作安裝、后期維修等方面均較網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢(shì)[3]，二者的性能對(duì)比如表1所示。

表1 不同結(jié)構(gòu)形式性能對(duì)比

管桁架結(jié)構(gòu)與開口截面(H型鋼和I字鋼)鋼桁架相比，其截面繞中和軸分布較均勻，使得該結(jié)構(gòu)形式具有良好的抗壓、抗彎扭及抗剪性能和較大的剛度。同時(shí)，管桁架結(jié)構(gòu)無(wú)需增設(shè)節(jié)點(diǎn)板，構(gòu)造簡(jiǎn)單，制作與安裝方便。當(dāng)空間三角形管桁架受豎向均布荷載作用時(shí)，表現(xiàn)出腹桿抗剪、弦桿抗彎的受力機(jī)理。

2 工程概況

“旺蒼60×104t焦化項(xiàng)目——堆煤場(chǎng)干煤棚”工程由攀鋼集團(tuán)成都鋼鐵有限責(zé)任公司所承建，工程主要任務(wù)是完成大型干煤棚廠房的施工。該干煤棚廠房由六榀單層、大跨度鋼管桁架結(jié)構(gòu)組成，節(jié)點(diǎn)采用相貫線節(jié)點(diǎn)，每榀屋架跨度為114m，寬5m，重量為75t。屋架柱之間柱距為19m，柱頂標(biāo)高為21m，屋脊頂標(biāo)高為32m，投影面積為11 400m2，煤棚內(nèi)設(shè)有兩臺(tái)斗輪堆取料機(jī)。巨型管架支承于兩側(cè)鋼柱上，每測(cè)均設(shè)6個(gè)支承點(diǎn)，屋面板選用0.8mm厚YXI130-300-600型瓦灰色彩色壓型鋼板。

該項(xiàng)目所需修建的干煤棚跨度大，對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度、抗壓及抗彎扭能力要求較高，且場(chǎng)地內(nèi)已有兩條皮帶機(jī)正處于工作狀態(tài)。為滿足結(jié)構(gòu)性能要求和不影響皮帶機(jī)的正常工作，采用傳統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式已難以達(dá)到要求。因此，該項(xiàng)目擬采用管桁架直接交匯的結(jié)構(gòu)形式，而針對(duì)該結(jié)構(gòu)形式施工存在的問(wèn)題，采取了一種新的管桁架結(jié)構(gòu)施工工藝。

3 新工藝的原理及設(shè)計(jì)、施工應(yīng)用

3.1 新工藝的基本原理

新工藝主要是通過(guò)在施工現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)臨時(shí)拼裝臺(tái)，為上、下弦平面桁架的組裝提供操作空間，然后利用門型吊架將上弦平面桁架整體提升至指定位，最后，將上、下弦平面桁架拼裝成一體，從而完成單榀管桁架的整體拼裝。

3.2 新工藝的設(shè)計(jì)

管桁架的節(jié)點(diǎn)全部采用相貫線節(jié)點(diǎn)連接，為保證桿件的加工精度和質(zhì)量要求，桿件相貫面的切割均由數(shù)控相貫線自動(dòng)切割機(jī)完成，切割剖口與主管外表面的空間曲線須完全吻合。

(1)由于管桁架體積龐大，對(duì)臨時(shí)拼裝平臺(tái)要求較高，故采用馬凳式鋼支撐作為臨時(shí)拼裝平臺(tái)。該方案既節(jié)約了大量的措施用料，同時(shí)，也保證了場(chǎng)內(nèi)已建成的兩條皮帶機(jī)正常工作。

(2)上、下弦平面管桁架重疊組裝。

(3)利用門型吊架拼裝管桁架，上弦平面桁架采用整體提升、空中移位及角度調(diào)整的施工方法，并完成與下弦平面桁架的組對(duì)。同時(shí)，利用門型吊架對(duì)管桁架拼裝的幾何尺寸進(jìn)行精調(diào)，有效地提高了拼裝精度，保證上、下弦外形尺寸及節(jié)點(diǎn)的一致性。

(4)為保證焊接質(zhì)量，對(duì)剖口的設(shè)計(jì)、焊接順序及焊接參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，有效地控制了因焊接產(chǎn)生的變形。

3.3 新工藝的施工應(yīng)用

大跨度管桁架拼裝施工工藝流程如下圖1所示。

圖1 大跨度管桁架拼裝工藝流程

3.3.1 管桁架的預(yù)拼裝

管桁架的節(jié)點(diǎn)全部采用相貫線節(jié)點(diǎn)連接，由于桿件種類繁多，對(duì)桿件的加工精度與準(zhǔn)確性要求極高，若其中一根管件制作出現(xiàn)錯(cuò)誤，則與之相關(guān)的管件均無(wú)法正確拼裝。因此，須對(duì)加工完成的桿件分類編號(hào)，并且在拼裝前對(duì)管桁架的所有桿件進(jìn)行預(yù)拼裝，以檢查節(jié)點(diǎn)連接的精度[4]。

3.3.2 管桁架的拼裝

3.3.2.1 搭設(shè)臨時(shí)拼裝平臺(tái)

由于堆取料機(jī)先于干煤棚形成，為保證皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的正常運(yùn)行，管桁架拼裝、焊接及吊裝都需要在皮帶機(jī)上部完成。該項(xiàng)目的堆取料機(jī)軌道面高出地面1.5m，皮帶機(jī)高度為1.2m，為保證拼裝順利進(jìn)行，施工的拼裝平臺(tái)須高出地面2.8m。同時(shí)，因?yàn)槭┕がF(xiàn)場(chǎng)地面凹凸不平，若直接放置馬凳式鋼支撐，則馬凳式鋼支撐的頂面不處于同一標(biāo)高上，造成管桁架拼裝困難。為解決這一問(wèn)題，需先利用枕木將地面墊實(shí)，再放置馬凳式鋼支撐。管桁架構(gòu)件在臨時(shí)拼裝平臺(tái)上進(jìn)行組裝焊接(圖2、圖3)。

圖2 馬凳式鋼支撐示意

圖3 臨時(shí)拼裝平臺(tái)示意

整個(gè)臨時(shí)拼裝平臺(tái)由11個(gè)馬凳式支撐組成，分別放置在管桁架的節(jié)點(diǎn)處。設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)馬凳式支撐進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性的校核，以確保拼裝平臺(tái)的安全。

3.3.2.2 上、下弦平面管桁架組裝

(1)首先進(jìn)行下弦平面桁架的組裝。組裝時(shí)，主管對(duì)接焊縫應(yīng)與節(jié)點(diǎn)位置相錯(cuò)500mm以上。同時(shí)，采用全站儀控制下弦外型尺寸，精密水準(zhǔn)儀控制桿件的水平度。

(2)待下弦平面管桁架組裝完成，經(jīng)檢查各項(xiàng)尺寸符合要求后，即可在其上部進(jìn)行上弦平面管桁架組對(duì)。

上弦平面管桁架比下弦平面管桁架長(zhǎng)568mm，由管架中心線分成兩段組裝。組裝前，在下弦平面管桁架主管上設(shè)置20號(hào)槽鋼作為臨時(shí)支撐平面，以便于上弦平面管桁架的組裝(圖4)。

圖4 上、下弦平面桁架組裝

(3)上弦平面管桁架組裝完成后方可對(duì)其進(jìn)行焊接，下弦平面管桁架待上弦平面管桁架提升完成后再進(jìn)行下一步的焊接操作。

3.3.2.3 上弦平面管桁架整體提升

上弦平面管桁架拼組裝、焊接完成后，將上弦平面管桁架整體提升，在空中進(jìn)行上下弦間系桿的安裝。

上弦的提升裝置采用六組門型吊架(圖5)。制作門型吊架前，對(duì)其橫梁、立管進(jìn)行受力計(jì)算，采用Ф159×10mm的無(wú)縫鋼管制作，其具體形式如圖6所示。為保證門型吊架的穩(wěn)定，在其兩邊系上纜風(fēng)繩。

圖5 門型吊架布置示意

圖6 門型吊架提升上弦桿示意

上弦平面管桁架的提升利用門型吊架與捯鏈相配合進(jìn)行(圖7)。在門型架1、2、3上分別懸掛捯鏈1、2、3，同時(shí)水平提升至指定高度(距地面8.5m處)。然后在門型架2、3上分別再設(shè)置捯鏈2'、3'，提升捯鏈2'、3'完成上弦平面管桁架移位及角度調(diào)整(圖8)。

圖7 上弦平面桁架整體水平提升示意

圖8 上弦平面桁架角度調(diào)整示意

3.3.2.4 下弦平面管桁架起拱

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按表2值對(duì)下弦平面管桁架設(shè)置預(yù)拱。

表2 下弦起拱值

起拱采用千斤頂頂升的方法，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)附近，利用15t千斤頂將下弦平面管桁架Φ351×10mm主管頂升到相應(yīng)的起拱值，在馬凳式支撐與主管之間放置鋼板墊(圖9)。

圖9 管桁架起拱示意

3.3.2.5 上、下弦平面管桁架間構(gòu)件拼裝

由于構(gòu)件節(jié)點(diǎn)皆為相貫線節(jié)點(diǎn)，在拼裝時(shí)應(yīng)特別注意先后順序和節(jié)點(diǎn)位置尺寸，以保證每根桿件能正確安裝到位。安裝順序?yàn)橄攘U，后斜桿。立桿保證其垂直度，斜桿保證其安裝角度。

3.3.3 管桁架焊接

(1)管桁架桿件對(duì)接焊縫為全熔透焊縫，質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)。鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的焊接采用部分焊透的組合焊縫，允許在內(nèi)側(cè)的2～3mm不焊透，但需在外側(cè)增加3mm角焊縫，根部無(wú)刨口。焊縫由兩側(cè)的部分熔透焊縫過(guò)渡到角焊縫，焊縫尺寸為1.5倍支管壁厚，焊縫質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)，管桁架的其余焊縫等級(jí)為三級(jí)。

(2)焊接采用由中間往兩邊對(duì)稱、同步的焊接順序，并嚴(yán)格控制線能量，減小焊接殘余應(yīng)力，使應(yīng)力分布較均勻[5]。

(3)鋼管相貫口的焊縫根據(jù)焊接位置與要求的不同，采用不同的剖口形式與工藝進(jìn)行焊接。對(duì)焊縫位置劃分為A、B、C三個(gè)不同區(qū)域(圖10)，與之相對(duì)應(yīng)的焊縫結(jié)構(gòu)形式如圖11所示。

圖10 相貫焊縫分區(qū)

圖11 相貫焊縫分區(qū)焊接形式

合理的焊接順序?qū)Y(jié)構(gòu)的質(zhì)量有著重要的影響，焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照：A(趾部焊縫)→C(根部焊縫)→B(邊側(cè)焊縫)的順序焊接。待施焊完畢后，經(jīng)自檢合格后交由專職檢查人員復(fù)檢，以確保所有的焊縫均滿足要求。圖12為焊接完成的節(jié)點(diǎn)和管桁架。

圖12 焊接完成的節(jié)點(diǎn)和管桁架

4 新工藝特點(diǎn)分析

(1)管桁架的節(jié)點(diǎn)全部采用相貫線節(jié)點(diǎn)連接，使用數(shù)控相貫線自動(dòng)切割機(jī)對(duì)管件的相貫面進(jìn)行切割，管件的剖口嚴(yán)格與主管外表面完全吻合，管件的加工精度和質(zhì)量要求得到有效地保證。

(2)管桁架體積龐大，采用馬凳式鋼支撐作為臨時(shí)拼裝平臺(tái)，可節(jié)約大量措施用料，同時(shí)保證了場(chǎng)地內(nèi)已建成的兩條皮帶機(jī)正常工作。

(3)上、下弦平面管桁架重疊組對(duì)，可有效地保證上、下弦外形尺寸及節(jié)點(diǎn)的一致性。

(4)利用門型吊架拼裝管桁架，上弦平面管桁架采用整體提升、空中移位及角度調(diào)整的施工方法，完成與下弦平面管桁架的組對(duì)。同時(shí)，利用門型吊架對(duì)管桁架拼裝的幾何尺寸進(jìn)行精調(diào)，提高了拼裝的精度。

(5)通過(guò)合理設(shè)計(jì)剖口、焊接順序、焊接參數(shù)，保證了焊接質(zhì)量，焊接變形得到控制。

(6)管桁架吊裝采用了兩臺(tái)150t履帶式起重機(jī)抬吊，兩機(jī)將跨度114m的管桁架吊起并同步行走，完成吊裝。

5 施工工藝方案對(duì)比

新施工工藝與傳統(tǒng)施工工藝的方案適用性及特點(diǎn)如表3所示。

表3 施工工藝方案對(duì)比

通過(guò)表3中的內(nèi)容分析可得出：傳統(tǒng)施工工藝所建造的封閉倉(cāng)庫(kù)在跨度、承載力特征值、地基極限端阻力、基礎(chǔ)嵌入土層中深度等幾個(gè)方面均較新工藝有所不足，結(jié)合本工程項(xiàng)目的具體情況，所提出的管桁架新施工工藝更符合項(xiàng)目的要求和實(shí)際情況。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文所提出的鋼管屋桁架拼裝的施工工藝方法，具有加工及拼裝精度高、質(zhì)量可控、工藝先進(jìn)等特點(diǎn)。通過(guò)所提出的新型施工工藝使得整個(gè)桁架的拼裝過(guò)程無(wú)需采用大型起重設(shè)備及專用胎具即可完成，節(jié)約大量措施用料，并且拼裝精度得到了提高，極大的縮減了項(xiàng)目工期。綜上所述，通過(guò)該新工藝成功完成了國(guó)內(nèi)跨度最大的干煤棚管桁架拼裝，為同類型或與之類似的大跨度管桁架的整體拼裝施工提供了新思路，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。