大跨度空间桁架结构施工技术研究_大跨度桁架结构分析
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大跨度空间管桁架结构施工技术研究
叶青荣 孔祥荣概 述 1.1工程概况
安徽省国际会展中心（图
1、图2）位于合肥市经济技术开发区内，总占地面积约10hm，建筑面积约5.6³104m2。该工程建筑功能主要由3部份组成：地下车库及设备用房（1.6³104m2）、单层大跨度钢结构立体桁架展厅、多层大柱网普通钢结构会议中心（图
3、图4）。该3部份组成整体，地下采用钢筋混凝土梁板柱结构体系；地上2个钢结构展厅跨度分别为66m和51m，其屋盖采用倒梯形体主桁架钢结构体系，组合V字型柱；会议中心部份为3层钢结构框架结构，H型组合钢梁，钢与混凝土组合楼板，V字形柱。该建筑物内部另设置了2个上部结构独立的椭圆形和圆形的会议报告厅，采用双层网壳结构体系。椭圆会议报告厅长轴长约35m，短轴长约25m，呈倾斜形椭圆体。该工程于2002年9月全部建成，由于此工程是按照当前国际展览及会议功能设计建设的大型会议及展览场馆，建筑造型优美，配套设施齐全，建成后已举办了多次大型展览和召开了多次重大国内、国际会议，使用状况良好。
该工程由上海市浦东新区建设（集团）有限公司进行施工总承包。工程于2001年3月18日开工，2002年9月28日竣工，并被评为安徽省优质工程“黄山杯”奖。1.2结构概况
基础采用人工挖孔桩，地下室采用C30现浇混凝土结构。底板厚400mm，采用梁板结构，梁宽300mm~600mm，梁高600mm~2000mm，抗渗S8。
上部采用钢结构，钢结构投影面积约3.5³104m2，总重约6000t，主要有2种结构形式。
第1种形式为①~②轴之间，采用钢结构框架结构，共分3层。第1层为8.8m标高，第2层为17.8m标高，第3层标高为26.438m~22.011m。其中柱截面由Ф500³28钢管组成，侧面为Y字型，梁由焊接H型钢组成，纵向主梁高1.6m,横向主梁高1.0m，屋面梁与外围护结构圆滑过渡，连成一体，侧面呈“7”字型，由焊接H型钢组成，该区钢结构用量约为2000t，钢结构顶标高26.438m。
第2种形式用于②~④轴，采用超长空间桁架结构，主桁架3跨共8榀，总长约153.8m，最大跨度66m，断面为6m³3m倒梯形，用钢管组合而成，其中主管为Ф500³
28、Ф500³25。单榀重约270t，屋面次桁架为平面桁架，长约24m，单榀重约2t，柱同①~②轴线。该区钢结构用量约为4000t，钢结构顶标高为19.713m。
按加工构件划分，会展中心主要为钢管组合柱、钢管桁架及焊接H型钢。钢结构主材选用Q345B。构件表面抛砂除锈，除锈等级为Sa2.5并符合GB8923《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》规定。安装焊缝处100mm~150mm宽范围内不涂装。
构件涂装共分3部分：第1部分为防锈防腐底漆，要求防腐不少于15年，此部分制作后喷涂；第2部分为防火涂料，柱不少于3h，主梁不少于2.5h；第3部分为面漆。1.3 关键技术问题
①本工程主桁架、V型柱、次桁架、副桁架节点均为管材相贯节点，精度要求高，安装难度大，需对制作加工工艺、吊装工艺、高空管构件拼接等技术问题进行研究，解决空间相贯曲面放样切割和拼接的技术难点，确保制作加工和安装质量。
②由于在1~3轴范围内有地下室存在，因此在该2跨内无法开行吊车，超长型管桁架跨越1~3轴，必须想办法解决该区域管桁架的吊装问题。
③由于整个结构柱采用Y型构架柱，因此在柱及屋面主桁架安装前必须考虑该柱的安全稳定，安装主桁架后必须考虑柱与桁架的整体稳定。
④用2 台300t吊车抬吊重160t的87.3 m段主桁架，需验算桁架的整体刚度和吊点处的强度，并严格控制吊车的吊重和回转半径。⑤在制作、运输和安装的整个过程中，必须对不同工况的受力情况进行分析，对临时支墩和临时加固措施进行设计和优化，以确保质量和安全。构件制作加工 2.1主桁架分段
主桁架全长约153.8m，按吊装要求，主桁架分2段：L1≈87.3m，L2≈66.5m。其中87.3m段由5段接长而成，66.5m段由3段接长而成。2.2钢管桁架、钢管组合柱制作工艺
钢管主桁架制作采用厂内分构件加工制作、现场组装形式，产品零件加工后逐一编号，再成套批运至现场，现场共设3个87.3m胎架，先拼上下直腹杆，再拼侧边腹杆，最后拼焊上面斜腹杆，主管焊接口端加工坡口，画出上下弦装配依线，依线距每端100mm处，焊接时管内放置衬管。
24m次桁架厂内制作，再运至现场吊装。V型柱由厂内分片制作，再运至现场拼装。
梁柱腹杆支撑管用数控相贯线气割机切割。2.3屋面梁制作
屋面梁平面呈“7”字形，总长分别为64.601m、52.516m，分直线段（分2段），中间圆弧段，圆弧段4段制作，其中圆弧段最长，其长度为28.75m，重约5.6t，梁截面均为H型，截面高度1.2m，4段之间用高强螺栓在现场拼接。
2.3.1放样
选择28m³35m场地。以1轴为基准按图分2片放样（场地限制），用三角形法分别找出水平线和垂直线。
以1轴为基准分别划出顶部左上角小圆弧中小线沿中心线划出构件形状。2.3.2下料划线
划线应在确认型钢尺寸后据切割计划精确操作并使用样板。划线尺寸应考虑收缩余量，一般长度方向放20mm~30mm，对于腹板与翼板接触处坡口角焊时则在腹板的设计宽度基础上放2mm~3mm的收缩余量。根据首件加工实测收缩余量再适当调整余量。2.3.3切割和坡口
厚度≤12mm钢板，长≤2.4m的可用剪板机，厚度≥12mm的采用多头直条切割机和半自动切割机，板焊型钢切断用H型钢切割机。坡口采用半自动切割机，切割后坡口表面用砂轮机打磨。切割端应无重大不规则缺口、毛刺、积渣。坡口角度公差控制在±5°之内。条板或坡口必须2个割嘴同时切割，并控制板宽切割误差。2.3.4弯曲
钢板校正采用火焰和压机。圆弧板在卷板机上卷制。2.3.5钻孔
先钻孔后装配的预制零件，其孔用Z32K摇臂钻床，孔周围去除毛刺。钻孔采用钻模板。2.3.6组装
在组装前，部件的每一个零件确认其代号、尺寸、角度、无翘曲、扭曲、切割端及孔有无缺陷等。弧形构件组装应使用夹具、角尺或用其他适当方法精确地进行。对于角焊来说，各零件应紧密装配，局部控制在0.5mm~1mm，坡口焊需特别注意根部间隙和封底间隙。按图分段拼装H型钢，大小圆弧构件采用手工拼制，直段用H型钢组立机。
在水平的架台上拼板，主要控制长度方向的直线度、弧度、厚度方向接头处的错边公差及端部角尺度，将零件调整摆正后点焊固定并设引弧板。对接焊原则用埋弧自动焊，当不能用自动焊时才能手工焊。焊妥正面焊缝，用行车反身焊妥反面。在焊反面时用碳弧气刨清根并检查清根情况。焊接后的变形矫正用火焰或压机，弧形板矫正后在放样平台上复核圆弧度的正确性，此腹板在未装配前必须正确。2.4 钢结构焊接质量检验 2.4.1焊缝质量等级
V字形柱、管桁架对接圆管为一级焊缝，相贯线焊接的柱支撑、桁架腹杆为二级焊缝。
H型钢腹板厚度≥16mm以及主梁均为二级焊缝，其余为三级焊缝。2.4.2焊缝质量检查项目及要求
一级焊缝：外观检查评定，100%超声波探伤（评定等级II，检验等级B）；
二级焊缝：外观检查评定，20%超声波探伤（评定等级III，检查等级B）；
三级焊缝：只做外观检查评定。
对于Q345B主材，超声波探伤检验在完成焊接24h后方可进行检查。构件运输
会展中心钢结构材料加工构部件制作主要在上海及无锡，根据材料构部件结构形式、外形尺寸、重量，确定公路运输方案。3.1运输对象
24m次桁架，24m³1.00m³0.18m，单位重1.3t，220榀。V字型柱按左右两肢分别运至工地，单肢最大重约25t，共64肢。H型钢梁，主梁高1.6m和1.5m，次梁高1.0m，最长为24m。单件重量5t~5.7t。
“7”字梁，分4段，最长1段为28.75m，单件重约5.65lt。
主桁架在工厂内加工成管材、板材，运至现场后再进行拼装。3.2运输路线
按加工地点，运输路线分2条：1条为上海——南京——合肥开发区工地，公路运输全程约560km。第2条为无锡——南京——合肥开发区工地，公路运输全程约300km。3.3运输方案
根据构件的运输尺寸及重量，结合道路情况，平面次桁架、V形柱、H型钢梁、“7”字型梁采用肯奥驰T800牵引车牵引载重90t的可伸缩五轴线平板车装载运输。
为保证构件运输安全及构件运输过程不产生变形误差，装载时构件与平板车之间需加垫枕木。对于超宽构件，要制作钢制托板，以保证其运输安全，构件叠放时，构件间需加垫木。
装车后采用Ф19.5mm钢丝绳、40#紧缩器、19.5mm绳扣等材料进行加固捆绑，加固采用下压式八字紧固法。构件吊装
4.1主要吊装机械选择
①钢管主桁架加工由厂内下料，相贯线、剖口切割后运到现场，在现场搭好镶拼台，由80t吊机配合进行拼装。
②1~4列主桁架分为2段安装，第1段为1~3 列，长为87.3m，重量为160t；第2段为3~4 列，长为67.5m，重量为113t。
③在1、3列外档布置CC2000型300t履带吊机各1台，负责吊装第1段主桁架，安装1~3列钢柱与屋面结构。1~3列屋面主桁架总重160t。用2台300t履带吊抬吊时，吊机接60m巴杆，R=16m，Q=87t，H=58m。各能承担1～3列主桁架50%以上的安装重量。
④3~4列屋面主桁架总重113t。用1台300t履带吊接60m巴杆，Ｒ＝12m，Ｑ＝123t,H=59m。布置在3~4列中间，吊装第2段主桁架，安装3~4列屋面结构。
⑤300t履带吊接60m巴杆，R=30m，Q=35t，H=53m，安装0~1列7字形钢柱和三层楼面结构，停机位置在0列外档。
⑥300t履带吊接24m主臂，54m副臂，R=54m，Q=15t，H=41m，吊装2~3列中间屋面檩条。
⑦KH300、80t履带吊，31m巴杆，R=7m，Q=34t，H=28m，承担3~4列屋架镶拼、卸车。
⑧KH180、50t履带吊，37m巴杆，R=8m，Q=14.9t，H=32.7m，承担0~1列“7”字形钢柱镶拼、卸车，安装楼层框架梁。
以上机械布置全部采用机械化安装屋面结构，能在预定工期内把整个钢结构安装完毕。4.2 路基要求
①300t履带吊道路宽12m，地基承载力要求12t/m2。平整度10m内纵横不大于10。吊车行走道路路面采用200mm厚C20混凝土，内配φ16@200钢筋网片。
②50t、80t履带吊道路宽8m，地基承载力8t/m2。
③屋架相拼台要求平整、坚实，地基承载力8t/m2。
4.3 “7”字形和V字形钢柱吊装技术
① 0~1列“7”字形钢柱采用80t吊机40m把杆，R=14m，Q=12.8t，H=36m，钢柱重量为10.3t左右，在吊机起重量内，吊点设在顶部重心两侧，起吊时根部用15t吊机协助扶直，根据钢柱角度配备吊装索具。
②1、2、3、4列钢柱形态为V字形，1轴钢柱重量为50t，2轴左肢柱为23t、右肢柱为19t，3~4轴柱分别为8t、9t。1列钢柱吊装机械采用300t吊机、60m主臂，R=20m，Q=62t，H=57m；2轴钢柱吊装半径为R=38m，Q=23.6t，R=42m，Q=20.2t；
3、4列钢柱吊装半径为R=38m，Q=23.6t，R=42m，Q=20.2t；
3、4列钢柱吊装机械采用50t吊机37m巴杆，R=10m，Q=10.4m，H=33m。
③钢柱安装前应对基础标高与轴线进行复核，超出规范的偏差应立即修正，对钢柱的长度、断面挠曲以及标高进行预检。
④钢柱采用边吊边校正，经纬仪要求定位观察，防止V形柱角度偏差，校正索具采用浪风形式，钢柱稳定措施用浪风拉索进行临时固定，待屋架安装后，才能进行拆除。
⑤钢柱安装，先安装右肢柱再安装左肢柱，钢柱稳定采用浪风措施，1轴钢柱浪风拉力为9t，2、3、4轴钢柱浪风拉力为4t，每根钢柱拉4根浪风。4.4支架吊装
①吊1~3列屋架前，先在2/
1、5/
2、3轴外档，各立支架平台2只，300t吊把屋架吊到支架平台上，调整好标高轴线，然后与1列、2列、3列V形柱连接，并电焊固定。
②1~3列屋架支架设置6只，2/1轴支架标高为17.85m，5/2轴支架标高为14.6m，3轴外档2只支架标高为12m，支架由3t~8t塔吊高节架组成，地面装1只底座，底座与2.4m路基箱固定。上面装1只平台，每只平台荷载为40t。
③为保证平台受力稳定，在纵向2只平台之间4.5m开档内用脚手管连接，横向每只平台各拉2根浪风，浪风绳根分别生在±0.00，+1.5m平台预埋件上。
④ 2/1轴、5/2轴支架在地下室楼顶上，要求支架在地下室立柱中间，立柱四周2.5³6m范围内进行楼板加固。
⑤支架安装分别由300t吊机，R=60m，R=54m，Q=14.6t，H=31m，进行安装，支架整体重量为10t，安装为4点起吊，千斤采用Ф21mm³6m³4根，卸甲采用Ф25mm³4只。
⑥3~4列屋架支架设置4只，位置在3列向右15m处，4轴向左6m处，标高分别为11.25m和10.34m。
⑦屋架支承在支架平台上，采用Ф500³28圆管檩托支承，不能用油泵直接支在屋架上弦主杆上，屋架调整好后，在油泵边用道木抄实，防止倾斜，油泵采用50t³2只、30t³4只。
⑧两边屋架连成整体后，只能拆除一边屋架支架平台，不能把两边支加架平台同时拆除，以确保屋架稳定和次桁架安装准确。4.5屋架吊装
①屋架吊装1~2~3列各8榀，在地面组成1~3列8榀，在A、R轴外挡平地上镶拼成整体，由2台CC2000型，300t吊机进行抬吊，屋架长度为87m，整体屋架重量为160t。
②300t吊机，把杆长度60m，Q=87t，H=59m，R=14m，Q=107t,H=59.8m。屋架长度87m,Q=160t,屋架吊点分别设在屋架与钢柱节点处，1轴吊装重量为70.5t,3轴吊装重量为89.5t,300t吊机起重量乘以抬吊系数0.85,起重量分别为74t与91t ,能满足屋架吊装。每台300t吊机索具采用4点吊装，钢丝绳采用Ф50³14m³2根、Ф43³14m³2根，捆扎千斤φ39³8m³4P、Ф32³8m³4P一做二，卸甲采用高强度25t ³16只。
③3~4列屋架由300t吊机单机安装，屋架长度约68m,300t吊机巴杆长度60m,R=12m,Q=123t,H=59m,屋架重量为113t，在吊机起重量内。屋架采用8吊吊装，吊点设在屋架上弦杆，吊装钢丝绳采用Ф43mm³30m³4根，捆扎千斤Ф32mm³8m³8P一做二，卸甲采用高强度25t³16只。
④屋架材料均为管材，形状为倒等腰四边形。截面尺寸，上弦杆宽度为6m,下弦宽为1.2m，高度为3m。安装前必须对柱子顶面及屋架进行预检，预检内容：对轴线的几何尺寸、垂直度和平面尺寸。
⑤钢屋架就位应使用道木抄实，钢屋架两侧用撑头撑牢以防倾覆，钢屋架吊装时应保持平稳，回转应缓慢，严格控制吊机半径，不得超载。双机抬吊屋架要求指挥统一，2台吊机起升高度保持一致。抬吊行走时，2台300t吊机行走速度保持统一，路面要求做到平整、坚实。
⑥屋架与钢柱连接形式是钢柱支承在屋架上弦杆，节点形式是管材相连接，焊接为全熔透焊，钢屋架安装到位后，待屋架与钢柱电焊连接固定牢靠，再拆除钢屋架吊装索具。
⑦次桁架与垂直桁架节点形式均为管材相贯节点，为保证桁架安装顺利到位，桁架一头采用内套管伸缩形式，安装时要求节点处用电焊固定牢靠后，才能松钩。次桁架重量为6t，垂直桁架为1.5t，吊点形式分别采用4点和2点吊装。
⑧屋架吊装稳定措施
a.第1榀屋架吊装到位后，在屋架两侧采用缆风绳校正固定，缆风绳设3道，从屋架中心向两边均分距离布设；
b.每1段屋架吊装先搁在钢支架平台上，在钢支架平台上调整好轴线、标高，然后屋架与钢柱节点柱进行固定；
c.第2榀屋架安装到位后，由副机80t吊机与50t吊机，把垂直支撑尽快安装完毕，再拆除300t吊机吊装索具，确保屋架的整体稳定。4.6 H型钢梁吊装
①0~2轴框架平台标高8.8m，0~1轴框架平台标高17.8m，钢梁节点形式为高强螺栓节点，主梁螺栓为Ф24，次梁螺栓为Ф20，摩擦系数为0.45，扭矩分别为78kg²m和60kg²m。
②框架平台安装采用KH300、80t吊机，31m巴杆，R=18m，Q=9t，H=24m，钢梁采用两点捆扎安装，钢梁最大重量约为8t。
③钢柱与屋架节点均为相关管节点，安装时，先把左肢柱与屋架连接，再把右肢柱与屋架连接，确保斜柱成一条直线。
④屋架校正采用6点一线校正，屋架两端2点，中间均分3点，校正方法用30t、50t千斤顶，手拉葫芦进行。4.7网架安装
①根据网架拼装施工图，每一层杆件分类编号、堆放，拼装时逐一复查，对号入座。
②网架拼装方法用由下向上逐层拼装。首先根据网架尺寸，在网架位置定出球支点位置，在球支点处放置不同高低的拎托，用水准仪测量并调整标高。
③网架拼装，首先从地面一层下弦杆和下弦球进行组装，组装后用水准仪和标尺复测标高，用钢尺复测平面尺寸，确定符合施工规范后，固定高强螺栓销子。
④每一层网架由中心向跨度两边对称拼装腹杆、上弦杆与下弦球，保证网架整体的稳定性，防止网架单向受力变形，一层网架组装后，复测对角线尺寸、垂直平面尺寸、中心轴。现场焊接工艺
①在焊接施工前进行焊接工艺性能试验和工艺评定，结合实际情况，编制焊接工艺指导书。
②本工程工地焊缝，钢柱与桁架节点主桁架对接节点、钢柱对接节点焊缝等级为I级，其余焊缝等级为Ⅱ级，均采用手工弧焊，焊机用直流焊机，焊条采用E5015。
③对每一焊接点均按焊接工艺要求进行焊接，对厚板如气温较低采取预热、后热保温等措施。④按结构焊接管理要求保管好焊接材料，不可在工程中使用涂料剥落、脏污吸潮、生锈的焊接材料。
⑤ E50焊条应经过烘箱（温度为300℃~500℃）1h，烘干后放入保温筒使用，当天未使用完的焊条，需存放在电热干燥箱中。
⑥直接受降雨影响时停止施工，多雨季节应采取适当的防雨措施，焊接部位附近的风速不得超过10m/s，如风速超过规定时，应采用防风措施后方可焊接。
⑦对长焊缝节点，采用交叉对称焊接，焊接要保持平整、均匀和熔透。每道焊缝完工后，必须将焊渣、溅物清除干净，焊条头集中存放在工具袋内，不得随便乱丢。
⑧提高责任性，不得在构件上乱打弧，焊接过程中发现焊接缺陷应立即停焊并采取补救措施。
⑨超声波探伤检测
a.厚板、特厚板焊接，应对基本金属坡口两侧50mm~300mm范围进行层裂及缺陷检查。
b.焊缝内部缺陷的检查采用单位焊缝（焊缝在300mm以上时），即在缺陷最密集处取连续长度300mm作单位焊缝。焊缝长度小于300mm时以焊缝全长作为单位焊缝。单位焊缝是否合格，根据焊缝的种类，用缺陷评价长度及回波高度区域来判定。当存在复数缺陷时，还要考虑评价长度的总和进度是否合格的评定。其各种缺陷回波高度取最大的区域。
⑩探伤方法
a.当钢板厚度为9mm~45mm时，一般焊缝采用斜角单探头法检测； b.当钢板厚度>9mm~45mm时，对于K型、V型、U型坡口存在垂直于探伤面的坡口未熔合及具有钝边的未焊透时，必须采用垂直探伤法；
c.厚板焊缝采用双探头的纵列探伤法或混合检测，即前两者并用，其探伤标准由设计确定；
d.仪器、探头性能、耦合剂、标准试块和对比试块的选择，制作回波高度曲线确定控制值。
对于不合格的焊缝宜用碳弧气刨法。超声波检查有裂纹的焊缝，从裂纹两端加50mm作为清除部分，并以同样的焊接工艺进行补焊，用同样方法进行检查。同一焊缝的修理一般不得超过2次，否则要更换母材。
由于焊接原因，发现母材裂纹或层状撕裂时，原则上应更换母材，如得到设计部门和质量检验部门同意，亦可局部处理。结 语
管桁架同网架比，杆件较少，节点美观，不会出现较大的球节点，利用大跨度空间管桁架结构，可以建造出各种体态轻盈的大跨度结构，在公共民用建筑中，尤其是在大型会展和体育场馆建设中，有着广泛推广应用的发展前景。
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