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渤海國際專家服務(wù)中心體育館和休閑中心鋼桁架的制作與安裝技術(shù)

作者:建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間:2009-12-22 20:26:20 [收藏]

    摘 要:本文介紹了大跨度鋼桁架的制作與安裝工藝,闡述詳圖設(shè)計(jì)、預(yù)拼裝和低應(yīng)力狀態(tài)下焊接質(zhì)量控制等方法;運(yùn)用ansys計(jì)算軟件分析大跨度桁架吊裝時(shí)應(yīng)力變形及支架模型的應(yīng)力變形,確保結(jié)構(gòu)施工安全可靠
    關(guān)鍵詞:大跨度 桁架 制作 安裝

    1.工程概況
    渤海國際專家服務(wù)中心休閑中心和體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用雙向斜交平面桁架拱系,桁架拱采用管道相貫焊接。屋蓋桁架由平行的主桁架(XZHJ)及放射狀的次桁架(XHHJ)兩兩相交組成。屋蓋邊界處有一道環(huán)向邊桁架(XBHJ)進(jìn)行封閉,結(jié)構(gòu)形成一個(gè)穩(wěn)定剛體。主桁架為平面弧形桁架,上下弦桿管為φ273*7mm,腹桿為φ180*5mm,下弦桿為彎弧桿件。次桁架為平面折彎桁架,上下弦桿管為φ273*7mm,腹桿為φ180*5mm。鋼管均為無縫鋼管,材質(zhì)為Q345B。
    本工程的顯著特點(diǎn):
    ①整體設(shè)計(jì)新穎。屋架整體成平滑的曲線形,屋架十字支撐構(gòu)造新穎,安裝后需保持與屋架一致的曲線形態(tài)。這就對我們制作、安裝提出了更高的精度要求。
    ②結(jié)構(gòu)跨度大,施工現(xiàn)場吊裝情況復(fù)雜,休閑中心最大跨度達(dá)106米,體育館跨度也達(dá)到85米,現(xiàn)場吊裝難度非常之大,這也是此工程的最大一難點(diǎn)。
    ③施工標(biāo)準(zhǔn)高、焊接難度大。標(biāo)準(zhǔn)高突出表現(xiàn)在桿件加工精度要求高:為了保證屋架的藝術(shù)效果,不僅要求各桿件下料長度偏差小,而且桿件接頭處曲面應(yīng)嚴(yán)絲合縫,全是相貫接口,因此焊接又是此工程的又一難點(diǎn)。

    2 桁架制作
    為了保證整體的精度要求,桁架制作從以下幾個(gè)方面予以控制:
    2.1詳圖設(shè)計(jì)
    根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的外形尺寸、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和桿件表,使用 X-steel鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件和Autocad 計(jì)算機(jī)繪圖程序,對桁架進(jìn)行了合理分割以及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。將整個(gè)主體結(jié)構(gòu)分解成各個(gè)單獨(dú)的桿件和單元件,并分別進(jìn)行繪制。施工詳圖設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容:節(jié)點(diǎn)拼裝總圖、節(jié)點(diǎn)拼裝順序圖、桿件圖、節(jié)點(diǎn)圖及材料明細(xì)表等。
    2.2下料切割
    本工程屋面主體結(jié)構(gòu)部分為鋼管,且構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處的桿件均為相貫連接節(jié)點(diǎn),所以鋼管的相貫線切割是本工程的一個(gè)重部分,根據(jù)工期要求及切割工藝的要求,采用2臺先進(jìn)數(shù)控管子馬鞍形切割機(jī),該設(shè)備具有切斷與開坡口一次完成的全自動切割功能,大大提高了相貫焊縫的坡口質(zhì)量。為后期桁架組對焊接提供了保障。平面桁架組拼,需在胎具上用卡具固定
    2.3構(gòu)件拼裝
    編制拼裝作業(yè)指導(dǎo)書。桁架全部采取平放位置拼裝,制作出與其相合攏的桁架側(cè)面樣板,檢查合攏情況。
    拼裝胎座采用臨時(shí)剛性胎架,以坐標(biāo)點(diǎn)為轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)進(jìn)行放線及靠模定位;用正式連接板進(jìn)行構(gòu)件連接固定。檢查項(xiàng)目包括:軸線偏差、接口的間隙與錯(cuò)邊量、桿件的長度、側(cè)彎與翹曲、牛腿的長度與角度、拼裝單元的長度等。

    2.4 焊接
    ①焊接順序: 對上下弦桿按立焊->平焊->仰焊的順序進(jìn)行;對上下弦桿與腹桿的接口依據(jù)測量結(jié)果安排焊接次序,通常先進(jìn)行腹桿與下弦的焊接,再進(jìn)行腹桿與上弦的焊接,并跟蹤測量,以便通過調(diào)整焊接順序控制變形。
    ②焊縫坡口主要形式
    對于管管相貫焊縫,當(dāng)支管與主管夾角α在55°~125°時(shí),為全熔透焊縫,選用單邊V型坡口,當(dāng)支管與主管夾角α<55°或α>125°時(shí),部分采用熔透焊縫、部分采用角焊縫,熔透焊縫坡口,狀及尺寸如圖:

    ③焊接質(zhì)量控制
    依據(jù)焊接工藝評定結(jié)果對不同焊縫進(jìn)行遠(yuǎn)程電流調(diào)節(jié),采用對稱焊、多層多焊道和分段退焊工藝,減少焊接應(yīng)力和變形;采取連續(xù)焊、預(yù)熱、焊后石棉布包裹等措施,控制延遲裂紋的產(chǎn)生;對于剛度大、板厚、焊接空間狹窄等特殊部位,選擇優(yōu)秀焊工,并在焊接工程師的監(jiān)控下進(jìn)行焊接,減少不必要的返修。
    3 桁架安裝
    桁架安裝是本工程的最大一個(gè)難點(diǎn),選用合理的安裝方案是此工程的重中之重。本工程屋蓋外形為弧形屋蓋,為空間大跨度曲面,屋蓋的長度、寬度都非常之大,且現(xiàn)場條件差、各專業(yè)又交叉施工,故確定合適的安裝方案將顯得格外重要。根據(jù)屋蓋結(jié)構(gòu)的特殊性以及現(xiàn)場的具體施工條件并結(jié)合以往用于其它類似大型鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn),采用了分段吊裝,現(xiàn)場拼裝的方案來完成整個(gè)屋蓋的現(xiàn)場安裝?,F(xiàn)就以休閑中心為例闡述安裝過程。
    3.1 模型計(jì)算
    ①由于此結(jié)構(gòu)復(fù)雜,跨度大,構(gòu)件吊裝過程中容易產(chǎn)生變形。為了保證安裝精度控制變形,運(yùn)用ansys計(jì)算軟件模擬吊裝,分別從起吊狀態(tài)、安裝過程中、就位狀態(tài)計(jì)算模型,計(jì)算桁架應(yīng)力、豎向變形,外變形及構(gòu)件穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)力比,從而分析構(gòu)件的應(yīng)力及變形,以確定桁架最合理的分段位置以及臨時(shí)安裝支承胎架的位置。

    ②此工程現(xiàn)場條件有限,工期緊,各專業(yè)交叉施工,不能大面積搭設(shè)腳手架,在保證桁架分段位置受力的同時(shí),還得考慮吊機(jī)的行走路線、不影響其他專業(yè)的施工,故將臨時(shí)支承胎架簡化為一根24m高懸臂格構(gòu)柱,橫截面邊長為1500mm×1500mm。
    通過計(jì)算:胎架變形、強(qiáng)度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求,可以滿足安裝過程需要。

    3.2 安裝過程
    ①現(xiàn)場桁架拼裝:
    桁架為平面桁架結(jié)構(gòu),故采用臥式組裝,這樣可以減少胎架高度,降低焊接的難度,使焊接質(zhì)量更容易得到保證。
    在拼裝場內(nèi),采用現(xiàn)澆砼作為地模,然后劃出桁架主管中心線在地面上的投影線,再設(shè)立胎架立柱支撐。胎架經(jīng)過驗(yàn)收合格后才可用于拼裝屋架。首先用吊車把構(gòu)件放在胎架上,按照桁架施工詳圖固定桿件的位置。如果桿件加工曲線偏差超過允許范圍時(shí),允許加熱矯正桿件,但加熱溫度嚴(yán)禁超過正火溫度(900℃);加熱矯正后的桿件需緩慢冷卻。然后施焊上下弦桿件接頭,最后拼裝腹件、上下弦間支撐。拼裝時(shí)嚴(yán)格控制尺寸,為下一步安裝提供精度保證。
    ②桁架吊裝:
    a.按照先吊裝主桁架,再吊裝聯(lián)系桁架(次桁架)的思路,每吊完2榀主桁架后立即吊裝其間的聯(lián)系桁架,使之形成一空間體系。針對現(xiàn)場復(fù)雜的施工環(huán)境,在CAD三維模型上模擬吊裝,從而確定最合理的吊車行走路線及站車位置。如圖九所示。
    b.根據(jù)上敘計(jì)算的應(yīng)力變形要求,嚴(yán)格控制桁架吊裝的吊點(diǎn),以減小變形。桁架跨度小于或等于 18m時(shí),綁扎兩點(diǎn)即可;大于 18m時(shí)需綁扎四點(diǎn)以上。最長桁架長度約 60m,布置4個(gè)吊點(diǎn),吊點(diǎn)間距 8m 左右,吊鉤中心對準(zhǔn)屋架中心,吊索左右間距基本一致,為使各吊索受力均勻,吊索用滑輪串通。利用兩臺手動葫蘆分別獨(dú)立牽引弦桿件節(jié)點(diǎn),待桁架從地面吊起后緩慢調(diào)整倒鏈長度,使桁架升高或降低,從而實(shí)現(xiàn)對桁架空中姿態(tài)的調(diào)整,便于高空就位。

    ③桁架就位:
    此工程每榀桁架采用的2個(gè)萬向鉸支座與基礎(chǔ)連接,在分段吊裝過程中,就需要在臨時(shí)安裝支承胎架用型鋼制作一個(gè)假支座來臨時(shí)固定分段桁架,待整體吊裝完畢后再拆除臨時(shí)安裝支承胎架上的假支座。就位過程中,采用2臺全程跟蹤,利用建立好的測量控制網(wǎng),來對桁架進(jìn)行定位和控制。桁架用汽車吊升到位后,首先采用倒鏈將桁架放置在設(shè)置好的假支座上,同時(shí)采用全站儀對桁架精校,校好后將桁架焊牢在假支座上,對接口用連接板螺栓固定,并對桁架采用纜風(fēng)繩以保證穩(wěn)固。

    3.3 構(gòu)件焊接的技術(shù)要點(diǎn)
    ①所有構(gòu)件根據(jù)吊機(jī)的其中能力,盡量在地面拼裝焊接,減少高空焊接以確保焊接質(zhì)量,同時(shí)分次焊接也能減少焊接產(chǎn)生的應(yīng)力。
    ②鋼管之間的對接焊縫要求在鋼管內(nèi)部加襯管以保證焊接熔透。
    ③嚴(yán)格控制焊接順序:合理的焊接順序可以減小焊接變形,避免過大的應(yīng)力集中,對于桁架弦桿的焊接,根據(jù)拼裝或吊裝順序從中間往兩邊焊接,對于桁架的腹桿,采取交叉焊接法。
    ④構(gòu)件制作完成后,應(yīng)采取措施消除焊接殘余應(yīng)力和控制焊接變形,對于本工程,可采用措施建議如下:
    a、焊后熱處理消除應(yīng)力,加熱采用電加熱器,石棉保溫。建議最高溫度不能超過650度。
    b、高頻震動消除應(yīng)力,本工程中主要為管管相貫的環(huán)焊縫。焊接時(shí),環(huán)焊縫焊接時(shí)預(yù)熱,每焊一層后,用風(fēng)鎬或者小錘敲擊焊縫,釋放應(yīng)力。
    3.4 卸載
    為了確保鋼結(jié)構(gòu)逐漸受力,在整個(gè)結(jié)構(gòu)完成后即進(jìn)行同步卸載。卸載的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)的安全受力,同時(shí)在臨時(shí)支架上無局部超載,以確保其安全,根據(jù)主次桁架控制點(diǎn)(即主桁架的分段點(diǎn))卸載前后位移計(jì)算結(jié)果,將卸載過程定為位移控制,并遵循“多級進(jìn)行,自中間向兩側(cè)”的原則。最后確定主桁架下弦桿各控制點(diǎn)卸載分三階段15輪次進(jìn)行。卸載方法采用各支承點(diǎn)逐漸割除法,即用千斤頂將支承點(diǎn)頂空,用氣割將假支座按照位移控制局部割除,直至弦桿完全脫離假支座為止。

    4 結(jié)束語
    大跨度雙向斜交平面桁架拱結(jié)構(gòu)體系,大大的拓展了上部的空間,桿件分布均勻,置身其中給人以超大空間感,這種空間結(jié)構(gòu)普遍運(yùn)用到大型的公共建筑中,并深受歡迎;同時(shí)也給我們施工單位帶來機(jī)遇和挑戰(zhàn),在今后此類工程施工過程中,如何制定最優(yōu)化最合理的方案,對確保施工精度及結(jié)構(gòu)安全,至關(guān)重要。

    參考文獻(xiàn)
    1.余厚極 簡明結(jié)構(gòu)吊裝手冊[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社
    2.建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程JGJ81-2002 北京: 中國建筑工業(yè)出版社
    3.鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范 GB50205-2001 北京: 中國建筑工業(yè)出版社
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