X形勁性轉換桁架鋼結構分項工程散拼法施工技術

陳曉東，嚴偉訊，劉朝川

(1．成都市成華區建筑工程質量監督站，四川成都610051;2．中國建筑一局(集團)有限公司，北京100000)

1 工程概況

中國二重國家級技術中心成都(總部)大樓建筑面積:108 562m2，建筑最高點140.6m，在裙樓中部設計有高24m，跨度18.3m，南北貫通(44.8m)的功能大廳。為解決主樓部分荷載傳遞，在5～7層設計了三榀X形勁性轉換桁架(圖1)。其中型鋼結構材質為Q345－B，每榀桁架用鋼約66.8t，總用鋼量達 200.5t。

圖1 桁架結構形式

2 難點分析

根據以往經驗，勁性結構施工時，型鋼結構的吊裝往往對整個分項工程的工期、質量和成本控制起著主導作用。由于3榀桁架體量大，結構外形復雜，且位于24m高空，給整個工程的施工組織帶來諸多的難點。

(1)如此體量的型鋼結構顯然只能采用散拼法施工，散拼法施工必須根據塔吊起重半徑對型鋼結構進行分段，而分段的數量將直接影響到塔吊吊次以及焊接工程量的多少。

(2)按照設計的要求，型鋼結構焊接均采用全熔透焊縫，焊縫等級一級，質量要求相當高。

(3)按設計要求，桁架下弦跨中必須按0.2%起拱。

3 桁架型鋼結構深化設計

3.1 塔吊起重能力分析

本工程現場配備1臺JC7030型塔吊(臂長60m)，1臺ST60/15型塔吊(臂長60m)，兩臺塔吊能夠全部覆蓋整個建筑范圍。1#塔吊覆蓋桁架范圍內最大起重量12t，最低起重量為4.63t，而2#塔吊僅覆蓋?軸桁架的一小部分，如圖2。因此以1#塔吊作為型鋼結構吊裝的主要工具，而桁架深化分段則主要依據1#塔吊的起吊回轉半徑。

圖2 塔吊起重半徑荷載分布

3.2 桁架型鋼結構分段

綜合考慮加工、運輸、塔吊載重及質量、安全等多方因素，經可行性討論研究后，將桁架按照上弦桿、下弦桿、直腹桿、斜腹桿進行分解。由于所有桿件中，上弦桿及下弦桿最長，荷載也最大(上弦桿長16.37m，桿重約15.2t，下弦桿長16.37m，重約17.4t)，根據塔吊起重載半徑，將?軸、?軸上弦桿、下弦桿分別分成4段，?軸上弦桿、下弦桿分別分成2段。桁架經分段后，?軸、?軸每榀分解為27個構件，單個構件最大重量約5.76t;?軸分解為24個構件，單個構件最大重量約8.5t，所有構件均在塔吊的起重范圍之內。

3.3 節點設計

為便于桁架鋼構件的拼裝，在桁架兩側鋼立柱、上下弦桿節點部位設計有牛腿，在弦桿、腹桿、牛腿上設計有連接耳板，吊裝后利用螺栓連接兩側耳板進行臨時固定，待焊接完成后切除連接耳板，如圖3、圖4。

圖3 上弦節點深化圖

圖4 下弦節點深化圖

3.4 焊縫設計

鋼牛腿腹板與桿件腹板焊接處開K形坡口，采用全熔透焊接;鋼牛腿翼緣與桿件翼緣焊接處開V形坡口，采用全熔透焊接，熔透焊縫質量應滿足一級焊縫質量等級要求。

4 鋼構件吊裝

4.1 型鋼結構高空吊運

型鋼結構按照立柱、下弦桿、斜腹桿、直腹桿、上弦桿的順序，利用現場塔吊進行構件吊裝。在立柱、腹桿上設置專用吊耳以便于塔吊鋼絲繩固定，上、下弦桿則采用綁扎方式進行吊裝。由于型鋼構件荷載較大，經計算采用四股鋼絲繩進行吊裝，為防止大荷載構件吊裝過程中發生碰撞，在構件吊至安裝位置1m時，采用手動倒鏈配合，實現構件就位。

4.2 型鋼結構臨時固定

本工程型鋼結構采用焊接連接，焊接量大、焊縫等級高，由于在鋼結構吊裝過程中，穿插有土建、機電專業施工，為提高吊裝進度，合理利用塔吊吊次，考慮型鋼構件吊裝到位后先期采取臨時固定。為此，在弦桿、腹桿、立柱牛腿上焊接連接耳板或在構件腹板上開孔，吊裝后利用螺栓連接兩側耳板進行臨時固定，待焊接完成后切除連接耳板。對立柱除采取上述措施外，在立柱四周拉纜風繩進行臨時固定。

5 型鋼結構焊接

3榀轉換桁架中型鋼柱牛腿與桿件節點的連接，采用坡口全熔透焊縫，焊縫等級為一級，總數達到340條，總長181m。根據《建筑鋼結構焊接規程》(JGJ81—2002)第五章“焊接工藝試驗”的規定，在大面積施焊之前組織對焊接工藝進行評定。為保證焊接質量，項目成立了QC小組，對影響焊接質量的各個因素進行控制。

5.1 焊接接頭處理

現場采用碳弧氣刨和角向磨光機磨去除接頭部位附著的高碳晶粒，避免焊縫裂紋的產生。每條焊縫焊接前，需將焊縫起焊處和止焊處的焊接缺陷用碳弧氣刨和砂輪清除干凈，并將接頭處處理成緩坡形狀，達到焊接要求。

5.2 預熱處理

采用以電加熱為主，火焰加熱為輔的方式對焊縫進行預熱，預熱溫度為:不低于120℃。測溫點位于焊縫兩側并離焊縫中心75mm處，如圖5。

5.3 焊接順序

針對H型鋼柱的焊縫接頭形式，確定焊接順序為:雙人同時、對稱焊接，如圖6。

圖5 加熱區劃分

圖6 焊接順序

5.4 焊縫保溫

為了消除殘余應力，同時為了溢出殘留氫，在焊縫焊接完成后，立即使用石棉布多層覆蓋并包裹，使焊縫區緩慢冷卻到常溫。

6 起拱控制

按設計要求，桁架下弦跨中必須按0.2%起拱。為此加工放樣時，便將⑤軸～⑥軸線間、⑦軸～⑧軸線間桁架上弦及下弦起拱0.2%。在下弦桿吊裝前，按下弦桿底面標高垂直下弦桿搭設腳手管，使下弦桿初步就位。接著在下弦桿中部拼接部位兩側，以及下弦桿與立柱牛腿拼接位置安放千斤頂，千斤頂底座下墊20mm×400mm×400mm鋼板，坐在已搭設好的架管上。借助水準儀監測利用千斤頂微調，控制下弦 桿的水平度及下弦跨中起拱，如圖7。

圖7 下弦桿千斤頂布置

7 實施效果

通過對桁架鋼結構進行合理的深化設計，使得鋼結構分段數量控制到最低，在降低塔吊吊次，減少焊縫質量的同時保證了施工進度、節約了成本。轉換層桁架于2010年8月施工完畢，截至2010年5月，對桁架下弦4個觀測點的沉降觀測數據顯示，四個點累計沉降量均為2.0mm，滿足設計要求(圖8、圖9)。

圖8 轉換桁架鋼結構施工過程鳥瞰圖

圖9 勁性轉換桁架成型效果

通過開展QC小組活動，對焊縫質量進行控制，使得340條全熔透一級焊縫探傷合格率達到100%。項目QC小組活動成果《提高大跨度勁性轉換桁架施工合格率QC成果》，榮獲2010年中國質量協會第二屆“海洋王”杯全國QC小組成果發表賽二等獎(圖10、圖11)。

圖10 QC小組活動成果獲獎證書

圖11 成都市市長葛宏林蒞臨項目指導

8 結束語

中國二重國家級技術中心成都(總部)大樓轉換層桁架鋼結構采用散拼法施工，在對桁架結構特點、塔吊起吊能力分析的基礎上，對桁架鋼結構進行深化設計，將3榀桁架的分段數量控制到最少，從而減少鋼結構吊裝對塔吊吊次的占用，保證了工期，降低了成本。鋼結構分段數量的減少，直接降低了焊接工程量，對焊接質量合格率的提高起到關鍵作用。通過對深化設計、放樣加工、現場管理三方面的控制，保證了桁架下弦的起拱，滿足設計要求。