大跨度管桁架機庫鋼結構施工技術

曹莉立，楊 松

（北京市機械施工有限公司，北京 100045）

1 工程概況

東航北京基地機務維修區的機庫主體結構由四肢格構式落地桁架組成,桁架之間采用縱向平面桁架、邊桁架及屋面支撐、柱間支撐架構成一個空間結構（圖1）。機庫分為門頭桁架和大廳桁架，門頭桁架跨度為97m，機庫大廳跨度為76.3m，機庫進深99.9m，機庫結構最高點標高為23.6m，桁架主要材料為鋼管，材質為Q345B，主要截面形式為?89×4～?299×16，門頭桁架處有部分焊接球，主要截面為WSR500×20和WS400×16，桁架弦桿跨中采用鑄鋼節點；機庫桁架總重量約1200t。

圖1 機庫效果圖

2 鋼結構特點及施工難點

2.1 鋼結構特點

1）大廳桁架跨中主弦桿連接采用鑄鋼節點連接。

2）四肢格構柱柱腳采用杯口式柱腳。

3）桁架共有30根格構柱、7根抗風柱、11榀大廳桁架及2榀門頭桁架。

2.2 施工難點

1）工程量大、施工面積大、安裝高度高。

2）構件種類多，加工質量控制難度大。

3）現場拼裝工作量大，桁架桿共6142根，焊接球共132個，鑄鋼節點23個。

4）焊接形式包括球管焊接、管管相貫焊接、鑄鋼節點焊接，對焊接工藝、質量控制要求高。

5）對地面拼裝及吊裝中的桁架位移及變形要求高。

6）大廳桁架跨中采用鑄鋼節點連接，安裝難度大。

3 鋼結構分段及拼裝

3.1 鋼管桁架分段、拼裝

鋼管桁架拼裝分為主桁架拼裝、次桁架拼裝、環桁架拼裝、邊桁架、抗風柱拼裝。其中主桁架、邊桁架為四邊形結構，次桁架、環桁架、抗風柱為平面桁架。

主要分段、拼裝方法如下。

1）主桁架分為格構式桁架柱和桁架梁。將桁架柱分成3段在地面進行拼裝。將大廳桁架梁分成2個半榀桁架，每個半榀桁架分成3段，每段桁架梁在地面拼裝胎架上進行拼裝，最后將3段桁架在地面原位組拼成半榀桁架。

2）門頭桁架梁分為前片桁架和后片桁架，先將前、后片桁架分成4段分別在地面進行拼裝，再在地面將半榀前、后片桁架組合成2個半榀小拼單元。

3）次桁架、環桁架、邊桁架采用在地面分段組拼。

4）抗風柱分成3段在地面分段拼裝。

3.2 拼裝胎架

由于鋼桁架構件長度較大，為保證現場組拼的精度，采用在地面設置拼裝胎架，進行預拼裝，再分段吊裝至高空拼裝平臺上進行組拼，胎架設置應考慮到履帶起重機位置及運輸道路（圖2）。胎架搭設好后，用水準儀按設計圖紙進行復核，相對偏差±20mm，滿足要求后進行桁架的拼裝。

圖2 拼裝胎架

拼裝時將桁架的弦桿放在胎架的支撐點上，基本擺放水平。胎架搭設好后，用水準儀按設計圖紙進行復核，滿足要求后進行桁架的拼裝。

4 臨時支撐架設置

大廳桁架梁兩端坐落于兩側的格構式桁架柱上，采用分段拼裝、吊裝的方法，需要在桁架梁分段處設置臨時支撐，以保證結構的安全穩定性及安裝對接工作的順利進行。由于桁架梁分段接口投影沒有在軸線的位置上，而是在場內地面上，接口處設置的標準節底部需要做基礎，且要滿足承重要求。

支撐結構計算選擇受力最大的主桁架進行驗算，支撐架高度21m。支撐架支點反力最大為17.6t，支撐架位移最大為2.7mm，支撐架應力最大為32MPa，支撐架應力比最大為0.1，滿足要求。

支撐架基礎主要承受軸心荷載,使用周期較短,故按無筋擴展基礎設計,并適當配置構造鋼筋。基礎計算時，不以實際尺寸調節地耐力，統一取fa=100kPa。混凝土強度等級采用C30,fc=14.3MPa,ft=1.43MPa。由于各基礎支撐架有效面積相同，因此僅計算各支撐架受力最大的基礎。經承載力驗算，大廳桁架梁及門頭桁架梁支撐架基礎均符合要求。

由于桁架梁支撐點位少，標準節高度大，承受的荷載大，因此要求標準節本身有足夠的承載力，同時能保證自身的穩定性，標準節要拉攬風繩（圖3）。

圖3 3m標準節示意圖

5 鋼結構安裝

針對本工程的結構形式及構件大小等綜合因素，確定了“地面分段拼裝、分段吊裝”的技術方案。格構柱吊裝采用1臺50t履帶起重機，桁架梁采用1臺120t履帶起重機進行吊裝。安裝順序為從北向南，從大廳向門頭方向順序安裝。

5.1 分段安裝方案的優點和關鍵點

1）優點 ①施工過程中受力狀態與實際設計狀態比較接近；②技術先進、成熟，有豐富的分段吊裝的經驗；③相對與土建配合少、交叉施工少；④在地面進行拼裝作業，減少了高空焊接的作業量，焊接質量易保證；⑤減少了高空作業，施工安全性好。

2）關鍵點 ①精心劃分鋼結構加工、運輸、組裝單元；②對現場鋼結構校正、焊接措施要求較高；③高空對接精度要求高。

5.2 桁架柱安裝

將桁架柱分為3段，分別在地面拼裝胎架上進行拼裝，用1臺50t履帶起重機順序依次吊裝。在桁架柱接口處搭設操作平臺，待土建進行鋼管內混凝土施工后，繼續安裝上一節桁架柱，依次完成全部桁架柱安裝。

5.3 大廳桁架梁安裝

機庫大廳桁架梁共11榀，桁架跨度76.3m，桁架兩端支撐在桁架柱上。大廳桁架梁安裝時，先將桁架梁在地面拼裝胎架上拼裝成長度約20m的小拼單元，然后在該桁架地面位置地面組拼成長度約39m的半榀桁架梁，用1臺120t履帶起重機將半榀桁架梁吊裝到鋼柱和臨時支撐架上，吊裝另一半桁架梁，完成第一榀桁架安裝；按照此方法安裝第二榀桁架，同時安裝次桁架及斜撐形成穩定體系，安裝完第三榀主桁架及次桁架后，拆除第一榀主桁架支撐節，將拆除后的支撐架安裝到第四榀桁架上，依次安裝大廳桁架至門頭。

5.4 門頭桁架梁安裝

機庫門頭桁架梁共2榀，其中，ZHJ-4，1榀，ZHJ-5，1榀。門頭桁架梁跨度76.3m，總長99m，桁架梁兩段支撐在桁架柱上。因此，門頭桁架安裝時，先將桁架在地面拼裝成長度約50m的ZHJ-4和ZHJ-5的半榀小拼組合單元，然后在一端用1臺120t履帶起重機，另一端用1臺200t汽車吊采用雙機抬吊的施工方法將ZHJ-4和ZHJ-5的半榀組合單元吊裝就位，半榀組合單元一端落在格構柱頂，另一端落在臨時支撐架上，采用同樣的方法將另一半的半榀組合單元吊裝到位（圖4）。

圖4 半榀組合單元示意圖

6 施工模擬分析

利用Midas Gen計算軟件進行施工模擬驗算，自重取結構自重，通過對吊裝單元的反力、位移、應力及應力比進行分析，從理論上保證吊裝施工及卸載的精度和安全。

1）大廳桁架吊裝、卸載驗算 卸載采用階段性卸載方法。自重狀態下各點反力最大為6.6t，吊裝過程中桁架各點位移最大為3.8mm，應力最大為28MPa；半榀桁架安裝到位后，支撐節處反力為8.6t（2×4.3t），位移最大為5.5mm，應力最大為42MPa；整榀桁架安裝到位后，未拆除支撐節時支撐節反力為17.2t（2×8.6t），桁架位移最大為11mm，應力最大為59MPa；安裝完三榀桁架后，各支撐節反力最大為22t（10t+12t），桁架位移最大為16mm，應力最大為67MPa；三榀桁架安裝到位，卸載第一榀桁架后支撐節反力最大為40.4t（22.1t+18.3t），桁架位移最大為29mm。

2）門頭桁架組拼單元吊裝驗算 吊裝過程中各點反力最大為27.8t，位移最大為15mm，應力最大為57.4MPa。

經過對桁架梁吊裝過程的施工模擬驗算，桁架梁組拼單元在吊裝過程中的反力、位移、應力、應力比均滿足設計及規范要求。

7 施工過程監測

30根格構柱，每根格構柱分為3節共90節，每節格構柱垂偏均在8mm以內，每根格構柱全高垂偏均在20mm以內，格構柱杯口位置偏差均在5mm以內；吊裝桁架梁13榀，每榀大廳桁架梁撓度均滿足規范要求；現場焊縫約1.2萬道，其中1級焊縫（主要以管對接焊縫為主）823道，一次焊接探傷合格率達到99.5% 。

經過本工程實踐檢驗，大跨度桁架結構形式的機庫建筑，以科學的施工方法、合理的施工工序、精確的施工模擬，順利完成了東航北京基地機務維修區的施工，保證了施工質量與工期。

[參考文獻]

[1]GB 50205-2001，鋼結構工程施工質量驗收規范[S].

[2]GB 50755-2012，鋼結構工程施工規范[S].