大跨度空間鋼結構高空合攏技術

鄭小軍 蔣曉洪

（中國五冶集團有限公司 四川成都 610107）

1 工程概況

某博物館為大型綜合性博物館，項目占地面積為38119m2，建筑面積為49157m2。

圖1 建筑整體效果圖

圖2 鋼結構整體效果圖

地上四層，地下一層，地下局部設有夾層，采用鋼筋混凝土筒體-鋼桁架-鋼筋混凝土框架組成的混合結構體系，建筑高度31.2m。

二層設有局部懸挑桁架；三層樓面以上由四個鋼筋混凝土筒體支承八榀主鋼桁架形成的屋蓋鋼結構，主鋼桁架凈跨度約40m，外挑約15～17m。主桁架材質為Q420B，鋼桁架最大高度9.1m。

核心筒共計有四個，采用型鋼混凝土結構，核心筒鋼柱采用口400×400×50箱型鋼骨柱，材質Q345B，鋼骨柱外裹C40混凝土。

鋼屋蓋總重量約7800t，采用地面整體拼裝，4個核心筒頂設置32臺350噸千斤頂計算機控制液壓整體提升的施工方式，桁架提升到設計標高位置后，連接桁架上、下弦及桁架腹桿，提升合攏焊接口160道，分布在4個核心筒周圍，材質為Q420B，截面最大為口1100×400×70×70。

圖3 施工效果圖

圖4 施工實照

2 大跨度鋼結構合攏技術

大跨度空間鋼結構體系的復雜性，同時結構平面尺度、跨度和工程量很大，一方面結構安裝的時間長，大幅度的溫度變化將在結構中引起很大的內力和變形。另一方面，安裝誤差的存在，會導致誤差的累計，須采用對稱安裝、分塊安裝等措施消除，否則將對結構產生較大的附加應力。因此，為控制施工過程的變形，減少結構安裝過程中的安裝應力、焊接內應力和溫度應力等，在安裝過程中，一般采用分塊或分區段安裝法，即先將各分段構件在高空依次拼接為若干個對稱、均勻布置的獨立板塊或區段，最后將各獨立板塊或區段連成一個整體，即為合攏。

3 合攏關鍵技術

大跨度鋼結構在施工過程中結合鋼結構特點、現場空間平面具體布置、吊裝資源及其性能參數等，確定總體施工工藝方案。本文針對南充博物館鋼結構合攏施工技術進行探究：

3.1 合攏路線的選擇

確定合攏線時，結合結構本身的受力和變形、鋼結構的整體安裝順序和主桁架（或主鋼梁）的安裝分段情況，盡可能減少合攏點的數量，以方便施工，減少合攏時的人員、設備及其它資源的投入，并確保施工過程的安全，保證工程質量。

（1）焊接分區

屋蓋提升完成后，先同時進行分區一、分區三核心筒合攏焊接，完成后再進行分區二、分區四核心筒合攏焊接。

圖5 合攏分區圖

圖6 合攏順序圖

（2）各分區焊接順序

各分區先焊接核心筒內側兩個面合攏節點（編號1、2），再焊接桁架懸挑側核心筒兩個面合攏節點（編號3、4）。

（3）合攏節點焊接順序

屋蓋提升完成后，先焊接桁架下弦桿（1）焊縫高度的40%，再焊接腹桿（2）焊縫高度的40%，最后焊接上弦桿（3）焊縫高度的40%，再按照1→2→3的順序依次焊接焊縫高度剩余的60%。

圖7 合攏節點焊接順序

（4）合攏節點構件焊接順序

桁架合攏節點均為箱型截面，板厚70mm，焊接位置有平焊、立焊、仰焊，采用CO2氣體保護焊（GMAW）打底、填充、蓋面。焊接時，采用多層多道錯位焊接技術，CO2氣體保護焊（GMAW）每一層的厚度為3～5mm，接頭不在一個平面內，通常錯位50mm以上。焊接前要求預熱到150℃，并在焊后用石棉保溫12h以上（見圖8～9）。

桿件焊接時采用對稱焊接，先焊接1焊縫高度的40%，再對稱焊接2焊縫高度的40%，之后焊接3焊縫高度的40%，最后再按照1→2→3的順序依次焊接焊縫高度剩余的60%。

3.2 合攏溫度的選擇

對于大跨度結構，在確定結構的初始溫度時，①需要結合當地氣象條件，使初始溫度接近年平均氣溫，使可進行施工的天數較多；②要考慮施工進度計劃與可能出現的變化，預留一定的允許溫度偏差范圍；③結構合攏溫度盡量設定在結構可能達到的最高溫度與最低溫度之間，使結構受力比較合理。本工程鋼結構合攏溫度設定在20℃±2℃。

圖8 多層多道焊接示意圖

圖9 構件焊接順序示意圖

3.3 合攏時間控制

合攏溫度可在設計要求的溫度范圍內選取，合攏時間應根據溫度監測資料、氣象信息資料及天氣情況來確定，盡量安排在夜間溫度相對穩定的時間段及后半夜進行，減小合攏過程中合攏口出現過大的溫度應力。施工時，先根據氣象臺提供的實時氣象監測資料提前進行溫度監測，然后根據溫度監測結果和收集的氣象資料，確定初步的合攏時間。初步合攏時間確定后，各相關人員準備就位，準備進行合攏。同時繼續進行嚴格的溫度監測，待溫度達到設計要求時，統一指揮，即刻進行合攏。

3.4 合攏段安裝工藝

合攏段安裝具體要求如下：

（1）控制合攏時合攏口的間隙，減少合攏口的焊接量，以確保焊接質量，實際操作中可能無法滿足預定的條件，可調整合攏段，先焊一端的坡口間隙。

（2）嚴格控制合攏口的錯邊量，減少應力集中。

（3）合攏段安裝就位后，除要求的合攏口暫不焊接連接，其它接口部位及時焊接完畢，以提高結構的整體穩定性。

（4）為確保合攏口在施工過程中因溫度變化而自由伸縮，合攏口采用鋼碼板搭接連接。

（5）盡量選擇與合攏時相近的溫度條件下或低于該溫度的條件下安裝合攏段，以方便合攏段的就位。

4 結束語

為減少結構施工過程附加應力，確保結構使用過程中安全的主要技術，大跨度空間鋼結構的合攏技術將會更加引起廣泛的重視；本文通過對該博物館鋼結構合攏技術的總結、研究，期望能對今后大跨度鋼結構合攏技術研究起到借鑒的作用，并能指導實際工程，使得大跨度鋼結構施工更加安全、高效和經濟。