大跨度管桁架結(jié)構(gòu)施工工藝

馬旺旺

(四川攀鋼鋼構(gòu)有限公司，四川攀枝花 617000)

近年來，管桁架直接交匯的結(jié)構(gòu)形式越來越多地應(yīng)用于大型公共建筑及工業(yè)廠房之中，該結(jié)構(gòu)形式具有外形豐富、結(jié)構(gòu)輕巧、受力均衡、剛度大、桿件單一等優(yōu)點。但該結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于大跨度建筑中暴露出一定的問題，如管桁架拼裝施工難度大、進(jìn)度控制難及施工成本高等[1]。針對管桁架建筑施工中存在的問題，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有大跨度空間結(jié)構(gòu)施工技術(shù)與鋼管屋桁架的特點，提出了一種新的管桁架結(jié)構(gòu)施工工藝，該工藝可有效地解決大跨度管桁架拼裝難度大、對技術(shù)要求較高等問題。

1 結(jié)構(gòu)形式的選擇

1.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)形式以開口截面鋼桁架為主，適用于小跨度、低載荷、低剛度的工程項目，如小型封閉倉庫項目[2]。由于鋼構(gòu)件的連接方式主要采用焊接或螺栓連接，導(dǎo)致施工繁雜且各組合節(jié)點強(qiáng)度較低。隨著建筑跨度的不斷增加及對結(jié)構(gòu)性能要求的提高，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式已難以滿足建筑的要求。

1.2 管桁架拼裝結(jié)構(gòu)形式

為滿足現(xiàn)代化大跨度建筑的修建，組合式巨型鋼管桁架大量運(yùn)用于建筑之中，該結(jié)構(gòu)主要以大型螺旋焊接鋼管為主要受力構(gòu)件，以彩鋼瓦作為屋頂及墻面的主要外部覆蓋結(jié)構(gòu)。對于封閉的料場，管桁架結(jié)構(gòu)從材料采購、制作安裝、后期維修等方面均較網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢[3]，二者的性能對比如表1所示。

表1 不同結(jié)構(gòu)形式性能對比

管桁架結(jié)構(gòu)與開口截面(H型鋼和I字鋼)鋼桁架相比，其截面繞中和軸分布較均勻，使得該結(jié)構(gòu)形式具有良好的抗壓、抗彎扭及抗剪性能和較大的剛度。同時，管桁架結(jié)構(gòu)無需增設(shè)節(jié)點板，構(gòu)造簡單，制作與安裝方便。當(dāng)空間三角形管桁架受豎向均布荷載作用時，表現(xiàn)出腹桿抗剪、弦桿抗彎的受力機(jī)理。

2 工程概況

“旺蒼60×104t焦化項目——堆煤場干煤棚”工程由攀鋼集團(tuán)成都鋼鐵有限責(zé)任公司所承建，工程主要任務(wù)是完成大型干煤棚廠房的施工。該干煤棚廠房由六榀單層、大跨度鋼管桁架結(jié)構(gòu)組成，節(jié)點采用相貫線節(jié)點，每榀屋架跨度為114m，寬5m，重量為75t。屋架柱之間柱距為19m，柱頂標(biāo)高為21m，屋脊頂標(biāo)高為32m，投影面積為11 400m2，煤棚內(nèi)設(shè)有兩臺斗輪堆取料機(jī)。巨型管架支承于兩側(cè)鋼柱上，每測均設(shè)6個支承點，屋面板選用0.8mm厚YXI130-300-600型瓦灰色彩色壓型鋼板。

該項目所需修建的干煤棚跨度大，對結(jié)構(gòu)的剛度、抗壓及抗彎扭能力要求較高，且場地內(nèi)已有兩條皮帶機(jī)正處于工作狀態(tài)。為滿足結(jié)構(gòu)性能要求和不影響皮帶機(jī)的正常工作，采用傳統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式已難以達(dá)到要求。因此，該項目擬采用管桁架直接交匯的結(jié)構(gòu)形式，而針對該結(jié)構(gòu)形式施工存在的問題，采取了一種新的管桁架結(jié)構(gòu)施工工藝。

3 新工藝的原理及設(shè)計、施工應(yīng)用

3.1 新工藝的基本原理

新工藝主要是通過在施工現(xiàn)場搭設(shè)臨時拼裝臺，為上、下弦平面桁架的組裝提供操作空間，然后利用門型吊架將上弦平面桁架整體提升至指定位，最后，將上、下弦平面桁架拼裝成一體，從而完成單榀管桁架的整體拼裝。

3.2 新工藝的設(shè)計

管桁架的節(jié)點全部采用相貫線節(jié)點連接，為保證桿件的加工精度和質(zhì)量要求，桿件相貫面的切割均由數(shù)控相貫線自動切割機(jī)完成，切割剖口與主管外表面的空間曲線須完全吻合。

(1)由于管桁架體積龐大，對臨時拼裝平臺要求較高，故采用馬凳式鋼支撐作為臨時拼裝平臺。該方案既節(jié)約了大量的措施用料，同時，也保證了場內(nèi)已建成的兩條皮帶機(jī)正常工作。

(2)上、下弦平面管桁架重疊組裝。

(3)利用門型吊架拼裝管桁架，上弦平面桁架采用整體提升、空中移位及角度調(diào)整的施工方法，并完成與下弦平面桁架的組對。同時，利用門型吊架對管桁架拼裝的幾何尺寸進(jìn)行精調(diào)，有效地提高了拼裝精度，保證上、下弦外形尺寸及節(jié)點的一致性。

(4)為保證焊接質(zhì)量，對剖口的設(shè)計、焊接順序及焊接參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，有效地控制了因焊接產(chǎn)生的變形。

3.3 新工藝的施工應(yīng)用

大跨度管桁架拼裝施工工藝流程如下圖1所示。

圖1 大跨度管桁架拼裝工藝流程

3.3.1 管桁架的預(yù)拼裝

管桁架的節(jié)點全部采用相貫線節(jié)點連接，由于桿件種類繁多，對桿件的加工精度與準(zhǔn)確性要求極高，若其中一根管件制作出現(xiàn)錯誤，則與之相關(guān)的管件均無法正確拼裝。因此，須對加工完成的桿件分類編號，并且在拼裝前對管桁架的所有桿件進(jìn)行預(yù)拼裝，以檢查節(jié)點連接的精度[4]。

3.3.2 管桁架的拼裝

3.3.2.1 搭設(shè)臨時拼裝平臺

由于堆取料機(jī)先于干煤棚形成，為保證皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的正常運(yùn)行，管桁架拼裝、焊接及吊裝都需要在皮帶機(jī)上部完成。該項目的堆取料機(jī)軌道面高出地面1.5m，皮帶機(jī)高度為1.2m，為保證拼裝順利進(jìn)行，施工的拼裝平臺須高出地面2.8m。同時，因為施工現(xiàn)場地面凹凸不平，若直接放置馬凳式鋼支撐，則馬凳式鋼支撐的頂面不處于同一標(biāo)高上，造成管桁架拼裝困難。為解決這一問題，需先利用枕木將地面墊實，再放置馬凳式鋼支撐。管桁架構(gòu)件在臨時拼裝平臺上進(jìn)行組裝焊接(圖2、圖3)。

圖2 馬凳式鋼支撐示意

圖3 臨時拼裝平臺示意

整個臨時拼裝平臺由11個馬凳式支撐組成，分別放置在管桁架的節(jié)點處。設(shè)計時，需對馬凳式支撐進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性的校核，以確保拼裝平臺的安全。

3.3.2.2 上、下弦平面管桁架組裝

(1)首先進(jìn)行下弦平面桁架的組裝。組裝時，主管對接焊縫應(yīng)與節(jié)點位置相錯500mm以上。同時，采用全站儀控制下弦外型尺寸，精密水準(zhǔn)儀控制桿件的水平度。

(2)待下弦平面管桁架組裝完成，經(jīng)檢查各項尺寸符合要求后，即可在其上部進(jìn)行上弦平面管桁架組對。

上弦平面管桁架比下弦平面管桁架長568mm，由管架中心線分成兩段組裝。組裝前，在下弦平面管桁架主管上設(shè)置20號槽鋼作為臨時支撐平面，以便于上弦平面管桁架的組裝(圖4)。

圖4 上、下弦平面桁架組裝

(3)上弦平面管桁架組裝完成后方可對其進(jìn)行焊接，下弦平面管桁架待上弦平面管桁架提升完成后再進(jìn)行下一步的焊接操作。

3.3.2.3 上弦平面管桁架整體提升

上弦平面管桁架拼組裝、焊接完成后，將上弦平面管桁架整體提升，在空中進(jìn)行上下弦間系桿的安裝。

上弦的提升裝置采用六組門型吊架(圖5)。制作門型吊架前，對其橫梁、立管進(jìn)行受力計算，采用Ф159×10mm的無縫鋼管制作，其具體形式如圖6所示。為保證門型吊架的穩(wěn)定，在其兩邊系上纜風(fēng)繩。

圖5 門型吊架布置示意

圖6 門型吊架提升上弦桿示意

上弦平面管桁架的提升利用門型吊架與捯鏈相配合進(jìn)行(圖7)。在門型架1、2、3上分別懸掛捯鏈1、2、3，同時水平提升至指定高度(距地面8.5m處)。然后在門型架2、3上分別再設(shè)置捯鏈2'、3'，提升捯鏈2'、3'完成上弦平面管桁架移位及角度調(diào)整(圖8)。

圖7 上弦平面桁架整體水平提升示意

圖8 上弦平面桁架角度調(diào)整示意

3.3.2.4 下弦平面管桁架起拱

根據(jù)設(shè)計要求，按表2值對下弦平面管桁架設(shè)置預(yù)拱。

表2 下弦起拱值

起拱采用千斤頂頂升的方法，在每個節(jié)點附近，利用15t千斤頂將下弦平面管桁架Φ351×10mm主管頂升到相應(yīng)的起拱值，在馬凳式支撐與主管之間放置鋼板墊(圖9)。

圖9 管桁架起拱示意

3.3.2.5 上、下弦平面管桁架間構(gòu)件拼裝

由于構(gòu)件節(jié)點皆為相貫線節(jié)點，在拼裝時應(yīng)特別注意先后順序和節(jié)點位置尺寸，以保證每根桿件能正確安裝到位。安裝順序為先立桿，后斜桿。立桿保證其垂直度，斜桿保證其安裝角度。

3.3.3 管桁架焊接

(1)管桁架桿件對接焊縫為全熔透焊縫，質(zhì)量等級為一級。鋼管相貫節(jié)點的焊接采用部分焊透的組合焊縫，允許在內(nèi)側(cè)的2～3mm不焊透，但需在外側(cè)增加3mm角焊縫，根部無刨口。焊縫由兩側(cè)的部分熔透焊縫過渡到角焊縫，焊縫尺寸為1.5倍支管壁厚，焊縫質(zhì)量等級為二級，管桁架的其余焊縫等級為三級。

(2)焊接采用由中間往兩邊對稱、同步的焊接順序，并嚴(yán)格控制線能量，減小焊接殘余應(yīng)力，使應(yīng)力分布較均勻[5]。

(3)鋼管相貫口的焊縫根據(jù)焊接位置與要求的不同，采用不同的剖口形式與工藝進(jìn)行焊接。對焊縫位置劃分為A、B、C三個不同區(qū)域(圖10)，與之相對應(yīng)的焊縫結(jié)構(gòu)形式如圖11所示。

圖10 相貫焊縫分區(qū)

圖11 相貫焊縫分區(qū)焊接形式

合理的焊接順序?qū)Y(jié)構(gòu)的質(zhì)量有著重要的影響，焊接時應(yīng)嚴(yán)格按照：A(趾部焊縫)→C(根部焊縫)→B(邊側(cè)焊縫)的順序焊接。待施焊完畢后，經(jīng)自檢合格后交由專職檢查人員復(fù)檢，以確保所有的焊縫均滿足要求。圖12為焊接完成的節(jié)點和管桁架。

圖12 焊接完成的節(jié)點和管桁架

4 新工藝特點分析

(1)管桁架的節(jié)點全部采用相貫線節(jié)點連接，使用數(shù)控相貫線自動切割機(jī)對管件的相貫面進(jìn)行切割，管件的剖口嚴(yán)格與主管外表面完全吻合，管件的加工精度和質(zhì)量要求得到有效地保證。

(2)管桁架體積龐大，采用馬凳式鋼支撐作為臨時拼裝平臺，可節(jié)約大量措施用料，同時保證了場地內(nèi)已建成的兩條皮帶機(jī)正常工作。

(3)上、下弦平面管桁架重疊組對，可有效地保證上、下弦外形尺寸及節(jié)點的一致性。

(4)利用門型吊架拼裝管桁架，上弦平面管桁架采用整體提升、空中移位及角度調(diào)整的施工方法，完成與下弦平面管桁架的組對。同時，利用門型吊架對管桁架拼裝的幾何尺寸進(jìn)行精調(diào)，提高了拼裝的精度。

(5)通過合理設(shè)計剖口、焊接順序、焊接參數(shù)，保證了焊接質(zhì)量，焊接變形得到控制。

(6)管桁架吊裝采用了兩臺150t履帶式起重機(jī)抬吊，兩機(jī)將跨度114m的管桁架吊起并同步行走，完成吊裝。

5 施工工藝方案對比

新施工工藝與傳統(tǒng)施工工藝的方案適用性及特點如表3所示。

表3 施工工藝方案對比

通過表3中的內(nèi)容分析可得出：傳統(tǒng)施工工藝所建造的封閉倉庫在跨度、承載力特征值、地基極限端阻力、基礎(chǔ)嵌入土層中深度等幾個方面均較新工藝有所不足，結(jié)合本工程項目的具體情況，所提出的管桁架新施工工藝更符合項目的要求和實際情況。

6 結(jié)束語

本文所提出的鋼管屋桁架拼裝的施工工藝方法，具有加工及拼裝精度高、質(zhì)量可控、工藝先進(jìn)等特點。通過所提出的新型施工工藝使得整個桁架的拼裝過程無需采用大型起重設(shè)備及專用胎具即可完成，節(jié)約大量措施用料，并且拼裝精度得到了提高，極大的縮減了項目工期。綜上所述，通過該新工藝成功完成了國內(nèi)跨度最大的干煤棚管桁架拼裝，為同類型或與之類似的大跨度管桁架的整體拼裝施工提供了新思路，具有顯著的社會和經(jīng)濟(jì)效益。