大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架滑移法施工技術(shù)探究

杜新亮

（山西建筑工程集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

隨著我國大力加強(qiáng)城市現(xiàn)代化建設(shè)，建筑工程行業(yè)的數(shù)量和規(guī)模都在大幅增加，同時為了提高工程效率和質(zhì)量，引入了各類先進(jìn)施工技術(shù)，為大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。但這一階段的建設(shè)具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性與復(fù)雜性，亟需加強(qiáng)對大跨度結(jié)構(gòu)空間管桁架的設(shè)計研究，以提高工程建設(shè)的效率和質(zhì)量。目前，國內(nèi)外對空間鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架結(jié)構(gòu)的研究主要集中在對鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架結(jié)構(gòu)的研究上。隨著科技的發(fā)展，空間結(jié)構(gòu)的跨徑早就已經(jīng)超過了100m，最近幾年，因為環(huán)境保護(hù)的需要，很多能源公司的封閉式建筑的跨徑已經(jīng)達(dá)到了200m 以上，用鋼量很大，鋼構(gòu)件的規(guī)格和種類也很多，并且大臨海工程建設(shè)對空間結(jié)構(gòu)的受力設(shè)計和安全保障提出了更高的要求。

1 大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架結(jié)構(gòu)

目前，空間管桁架結(jié)構(gòu)在各類建筑項目中被廣泛應(yīng)用，尤其以大型工業(yè)和市政建筑項目為主，其中以成都機(jī)場、沈陽滑雪場以及武漢跨江大橋等為典型代表。按不同類型桿架布置的受力差異性特征為依據(jù)，一般可將空間管桁架結(jié)構(gòu)劃分為兩種類型：平面型和空間型。平面型空間管桁架結(jié)構(gòu)是將腹桿及上下弦桿置于同一平面的一種新型結(jié)構(gòu)，其平面外部的剛性較差，容易發(fā)生平面外部失衡。因而，具體施工應(yīng)用中，會將腹桿與上下弦設(shè)置在三角形斷面上，可增加其適用跨度，提高其空間穩(wěn)定性，并可營造出良好的美學(xué)效果。對于大跨空間屋蓋結(jié)構(gòu)，在不能有效設(shè)置平面外支撐的情況下，可采用空間三角管桁架，該型式具有更好的穩(wěn)定性，且需要更少的支撐件，從而降低工程造價。不同形狀構(gòu)造的大跨度鋼結(jié)構(gòu)管桁架連接方式，依據(jù)其連接連接件桿件截面的差異而定，具體如下：如果連接件截面是正方形，選用的桁架結(jié)構(gòu)類型為R-R 型；如果連接件截面是長方形，選用的桁架結(jié)構(gòu)類型為R-C 型；如果連接件截面是圓形，選用的桁架結(jié)構(gòu)類型為C-C 型[1]。桁架的形狀會直接受到弦桿的類型的影響，一般情況下，它主要是以曲線型桁架和直線型桁架為主要形式，從提高建筑的美感角度來說，曲線型桁架具有很高的使用價值。為減少工程造價，在實際應(yīng)用中，對曲線管桁架進(jìn)行了曲線管桁架的設(shè)計。采用鋼管桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和施工，既可以提高建筑工程的外觀美感，又可以降低成本，與其他施工材料比較，在鋼管桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用過程中，所采用的材料具有更多的合理性，這符合現(xiàn)代建筑工程建設(shè)的需要，也符合先進(jìn)的設(shè)計理念。

2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)滑移法施工技術(shù)

滑移法適合于大跨度的單跨空間桁架，對于多個桁架結(jié)構(gòu)相同，單桿重量較大，支座情況比較復(fù)雜的桁架，滑移法具有巨大的應(yīng)用優(yōu)勢。滑移法常常與分段吊裝法相結(jié)合使用，使得滑移法具有快速、無須大型吊裝設(shè)備、對部分物料封閉式堆場不影響正常生產(chǎn)等優(yōu)點，以提高工程效率。滑移法的工作原理是，在鋼結(jié)構(gòu)管桁架基礎(chǔ)上預(yù)設(shè)焊接滑動軌道，待鋼結(jié)構(gòu)管桁架拼接組裝完成以后，將其平穩(wěn)放置在滑動軌道中，利用滑動軌道上部的頂推設(shè)置來將拼裝好的管桁架一榀一榀地滑移輸送，重復(fù)操作拼接，滑移，輸送等步驟，將整個鋼結(jié)構(gòu)管桁架組裝完整后，再應(yīng)用頂升系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行管桁架的卸載和安裝。從目前的情況來看，鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架滑移法在工程實踐中取得了良好的使用效果，成為大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用的不二選擇。

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的焊接對結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量有著最直接的影響，因此，要選擇合適的焊材、焊機(jī)，對焊接電壓和電流進(jìn)行控制，確保焊接部位的清潔及焊接作業(yè)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相一致，還要做好焊縫的檢測工作。在吊裝之前，應(yīng)對吊點、吊索、卡環(huán)等進(jìn)行校核，并對吊機(jī)的選用和基礎(chǔ)的承載力是否符合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。采用有限元方法，對大跨鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對其在實際工程中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析。著重對施工大臨的荷載分布、結(jié)構(gòu)吊裝時的應(yīng)力變化及變形、滑移對結(jié)構(gòu)造成的應(yīng)力變形等進(jìn)行了分析。此外，還需要做好數(shù)據(jù)監(jiān)測工作，來確保鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度和結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全，在設(shè)置監(jiān)測點的時候應(yīng)盡量選擇應(yīng)力較大，承載力和穩(wěn)定性有較大影響的部位。

在選擇大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的施工方法時，要綜合考慮多種因素。

（1）在工程設(shè)計中，跨距是最主要的考量因素，跨距的大小對工程建設(shè)中的質(zhì)量控制措施、安全保護(hù)措施、造價控制和進(jìn)度控制等有很大的影響。

（2）建筑用途及構(gòu)型，建筑用途通常決定其構(gòu)型，如體育館，封閉式煤棚，火車站等，因其用途不同，其構(gòu)型和樣式也會有差異。不同的建筑平面形態(tài)對建筑形式的選擇起著重要的作用[2]。

（3）工地施工條件，工地施工條件雖不能確定施工方式，但施工條件常常會制約一些施工方式，例如場地狹窄，施工與生產(chǎn)同步進(jìn)行，項目臨近居民小區(qū)，這些都是施工方式的限制，因此，我們在選擇施工方式時，一定要將其考慮在內(nèi)。

3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架設(shè)計要點

3.1 主管不等壁厚對接設(shè)計

由于主管對接口完全與跨度的變截面位置重合，在進(jìn)行施工作業(yè)時就會產(chǎn)生往往會出現(xiàn)不等壁厚對接問題。為了解決這個問題，設(shè)計人員在具體施工時，必須和廠家協(xié)商，在全部主管對接口處進(jìn)行打內(nèi)坡口處理，并采用折板來達(dá)到起到襯墊作用的目的。但在工程實踐中，大部分的內(nèi)坡口構(gòu)件都存在著施工困難和耗時的問題。另外，由于與發(fā)達(dá)國家比較，我國的無縫鋼結(jié)構(gòu)空間管生產(chǎn)技術(shù)還具有一定的滯后性，所以能夠充分運用卷管制方法，但這一過程中產(chǎn)生的直縫鋼結(jié)構(gòu)空間管圓度差問題是無法避免的。對于此項工程施工有明確的施工標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，縫鋼結(jié)構(gòu)空間管的外徑誤差必須控制在1%以內(nèi)，彎曲程度誤差不得超過3.0mm/m。當(dāng)同時進(jìn)行雙構(gòu)件焊接時，二者出現(xiàn)寬度和厚度誤差允許范圍在4mm 以內(nèi)，當(dāng)超出誤差范圍，處理方法是，在寬度和厚度兩個垂直面上，分別沿著另一側(cè)制成斜角，斜角坡度的控制參數(shù)為1:1.25。

3.2 K 型搭接節(jié)點處設(shè)計

根據(jù)K 型搭接的結(jié)構(gòu)特點，可將搭接劃分為全搭接、部分搭接和間隙搭接3 種。對于不同的結(jié)構(gòu)節(jié)點，在設(shè)計時要科學(xué)地選擇并控制其搭接方式，以防止隱焊點增多。總體來說，在設(shè)計時，應(yīng)該對主管與腹桿的直徑比例進(jìn)行嚴(yán)格的控制，這兩個比例的數(shù)值應(yīng)該不低于0.2，也不能超過1，而在腹桿之間的搭接量應(yīng)該不低于25%。在節(jié)點的選擇上，要注意采用行之有效的方法，把搭接節(jié)點換成間隙節(jié)點，這是由于與有搭接節(jié)點相比，間隙節(jié)點具有裝配方便、施工方便等優(yōu)點。一般情況下，在搭接節(jié)點的選取上，重點是要使被搭接管的長度為25%，使搭接管與搭接管的交疊。而且，對于搭接節(jié)點構(gòu)件來說，圓管外層直徑與構(gòu)件壁的厚度之比不得大于100[3]。在設(shè)計和施工中，如果出現(xiàn)了不同厚度的腹桿，則在進(jìn)行實際的焊接施工時，要把薄壁鋼管搭在厚壁鋼管之上。由此可以看出，在實際設(shè)計空間管桁架的時候，應(yīng)該對桿件節(jié)點承受力和桿件展開重點考慮，對節(jié)點的構(gòu)造要給予足夠的重視，從而為其他設(shè)計環(huán)節(jié)打下良好的基礎(chǔ)。

3.3 交匯口補(bǔ)塊設(shè)計

在建筑工程設(shè)計工作，具有系統(tǒng)性和復(fù)雜性的特征，影響工程質(zhì)量的因素也比較多，比如由于材料的差異、機(jī)械的精度不足、裝配工藝不完善等原因，都可能造成相貫口縫隙過大。因此，為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，只有及時展開查缺補(bǔ)漏才能夠有效地降低相貫口縫隙過大現(xiàn)象發(fā)生的概率。一方面，若桁架與主弦管交匯口間隙大于8mm 時，必須完全更換交匯口并進(jìn)行切削，在實際展開切削時，應(yīng)保持長橢圓形狀，長度大于500mm；并且需要利用打坡口焊接施工的方法來完全替換掉切割面。在分支管交匯口間隙較大時，實施分支管交匯部分部件補(bǔ)丁，采用長橢圓補(bǔ)丁，確保其長度不低于300mm，并采用坡口焊接法。

4 大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架滑移法施工方法

4.1 鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架梁的制作及運輸

首先，仔細(xì)審閱圖紙，研究施工計劃，在模板臺上將大樣1:1 放出，確保精確度，檢查尺寸，并在節(jié)點旁邊標(biāo)注出每根柱子的大小，以便檢查。根據(jù)樣板的要求，對原材料進(jìn)行打樣，打上各類工藝標(biāo)記，以便進(jìn)行合理選擇。其次，在放樣號料時，要按工藝要求預(yù)留出焊接收縮量以及切削、刨邊等加工余量。在進(jìn)行氣割之前，要把被氣割的鋼板上的銹跡、污垢等清理掉，氣割結(jié)束后，要把爐渣、飛濺的雜物清理掉。再次，進(jìn)行組對，把下好的各桿件按施工圖紙進(jìn)行組對，并對制作成型的構(gòu)件進(jìn)行編號。在對構(gòu)件矯正后，鋼材的表面不能出現(xiàn)明顯的損壞痕跡，而且劃痕的深度不能超過0.5mm。此外，彎制成形的部件要用圓弧模子檢驗，模子之間的空隙不能超過0.2mm。最后，經(jīng)檢驗合格的構(gòu)件方可出庫，按裝配次序?qū)⒚恳桓旒芰哼\送到工地。

4.2 滑道、滑板設(shè)計

基于滑移法的桁架自身重量較大、滑動時存在橫向軸向推力、滑動軌跡呈弧形分布等特性，選擇了普通鋼片+聚四氟乙稀滑塊的滑移方法。為了確保滑道的連續(xù)性，可以在柱的頂部支座處提前布置連接鋼板，用來平穩(wěn)銜接滑動箱梁之間的距離，具體的做法就是，支裝外圍兩端和預(yù)埋鋼筋的箱梁焊接，并加設(shè)外側(cè)鋼制擋板。

4.3 牽引設(shè)備和牽引方法

液壓牽引設(shè)備選用200t 液壓牽引器，鋼絞線10 根一束，沿牽引軸線單臺布置，共設(shè)置2 臺液壓牽引器，配套2 臺液壓泵站、動力柜及相應(yīng)計算機(jī)控制系統(tǒng)。牽引千斤頂選用4 臺液壓千斤頂，由一個泵站帶動200t液壓千斤頂，牽引鋼絞線為10 根180 級低松弛鋼絞線，微機(jī)同步控制。被牽引桁架由后部錨具固定并與牽引鋼絞線拉緊，前部卡具卡緊，千斤頂頂升，被牽引桁架移動，千斤頂頂升后，牽引力轉(zhuǎn)由后部錨具承受，前部夾具打開，千斤頂回油，被牽引桁架由后部錨具承受，前部錨具沿鋼絞線滑移[4]。

4.4 曲線滑移的同步性控制技術(shù)

針對實際工程中兩條滑軌長度不同的情況，將兩條滑軌的角速度同步性轉(zhuǎn)化為兩條滑軌的線速度同步性。在A 軸向滑動速度和G 軸向滑動速度分別為8.5m/h 和10.2m/h。通過微機(jī)控制，實現(xiàn)了油缸的同步，精確度達(dá)到20mm。在滑板上，液壓牽引裝置的壓力表處和微機(jī)控制室，都有專門的人負(fù)責(zé)監(jiān)視，微機(jī)控制室負(fù)責(zé)總體控制。如果觀測站中的任意一個，匯報的滑動誤差超出了容許范圍，那么電腦就可以停止滑動。在確定了超差數(shù)值和單邊滑動修正后，再執(zhí)行正常滑動。

4.5 頂升就位

當(dāng)桁架滑動到位之后，在對各個部位的尺寸、標(biāo)高和支座位置進(jìn)行檢驗之后，參照變形協(xié)調(diào)，卸載平衡的原則，對桁架進(jìn)行頂升就位操作。用千斤頂提升G 軸上的支撐點，然后將滑移梁軌拉出，讓桁架的自重順利地過渡到支座上，當(dāng)桁架的下?lián)馅呌诜€(wěn)定時再進(jìn)行支架的安裝作業(yè)。將G 軸托架安裝好后，再將A 軸托架上的支承點按相同方式安裝到托架上。采用微機(jī)控制的直線同步滑移，剛性連接，近點牽引滑板滑移，有效降低了吊起和滑動變形，確保了安裝過程的順利。拱頂與主桁架的鉸鏈結(jié)構(gòu)，便于對主桁架進(jìn)行糾偏和頂板就位。在A 軸向上的主桁架支承，采用滑移法進(jìn)行，能較好地補(bǔ)償大跨鋼梁的溫度變形[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，空間管桁架是現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)工程重要組成部分，而滑移法則是普遍使用的空間管桁架吊裝方式之一，對于提高工程施工效率和質(zhì)量，確保大跨度鋼結(jié)構(gòu)的安全具有十分重要的作用。在如今城市化和工業(yè)化持續(xù)深入發(fā)展的時代背景下，建設(shè)工程規(guī)模和難度不斷增大，對鋼結(jié)構(gòu)工程施工的要求越來越高，因此在大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架工程中如何應(yīng)用滑移法施工技術(shù)來有效提高建筑施工效率和質(zhì)量，成為工程順利開展的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。在實際施工過程中，由于空間管桁架滑移法涉及多項施工技術(shù)，必須加強(qiáng)現(xiàn)場施工工藝的監(jiān)管，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化施工流程，以技術(shù)創(chuàng)新為支點，提升鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架滑移法施工的安全性。