巨型桁架結構在嚴寒地區冬歇期的越冬維護技術分析

高清濤，張偉光，裴金春，孫鈺涵，張可亮

（中建二局第四建筑工程有限公司，天津 300457）

1 工程概況

某工程位于哈爾濱市松北區，工程用地面積19.25 萬m2，總建筑面積36.96 萬m2，如圖1 所示，包含室內滑雪場、室內滑冰場、電影科技樂園、室內步行街、停車樓等業態，其中室內滑雪場建筑面積8 萬m2，為單層鋼結構體系，鋼結構主體長度487m，用鋼量4.5 萬t，分為西、中、東三個區，如圖2 所示。西、中區為大跨巨型桁架結構，最大跨度151m，如圖3 所示。東區為下部巨型框架結構，上部大跨門式剛架結構，跨度由120m 漸變至88m，最高點高度114.5m。西區、中區鋼結構屋蓋選用原位拼裝、整體提升的方案，東區屋蓋選用了累計滑移的施工方案。2014 年冬歇前西區施工完成，中區屋蓋原位拼裝30%，圖4 為越冬前東區屋蓋工況，東區雪道層主桁架及以下部分施工完成，屋蓋前4 榀屋蓋滑移就位，側桁架尚未開始安裝。但哈爾濱冬季極端最低氣溫將近-40℃，且多降雪、多大風天氣，氣候非常惡劣，給滑移未完成、未形成按照設計受力的臨時體系帶來了很大考驗。

圖1 工程結構模型

圖2 西、中區鋼結構模型圖

圖3 東區鋼結構模型圖

圖4 越冬前東區屋蓋工況模型

2 極端低溫作用影響分析

2.1 模擬計算分析

西區中的西1區合龍時間在9月份，8～9月份最低溫度15℃，最高溫度30℃，合龍溫度按照20℃考慮。哈爾濱地區冬季歷史上極低氣溫為-39.3℃，則冬歇期間結構降溫荷載為-34-20=-60℃。西區巨型桁架已經合龍完成，分別對設計狀態（圖5 最大變形、圖6 最大應力）、施工同步最終狀態（圖7 最大變形、圖8 最大應力）、極限低溫狀態（圖9最大變形、圖10 最大應力）進行驗算。東區屋蓋尚未與兩側支座連接，所以如圖11只計算自重狀態和自重+極限低溫狀態，選用的計算軟件為MIDAS GEN。

圖5 最大變形（133mm）

圖6 最大應力（90MPa）

圖7 最大變形（162mm）

圖8 最大應力（102MPa）

圖9 最大變形（228mm）

圖10 最大應力（145MPa）

圖11 最大轉動（0.005rad）

西區在設計狀態下的計算結果如圖5、圖8所示（自重作用）。

西區在施工最終狀態下的計算結果如圖7、圖8所示。

冬歇期極端低溫狀態下應力和變形結果如圖9、圖10所示。

冬歇期極端低溫狀態下抗震鉸支座轉動分析如圖11所示。

東區屋蓋滑移完成前4 榀，未進行側桁架安裝，雪道層主桁架和筒體安裝完成，分別對自重作用下（圖12 最大變形、圖13 最大應力）、極限低溫作用下（圖14 最大變形、圖15 最大應力）、在自重和極限低溫作用下（圖16 最大變形、圖17 最大應力）進行驗算，極限溫度和自重作用下的組合按（1.0 自重+1.0 極限溫度）考慮。

圖12 最大變形（52mm）

圖13 最大應力（75MPa）

圖14 最大變形（81mm）

圖15 最大應力（116MPa）

圖16 最大變形（131mm）

圖17 最大應力（133MPa）

東區在自重作用下的計算結果如圖12、圖13所示。

東區在極限低溫作用下的計算結構如圖14、圖15所示。

東區在自重和極限低溫作用下的計算結構如圖16、圖17所示。

由上述結果可見，桿件應力仍遠小于承載能力極限狀態下桿件最大應力，故冬歇期間，結構所有桿件仍處于彈性狀態，結構安全。西區抗震支座最大轉動量為0.005rad，小于允許最大轉動量0.05rad，故滿足極端低溫條件下的使用需要。

2.2 焊縫低溫性能分析

規范要求的低溫焊接環境溫度變化范圍為0～-10℃，為保證焊接質量，本工程當環境溫度低于-5℃停止焊接作業。現場主要采用CO2氣體保護焊和手工電弧焊，現場焊接作業即試件制作時的手工電弧焊焊接參照表1 標準進行施焊與檢查，CO2氣體保護焊焊接參照表2標準進行施焊與檢查。

表1 手工電弧焊焊接參數表

表2 CO2氣體保護焊焊接參數表

按照上述工藝焊制的T 型試件分別在0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃溫度條件下對焊縫上中下三個部位分別進行沖擊功試驗，沖擊功試驗結果詳見表3，得出焊縫的沖擊功性能，滿足規范E類鋼材的性能，即按照該工藝施焊的焊縫能夠保證在嚴寒氣候下的韌性，結構安全，如表3所示。

表3 沖擊功試驗結果一覽表

3 越冬準備

①編制越冬維護方案，根據批準的方案，進行詳細的技術交底，讓每個在現場的人員熟悉冬歇期現場維護要求。

②為保證越冬期間工作正常有序進行，吊車用的防凍潤滑油、-10＃柴油準備充足，其他的彩鋼板、保溫巖棉、三防布、塑料布、清雪工具等準備齊全。

③成立越冬期間管理小組，組織全體越冬期間施工人員進行安全技術交底，著重對越冬期間各項任務落實中的注意事項進行交底。

④越冬期開始前完成所有吊裝就位的主次結構焊接工作，確保焊縫質量合格。對滑移支架、未拆除臨時支撐等輔助安裝結構進行加固焊接，確保越冬期間結構整體安全性。

⑤越冬期開始前完善已安裝焊接完成構件的油漆修補工作，構件不得直接裸露表面，尤其注意節點處包括連接板部位的油漆修補。

⑥對已施工完成的帶有結構構造孔洞的封閉型構件，必須采取防凍脹措施（設置封板、焊接封堵孔洞），嚴禁雨雪水灌入。

⑦越冬期開始后施工現場進行全面清理，胎架材料割除并分類堆放，現場垃圾全部清理出場。

⑧設備電纜要分開，必要時移到安全地方。所有的工作平臺，其中設備、纜繩和臨時結構都要牢固地系好。

4 關鍵節點處理

4.1 雪道層主桁架

對下述懸挑區上弦焊縫，用-30x250x400卡板進行加強，卡板加設位置如圖18 所示，卡板與上弦采用16mm雙面角焊縫，主要起保險絲作用，冬歇前后通過對角焊縫的檢查，判斷結構焊縫在冬歇期結束后是否安全。

圖18 雪道層主桁架卡板加設位置圖

雪道鋼結構安裝使用的臨時胎架盡量拆除完成。對于無法拆除的胎架需要對胎架基礎進行保溫處理，即在胎架根部每側2m 的范圍內覆蓋600mm 厚的珍珠巖對基層土進行保溫處理，珍珠巖上、下分別鋪設一層彩條布，并在面層用鋼管壓住。

4.2 屋蓋桁架

為確保屋面分塊和下部滑移支撐形成一個整體，確保屋面分塊和下部滑移支撐連接節點的剛度滿足要求，在每個連接節點處采用鋼管進行加固連接，屋蓋滑移支點處加固做法如圖19 所示，屋面分塊內采用P245×10 鋼管，鋼管一端抽槽焊接PL20穿心板，穿心板與屋面分塊上弦節點處H 型鋼面板焊接，焊縫型式為雙面角焊縫，焊接尺寸不得小于0.7倍板厚。鋼管另一端相貫焊接在下弦桿H 型鋼面板部位，焊縫型式為單面角焊縫，焊腳尺寸不得小于0.7倍鋼管壁厚。

圖19 屋蓋滑移支點處加固做法圖

為確保滑移支撐與屋面分塊連接處節點的牢固性，對支撐與分塊所有連接節點同樣采取鋼管加固方式進行連接，加固做法如圖20 所示。具體做法是在滑移支撐頂部平臺兩端各采用兩根P219×10 鋼管，鋼管一端與平臺H 型鋼面板相貫焊接，另一端與屋面分塊下弦桿H 型鋼面板相貫焊接，焊縫型式為單面角焊縫，焊腳尺寸不得小于0.7 倍鋼管壁厚。為避免平面外的剛度不夠，在平臺兩端各設置一根P219×10 鋼管，鋼管一端與平臺中心處面板相貫焊接，另一端同樣與屋面分塊下弦桿H 型鋼面板相貫焊接，焊縫型式同上。

圖20 滑移支撐與屋蓋連接加固做法圖

4.3 滑移軌道支撐

為確保下部支撐平臺與樓面桁架上弦連接牢固性，在每個下部平臺與滑雪層相接處用HW400 工字鋼加固，加固做法如圖21 所示，加固工字鋼面板與滑雪層上部面板焊接，腹板用連接板加強焊接，確保加固工字鋼與樓面層形成整體。支撐平臺中心落在雪道桿件節點處，角部落在加固工字鋼上。支撐平臺與樓面桁架弦桿用PL20 加勁板加強焊接。

圖21 軌道支撐根部加固做法

4.4 抗震球鉸支座及抗震阻尼器

雪道鋼結構側桁架內設計有8 處抗震阻尼器，各個區均涉及有抗震球鉸支座。根據使用說明，球鉸支座使用溫度為-40℃～70℃，抗震阻尼器的使用溫度為-40℃～80℃，哈爾濱地區最低溫度并未低于使用最低溫度。但是考慮融雪結冰可能產生的凍脹影響，對所有抗震球鉸支座用彩鋼板制作成一個方盒包圍鉸支座，并用三防布在方盒外圍包裹進行防護。抗震阻尼器則直接包裹三防布。

5 越冬維護期間相關工作

①越冬檢查。越冬前期準備工作、措施全部按照方案完成和落實，會同建設單位、監理單位對越冬專項方案落實情況進行檢查。

②掌握氣象資料，與氣象部門定時聯系，每天記錄天氣預報，隨時通報，以便工地做好工作安排和采取預防措施，尤其防止惡劣天氣突然發生對施工造成影響。

③因進入越冬期間基本無施工，因此施工現場僅在各區域保留有限燈具來提供越冬期間現場的夜間照明，為安全保衛人員巡邏值班提供條件。

④越冬期間每隔兩周左右檢查一次（每日進行安全重點防范部位巡查），主要檢查越冬期間措施是否有效，若發現問題及時處理。

⑤根據計算模型，在變形最大的部位設置沉降觀測點，每周對沉降點觀測兩次，準確掌握最大沉降點處的實際沉降值，與計算結構進行對比。若出現變形異常，立即組織專業技術人員和專家制定應急措施，確保結構安全。

⑥根據每天的氣溫記錄，待越冬維護結束后再次聯合建設單位、監理共同進行復工檢查，合格后各方共同簽署復工報告，正式復工。