大跨悬挑“7”字形管桁架地面拼装施工关键技术

2019-10-15周海锋

工程建设与设计 2019年18期

周海锋

（中冶建工集团有限公司，重庆400032）

1 引言

大型体育场馆的建设日渐增多，其屋面体系大多为钢结构，其自重轻、跨度大，能满足结构及功能性需要。钢结构屋面造型复杂，导致构件异型、弧形杆件及复杂节点增多，悬臂桁架多采用地面拼装成型，然后大型起重设备分榀吊装，高空连接成整体的施工方法，地面拼装质量将影响到整个钢结构施工安全和质量[1]。通过地面拼装施工技术总结创新，可用于指导同类型或相似桁架地面拼装，弥补相关技术资料空缺。

2 工程概况

2.1 项目总体概况

体育场位于内蒙古呼伦贝尔牙克石市，主体为钢筋混凝土框架结构，屋面为钢管桁架结构，地上2层，局部3层。占地面积14 376.67m2，总建筑24 995.8m2，总座椅数16 995个（乙级体育场），设计使用年限50年，抗震设防烈度7度。主体结构最大长度240m，最大宽度190m，檐口高度33.227m。

2.2 钢结构概况

屋面钢管桁架结构，主桁架24榀（见图1），东西侧对称布置各12榀，环桁架4道，沿整个屋盖呈不规则椭圆形布置（见图2）；主桁架为倒“7”字形安装，截面呈倒三角形（见图3），每榀桁架设置2个支座分别在A、C轴线，支座中心距3m，主桁架有 6 种不同规格，质量 27～56t，悬挑长度 23～33m，倒“7”字高14～20m；钢结构罩棚质量约1600t；主桁架杆件规格：上弦杆φ76mm×（3.8～425）mm×30mm；下弦杆及腹杆φ76mm×（3.8～480）mm×35mm；焊接空心球支座半径R为425～500mm。

图1 屋盖整体示意图

图2 屋盖立面示意图

图3 主桁架立面示意图

3 工程特点及拼装难点

本工程的特点及拼装难点如下：

1）主桁架规格多，杆件长度、直径、倾斜角度不一（见图3），对地面拼装放样、拼装精度控制等带来挑战；

2）节点复杂，焊接质量控制难度大。主桁架腹杆较多，轴线均相交与一点，导致此处焊缝相交及存在窄间距焊接，其焊接困难，设计一级全熔透焊缝质量不易保证；

3）截面形式复杂、杆件变径，转折等，需要对杆件分段划分，方案需仔细策划，以减少拼装焊接量和提高组拼工效；

4）工期紧张，拼装胎架多套，重复利用率低，需多次改造使用，倒“7”字形地面卧拼，其形式复杂，对胎架制作精度及可调整性要求高。

4 现场卧拼整体及关键工艺流程

整体流程：场地处理→测量放线→胎架焊接拼装→杆件吊装组拼焊接→技术复核→焊缝探伤→补漆→转场安装。

场地处理：选址→承载力复核→地基处理→混凝土硬化→切缝→养护。

胎架焊接拼装：测量放线→底梁定位→拉梁焊接→立柱焊接→斜撑加固→三角托焊接→技术复核。

杆件吊装组拼焊接：上弦左侧主弦杆吊装→上弦右侧主弦杆吊装→下弦杆吊装→调整定位→上弦联系杆吊装定位→腹杆吊装定位→技术复核→分段焊接→验收。

说明：杆件在工厂下料、弯弧、相贯线切割、喷漆等，质量合格，打包运至拼装现场。

5 施工关键技术

5.1 场地处理

拼装场地处理应考虑因素：主桁架及胎架自重荷载，其通常进行地面硬化后能满足要求，也可进行简单核算；重点应考虑拼装吊机行走路线和停车点荷载，本工程主桁架地面拼装后，采用SCC4000（400t）履带吊转场吊装，因此，考虑吊装荷载时地面承载能力为主；拼装场地及杆件堆放地应进行垫高，便于排水。

履带吊行走线路路基承载力简化计算包括2方面：

1）通过查询设备参数，获得吊机在基本臂和标准配重下的履带平均接地比压力P1，通过静力计算获得吊机负重状态下履带反力（取较大值），从而计算压应力P2。P1+P2＜fak（地基承载力特征值）。

2）简化静力计算模型，如图4所示。查询设备参数表和分析吊装工况，通过静力计算模型得到履带最大反力R，从而得到压应力P，P＜fak。

本工程拼装场地通过粉土压实后铺200mm厚碎石，C25硬化150mm厚；吊装路线粉土换填500mm厚毛坯石，铺150mm厚级配砾石整平层，并压实，履带吊行走时随铺15mm厚钢板。

图4 简化静力计算模型

5.2 构件拆分

主桁架拆分成若干杆件运至现场拼装焊接，其拆分合理性涉及运输、拼装效率、焊接量等，因此，应详细策划。“7”字主桁架拆分：直管长度不超过拖挂车厢，超过时分段；弯管、变径节、腹杆、联系杆单独成段，折线处在转折点分段。分段处应避开密集施焊节点。如有复杂节点（铸钢节点），节点应单独制造。

5.3 胎架设计及组拼

主桁架胎架3套，完成同类型构件拼装后改造，胎架的设计应考虑承载力、刚度和稳定性要求，通过计算确定（见图5）。立柱间距应当考虑杆件形式及长度、焊缝位置、构件变形及稳定、胎架整体加固等因素。胎架采用全站仪定位放样，确保尺寸准确。胎架及主桁架采用Xsteel Tekla整体建模，转换成CAD模型图，进行坐标定位放样。

根据放样位置，先安装底梁并焊接拉梁固定，再焊接立柱和斜支撑；胎架高度最低处应能满足全位置焊接所需高度；三角托高度应根据标高严格控制，并焊接限位立柱；上弦杆焊接平台应能确保焊接可操作性，确保其合理宽度和高度。拼装胎架组装后应进行技术复核，验收合格后使用。

图5 胎架设计示意图

5.4 拼装及焊接

用25t汽车吊将主桁架地面一次拼装成型（见图6）。现场架立胎架，将主桁架弦杆依次吊装至胎架上并临时固定，调整复核后临时焊接固定，吊装腹杆和联系杆并与主弦杆临时固定，在分段焊接主弦杆和对应的腹杆。

焊接采用新技术（免清根焊接技术、免开破口熔透焊技术、窄间隙焊接技术），确保焊接质量。焊前进行工艺评定，桁架焊接应先焊接主构件再焊接次构件；对称结构焊接必须对称施焊，应连续施焊避免多次熄弧引弧；先焊接焊缝长且填充量大的焊缝。为减少桁架主弦杆焊接过程中的焊接变形，应分段同步焊接腹杆和联系杆形成约束体系，或设置临时支撑和焊缝约束板（固定在焊缝两侧）。部分圆管可采用地面对接焊接成型后胎架拼装，以减少仰焊。

图6 主桁架拼装

5.5 质量控制与检测

质量检测包括：拼装尺寸、焊接质量、防腐涂装等，拼装质量通过现场检尺并与深化设计图纸对比，偏差在允许范围内；焊缝设计采用一级焊缝，全焊透，所有焊缝均进行外观质量检查合格后超声波探伤，均达到验收及设计标准。

钢管焊接控制要点：坡口组对时应避免破口间隙过小和错边量，应考虑焊接收缩余量（通过试验焊接确定，经验参考值为弦杆每段放焊接收缩余量3～5mm，对腹杆等杆件放焊接收缩余量2mm）；在施焊部位搭设防风棚；垫板应与坡口紧贴；坡口清理干净不得留有杂质和污染物；焊前预热和焊后保温时间及温度应满足要求；打底焊采用小电流将焊缝根部熔透，填充焊电流大于打底焊，避免出现焊瘤等缺陷，并严格控制层间温度，层间清理应彻底[2]。