巨型桁架结构在严寒地区冬歇期的越冬维护技术分析

高清涛，张伟光，裴金春，孙钰涵，张可亮

（中建二局第四建筑工程有限公司，天津 300457）

1 工程概况

某工程位于哈尔滨市松北区，工程用地面积19.25 万m2，总建筑面积36.96 万m2，如图1 所示，包含室内滑雪场、室内滑冰场、电影科技乐园、室内步行街、停车楼等业态，其中室内滑雪场建筑面积8 万m2，为单层钢结构体系，钢结构主体长度487m，用钢量4.5 万t，分为西、中、东三个区，如图2 所示。西、中区为大跨巨型桁架结构，最大跨度151m，如图3 所示。东区为下部巨型框架结构，上部大跨门式刚架结构，跨度由120m 渐变至88m，最高点高度114.5m。西区、中区钢结构屋盖选用原位拼装、整体提升的方案，东区屋盖选用了累计滑移的施工方案。2014 年冬歇前西区施工完成，中区屋盖原位拼装30%，图4 为越冬前东区屋盖工况，东区雪道层主桁架及以下部分施工完成，屋盖前4 榀屋盖滑移就位，侧桁架尚未开始安装。但哈尔滨冬季极端最低气温将近-40℃，且多降雪、多大风天气，气候非常恶劣，给滑移未完成、未形成按照设计受力的临时体系带来了很大考验。

图1 工程结构模型

图2 西、中区钢结构模型图

图3 东区钢结构模型图

图4 越冬前东区屋盖工况模型

2 极端低温作用影响分析

2.1 模拟计算分析

西区中的西1区合龙时间在9月份，8～9月份最低温度15℃，最高温度30℃，合龙温度按照20℃考虑。哈尔滨地区冬季历史上极低气温为-39.3℃，则冬歇期间结构降温荷载为-34-20=-60℃。西区巨型桁架已经合龙完成，分别对设计状态（图5 最大变形、图6 最大应力）、施工同步最终状态（图7 最大变形、图8 最大应力）、极限低温状态（图9最大变形、图10 最大应力）进行验算。东区屋盖尚未与两侧支座连接，所以如图11只计算自重状态和自重+极限低温状态，选用的计算软件为MIDAS GEN。

图5 最大变形（133mm）

图6 最大应力（90MPa）

图7 最大变形（162mm）

图8 最大应力（102MPa）

图9 最大变形（228mm）

图10 最大应力（145MPa）

图11 最大转动（0.005rad）

西区在设计状态下的计算结果如图5、图8所示（自重作用）。

西区在施工最终状态下的计算结果如图7、图8所示。

冬歇期极端低温状态下应力和变形结果如图9、图10所示。

冬歇期极端低温状态下抗震铰支座转动分析如图11所示。

东区屋盖滑移完成前4 榀，未进行侧桁架安装，雪道层主桁架和筒体安装完成，分别对自重作用下（图12 最大变形、图13 最大应力）、极限低温作用下（图14 最大变形、图15 最大应力）、在自重和极限低温作用下（图16 最大变形、图17 最大应力）进行验算，极限温度和自重作用下的组合按（1.0 自重+1.0 极限温度）考虑。

图12 最大变形（52mm）

图13 最大应力（75MPa）

图14 最大变形（81mm）

图15 最大应力（116MPa）

图16 最大变形（131mm）

图17 最大应力（133MPa）

东区在自重作用下的计算结果如图12、图13所示。

东区在极限低温作用下的计算结构如图14、图15所示。

东区在自重和极限低温作用下的计算结构如图16、图17所示。

由上述结果可见，杆件应力仍远小于承载能力极限状态下杆件最大应力，故冬歇期间，结构所有杆件仍处于弹性状态，结构安全。西区抗震支座最大转动量为0.005rad，小于允许最大转动量0.05rad，故满足极端低温条件下的使用需要。

2.2 焊缝低温性能分析

规范要求的低温焊接环境温度变化范围为0～-10℃，为保证焊接质量，本工程当环境温度低于-5℃停止焊接作业。现场主要采用CO2气体保护焊和手工电弧焊，现场焊接作业即试件制作时的手工电弧焊焊接参照表1 标准进行施焊与检查，CO2气体保护焊焊接参照表2标准进行施焊与检查。

表1 手工电弧焊焊接参数表

表2 CO2气体保护焊焊接参数表

按照上述工艺焊制的T 型试件分别在0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃温度条件下对焊缝上中下三个部位分别进行冲击功试验，冲击功试验结果详见表3，得出焊缝的冲击功性能，满足规范E类钢材的性能，即按照该工艺施焊的焊缝能够保证在严寒气候下的韧性，结构安全，如表3所示。

表3 冲击功试验结果一览表

3 越冬准备

①编制越冬维护方案，根据批准的方案，进行详细的技术交底，让每个在现场的人员熟悉冬歇期现场维护要求。

②为保证越冬期间工作正常有序进行，吊车用的防冻润滑油、-10＃柴油准备充足，其他的彩钢板、保温岩棉、三防布、塑料布、清雪工具等准备齐全。

③成立越冬期间管理小组，组织全体越冬期间施工人员进行安全技术交底，着重对越冬期间各项任务落实中的注意事项进行交底。

④越冬期开始前完成所有吊装就位的主次结构焊接工作，确保焊缝质量合格。对滑移支架、未拆除临时支撑等辅助安装结构进行加固焊接，确保越冬期间结构整体安全性。

⑤越冬期开始前完善已安装焊接完成构件的油漆修补工作，构件不得直接裸露表面，尤其注意节点处包括连接板部位的油漆修补。

⑥对已施工完成的带有结构构造孔洞的封闭型构件，必须采取防冻胀措施（设置封板、焊接封堵孔洞），严禁雨雪水灌入。

⑦越冬期开始后施工现场进行全面清理，胎架材料割除并分类堆放，现场垃圾全部清理出场。

⑧设备电缆要分开，必要时移到安全地方。所有的工作平台，其中设备、缆绳和临时结构都要牢固地系好。

4 关键节点处理

4.1 雪道层主桁架

对下述悬挑区上弦焊缝，用-30x250x400卡板进行加强，卡板加设位置如图18 所示，卡板与上弦采用16mm双面角焊缝，主要起保险丝作用，冬歇前后通过对角焊缝的检查，判断结构焊缝在冬歇期结束后是否安全。

图18 雪道层主桁架卡板加设位置图

雪道钢结构安装使用的临时胎架尽量拆除完成。对于无法拆除的胎架需要对胎架基础进行保温处理，即在胎架根部每侧2m 的范围内覆盖600mm 厚的珍珠岩对基层土进行保温处理，珍珠岩上、下分别铺设一层彩条布，并在面层用钢管压住。

4.2 屋盖桁架

为确保屋面分块和下部滑移支撑形成一个整体，确保屋面分块和下部滑移支撑连接节点的刚度满足要求，在每个连接节点处采用钢管进行加固连接，屋盖滑移支点处加固做法如图19 所示，屋面分块内采用P245×10 钢管，钢管一端抽槽焊接PL20穿心板，穿心板与屋面分块上弦节点处H 型钢面板焊接，焊缝型式为双面角焊缝，焊接尺寸不得小于0.7倍板厚。钢管另一端相贯焊接在下弦杆H 型钢面板部位，焊缝型式为单面角焊缝，焊脚尺寸不得小于0.7倍钢管壁厚。

图19 屋盖滑移支点处加固做法图

为确保滑移支撑与屋面分块连接处节点的牢固性，对支撑与分块所有连接节点同样采取钢管加固方式进行连接，加固做法如图20 所示。具体做法是在滑移支撑顶部平台两端各采用两根P219×10 钢管，钢管一端与平台H 型钢面板相贯焊接，另一端与屋面分块下弦杆H 型钢面板相贯焊接，焊缝型式为单面角焊缝，焊脚尺寸不得小于0.7 倍钢管壁厚。为避免平面外的刚度不够，在平台两端各设置一根P219×10 钢管，钢管一端与平台中心处面板相贯焊接，另一端同样与屋面分块下弦杆H 型钢面板相贯焊接，焊缝型式同上。

图20 滑移支撑与屋盖连接加固做法图

4.3 滑移轨道支撑

为确保下部支撑平台与楼面桁架上弦连接牢固性，在每个下部平台与滑雪层相接处用HW400 工字钢加固，加固做法如图21 所示，加固工字钢面板与滑雪层上部面板焊接，腹板用连接板加强焊接，确保加固工字钢与楼面层形成整体。支撑平台中心落在雪道杆件节点处，角部落在加固工字钢上。支撑平台与楼面桁架弦杆用PL20 加劲板加强焊接。

图21 轨道支撑根部加固做法

4.4 抗震球铰支座及抗震阻尼器

雪道钢结构侧桁架内设计有8 处抗震阻尼器，各个区均涉及有抗震球铰支座。根据使用说明，球铰支座使用温度为-40℃～70℃，抗震阻尼器的使用温度为-40℃～80℃，哈尔滨地区最低温度并未低于使用最低温度。但是考虑融雪结冰可能产生的冻胀影响，对所有抗震球铰支座用彩钢板制作成一个方盒包围铰支座，并用三防布在方盒外围包裹进行防护。抗震阻尼器则直接包裹三防布。

5 越冬维护期间相关工作

①越冬检查。越冬前期准备工作、措施全部按照方案完成和落实，会同建设单位、监理单位对越冬专项方案落实情况进行检查。

②掌握气象资料，与气象部门定时联系，每天记录天气预报，随时通报，以便工地做好工作安排和采取预防措施，尤其防止恶劣天气突然发生对施工造成影响。

③因进入越冬期间基本无施工，因此施工现场仅在各区域保留有限灯具来提供越冬期间现场的夜间照明，为安全保卫人员巡逻值班提供条件。

④越冬期间每隔两周左右检查一次（每日进行安全重点防范部位巡查），主要检查越冬期间措施是否有效，若发现问题及时处理。

⑤根据计算模型，在变形最大的部位设置沉降观测点，每周对沉降点观测两次，准确掌握最大沉降点处的实际沉降值，与计算结构进行对比。若出现变形异常，立即组织专业技术人员和专家制定应急措施，确保结构安全。

⑥根据每天的气温记录，待越冬维护结束后再次联合建设单位、监理共同进行复工检查，合格后各方共同签署复工报告，正式复工。