钢结构施工

钢管桁架结构施工
南京南房建设监理咨询有限公司 汤凯军

摘要：通过对大跨度管桁架施工各工序的分析，展示了管桁架结构优美造型，流畅的线条，更易于实现设计师对建筑艺术的追求。
关键词：管桁架结构、空中拼装、施工。

某体育馆工程建筑面积18000m2，其中心比赛馆面积4500m2，比赛馆平面呈圆形，主体采用钢筋砼弧形拱梁。屋面采用半径35m的贝壳状钢管桁架结构。
1． 结构特征：
该屋面结构，中间2榀跨度63.38m，拱高17.55m的主桁架及10榀支撑桁架，两主桁架间距最小处4.182m，最大22.487m为双曲弧形，两侧采用72榀次桁架及4榀环形桁架组成。主桁架支座为4个Φ700球形万向铰支座，次桁架采用38个Φ400的上球下钢柱铰支座，采用Q235B无缝钢管。


2． 结构施工：
屋面结构施工前，须作好充分的准备工作，对土建工程的预埋件施工要及时提供埋件，并对埋件的水平、轴线、标高等各参数认真校对、把关，及时发现问题并予以纠正，为钢结构施工打好基础。由于屋面结构跨度大，造型复杂，管件多，每榀桁架较重，土建地下结构宽出上部结构，无法使用大型起重机在场内实施吊装吊装，屋面构件施工时只能散件进场，利用塔吊吊装构件，并在空中就位、拼装，施工难度很大。因此需在保证施工安全、质量、进度的前提下，合理安排各工序，使工序、工种有条不紊的展开。本工程施工主要方案，测量放线，工作平台搭设，主、次桁架安装方案，空中拼装、形成、涂装。
2.1 工作平台脚手搭设：
脚手架搭设前，对屋面结构荷栽，脚手架自重施工荷载进行核算，并按钢管脚手架安全技术规范，确定脚手架施工方案，并反复验算稳定性。为防止脚手架沉降及结构拼装时变形，事前对场地按承载要求进行硬化处理。脚手架操作面满铺双层竹笆片，四周设防护栏杆，屋顶设两根避雷针引下线与主体避雷网相连，防止雷电对结构的损坏，并由安全员每日检查，发现问题及时修补、整改确保安全施工。
2.2 定位测量：
定位前根据土建提供的基工作面。建立一个相对独立的测量控制网，根据结构平面图将控制轴线，弹在基础地面上，同时设立标高控制点，便于检查、校正。现场定位施工定位测量的重点及难点涉及二处：①主桁架：由2根上弦杆、1根下弦杆及相关腹杆组成，其断面为底角是56°的等腰倒三角形。其中上弦杆是半径为38米的圆环中的一段弦，而下弦杆亦是半径为35米的圆环中的一段弦。倒三角的中心线上竖直方向上偏转28°，使得一根上弦杆与下弦杆同在一竖直平面内，其最高标高分别为25.652米和22.254米，另一上弦杆则偏转竖直方向56°，根据这些条件，将复杂的空间定位利用空间几何学知识可以计算出弦杆上任意一点的空间坐标。 ②次桁架：由1根上弦杆与2根下弦杆及相关腹杆组成，其断面为正置三角形，上、下弦杆组成半径分别为45米和42米的球壳，同样利用图纸提供的数据，计算出桁价上任意的空间坐标，也可以利用设计电子文件，建立控制网，更加简便。
总之，无论是手工验算，还是设计电子图都可以保证空间定位的准确。
2.3 拼装成型：
2.3.1工厂内的拼装：
主要施工方案：深化设计，加工图设计，原材料采购，工艺评定，台架、设备制作，成品标识，送至现场。
根据图纸要求采购的原材料，在使用前进行认真的检查和验收，每批同一牌号、同一炉罐号、同一质量等级、同一品种、同一尺寸、同一交货状态的钢材，每批不大于60吨，作为一个验收批次，对钢材的化学成分和力学性能进行复试验收。
工艺评定：对同类钢管及节点形式，进行三个节点以上的工艺试验，以确定焊层，焊丝直径，焊接电流、电压和焊接速度和焊接材料的焙要求，测量其收缩量，为保证质量，下料准确，打好基础。
弦杆下料，弯曲成型后进行钢管对接，内设衬管焊接前按工艺评定文件烘焙焊接材料，检查坡口角度、钝边、间隙，清理坡口内油、锈、污物等，并不得在坡口位置敲打焊夹，防止圆率变化，并按工艺评定文件要求进行分段对接焊接，并达到二级焊缝要求，对接焊缝在厂内100%用超声波检查。构件制作完成后，在胎架上进行预拼装，拼装必须符合图纸和规范要求，在构件出厂前，必须进行抛丸除锈，达到Sa2.5级要求。在构件表面涂环氧富锌底漆二度，并对构件编号，防止现场拼接错误。
2.3.2现场拼装：
现场管桁架拼装步骤，胎架安装主桁架—→支撑桁架—→次桁架—→环形桁架。
主桁架施工，先根据轴线、标高、水平位置，安放固定拼接胎架由门形槽钢制作，固定于工作平台上。吊装弦杆，从下弦杆开始，按照预拼装顺序，将下弦杆通长接好。段与段之间用螺栓通过焊在上面耳板连好，再次进行测量定位复核，然后进行整体焊接，待下弦杆安装完毕，两下弦杆之间用工字钢支撑，以减少台架受力，然后再吊装上弦杆，步骤同下弦杆，弦杆安装完毕后，再安装腹杆，最后安装拱间支撑，至主桁架安装完毕，次桁架吊装，工艺与主桁架相同。
2.3.3现场结构焊接：
结构构件对接焊缝按要求，为全熔透焊缝，应达到2级焊缝要求。现场焊接采用手工电弧焊，焊工持证并具有多年检验，现场要对焊工进行针对性培训、交底，焊机、焊条烘箱、砂轮磨光机、碳弧气刨要配备充足。
现场进行焊接工艺评定，主要项目（1）钢管对接接点；（2）钢管相贯接点。确定焊接电流、电压、焊接速度等参数。
焊接前：应烘焙焊条，并将坡口内，外壁15—20mm范围内仔细清理。除去油、锈、污物，检查坡口角度、钝边、间隙是否符合，该桁架采用腹杆与弦杆直接焊接的相贯节点，弦杆截面贯通，腹杆焊接于弦杆之上，主管与支管连接呈T、Y、K等相贯节点形式，支管端为马鞍形曲线，该曲线及坡口在厂内由数控多轴自动马鞍形曲线管子切割机一次完成。
圆管相贯接头分四个区，趾部、两侧部、根部。
趾部及2/3两侧部为等强坡口对接熔透焊缝，根部采用角焊缝，焊缝提高为1.5倍管壁厚。侧部与根部连接段1/3区段平滑过渡。当接头于T形时，接头为全熔透焊缝。
焊接时，摆动幅度要小，并根据工艺评定文件要求，进行多道、多层焊接，严格清除焊道与焊层的焊渣、夹渣、氧化物。
同一条焊缝应连续施焊一次完成，不能一次完成的，应预热后再施焊。焊接时，采用对称焊接，变形大的部位先焊，焊接顺序不能集中，在节点间间隔跳开焊接。每个节点采用对称分布施焊，严格控制层间温度。平衡热量减少变形，如桁架三个拼接点，由中间向两端施焊，先同时施焊至弦杆，再焊接杆、斜杆，将结构焊接变形及焊后残余应力降至最低。
2.3.3.1焊接完成后，应清理焊缝表面熔渣和金属飞溅物，检查焊缝的外观质量，不得有低凹、焊瘤、咬边、气孔、未熔合、裂纹等缺陷存在，对于不符合的进行补焊或打磨，修补后的焊缝应光滑圆顺，满足焊缝外观质量要求。
设计要求的二级焊缝和相贯节点全熔透焊缝，进行超声波探伤检验，对不符合要求的，根据缺陷的位置、深度，用砂轮打磨或碳弧气刨清除缺陷，有裂纹时，先在裂纹两端钻裂孔，并清除裂纹两端各50mm长的母材。焊接修补的预热温度比同条件焊接预热高25°—50°C，返修焊接部位要一次完成。同一部位，焊补不超过2次。返工后应再次进行探伤试验，确认合格。
2.4涂装施工：
结构拼装完成后，对钢管上损坏的涂装层和焊接接头处，采用打磨机，除锈至st3级，再进行涂装防锈漆。
面涂为超薄型膨胀防火涂料，防火等级2小时，总厚度≮150um。施工时表面清理除尘，共七道底漆一道面漆，保证每道底漆厚度和间隔时间，环境温度<25°C时，间隔12小时以上，底漆完成后进行砂纸打磨处理，再刷面漆。涂装完成后，使用测厚仪检查，并目视手摸检查，颜色、外观（表面平整，无明显凹陷，粘结牢固，无粉化松散、乳突）要符合规范要求。
结语：
该体育馆屋面管桁架结构工程完成后，经现场检测验收，管桁架安装尺寸，焊接质量，变形等满足规范要求和设计要求。该管桁架由于其特殊的造型，优美的轮廓，吸引了无数的路人的眼光。随着其后续施工的完成，一定能发挥其优良的功能。

参考文献：建筑钢结构施工手册，中国钢结构协会编著，中国计划出版社出版.2005年.
钢结构工程施工质量验收规范 GB50205—2001