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海宁市游泳馆钢结构桁架的深化设计、制作及安装

发布于：2015-08-04 14:29:04 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

摘要 随着建筑技术的发展，以及钢结构自重轻、适合工业化生产、建造周期快、绿色环保等优点，钢结构越来越广泛的应用于各种大型、复杂的建筑结构中，克服了混凝土结构的的局限性，满足了建筑跨度大、空间大的要求，使建筑和结构更加统一和谐。本文结合海宁市游泳馆 钢结构桁架工程，对大跨度空间钢管桁架的深化设计、制作及安装进行了分析与介绍。

1 工程概况
海宁市游泳馆是嘉兴市承办2010年第十四届省运会游泳项目的场馆，它位于海宁市体育中心东侧，能容纳1500名观众同时观看比赛，内有25米短池10个泳道和50米标准池10个泳道，建筑面积2.39万平方米。见图1。

海宁市游泳馆屋面采用空间桁架结构（见图2），主桁架跨度为61.2m，开间为7.5m，采用倒三角桁架，上弦为两根Φ273mm×14mm，下弦为一根Φ325mm×14mm，纵向布置4道次桁架，R轴采用固定铰支座，C轴、5轴和22轴采用弹性滑动支座，均为上弦支承，支座中心标高为18.130m；材质均为Q345B热轧无缝钢管。

2 深化设计

任何钢结构的制造和安装都需要有一支素质优良的技术人员队伍。深化设计部门是其中的核心。详图的质量将直接影响到制造、采购、质检等部门甚至会对工期产生重大影响。

深化设计的主要任务是将建筑工程师和结构工程师提出的钢结构施工图进一步绘制成制作安装详图，工作内容主要包含连接节点深化设计、车间加工图、安装布置图、零件图、材料清单、排板图等内容，具体可能随项目的要求不同而有所改变。详图内必须包含制造所必须的数据和说明。设计人员可通过图纸、线条、尺寸和注释等，标明构件的切割、打孔方式、螺栓、焊缝等制造要求。

2.1 杆件详图设计
所有杆件均1:1建立计算机三维实体模型，确定其空间交织情况采用与设备相适应的相贯面切割程序输入节点编号，主管与支管编号，及其相应的截面型号、几何特征参数和数量等，形成计算机数据文件供车间加工制作，并编制相贯口切割后杆件长度及相贯口几何特征值等数据表格，供质检部门检验杆件加工质量。

2.2 节点详图设计
节点详图设计的依据是钢结构施工图和现行国家规范；设计的原则是保证结构安全及受力合理前提下，尽量使节点简单化、统一化，以方便工厂生产和安装。
2.2.1 弦杆对接节点
本工程主桁架跨度61.2m，受钢管长度及运输限制，必需对弦杆进行对接。
首先是根据结构整体受力特点并结合现场施工吊装方案（地面分段拼装，屋面对接，累积滑移），确定主桁架分段位置，如图4。

再次是根据避免焊接应力集中和结构受力合理原则，节点做法必需满足：
(1)直缝焊管对接时，二者对接的直焊缝应旋转90度或弧长≥300mm，如图5；
(2)钢管对接的长度≥1000mm且≥钢管直径，并且在一个节间不得多次对接，如图6；
(3)弦杆对接节点不得设在节点处，与支管相贯焊缝错开100mm以上，如图7；
(4)对接节点焊缝为一级全熔透焊缝。

本工程均采用无缝热轧钢管，综合制作及施工考虑，采用如图8做法：

2.2.2 支座节点
本工程支座均采用上弦支承，做支座节点深化时必需考虑杆件是否与下部砼结构是否相碰。通过建立1：1三维实体模型发现，设置固定铰支座R轴支座，腹杆与砼柱相碰。通过调节腹杆夹角，使腹杆错开砼柱，如图9。若角度调整较大，需验算调整后的结构安全性。

支座节点是主要受力节点，还需考虑构件的局部稳定合理设置肋板。本工程支座节点采用焊接球形势，直径为550mm，壁厚25mm。在球内设25mm厚肋板，板的方向桁架跨度方向一致，更好的满足结构的传力途径。焊接球节点做法及杆件与焊接球连接参考了《网架结构设计与施工规程》，详图如图10。

2.3 桁架预拱设计
根据规范规定，并结合施工经验，本工程主桁架跨度61.2m，需要预起拱。
2.3.1 预拱值的确定
预拱值的确定一般有两类：a.施工图明确注明的起拱值要求；b.当施工图无明确要求时，参照规范确定起拱值。无论何种情况，预拱后其杆件变形都应控制在弹性范围内。
本工程施工图无明确要求起拱值，根据规范确定其起拱值，取恒载标准值加1/2活载标准值所产生的扰度值。计算所得起拱值为132mm。
2.3.2 预拱对杆件长度的影响
假定桁架杆件长度为L0，预拱后杆件长度改变值为ΔL，由此可得，预拱后的杆件长度L= L0±ΔL。
上述中已明确预拱后其杆件变形都应控制在弹性范围内，因此，ΔL=бL0/E，式中б/E=fy/E=310/206x105≈0,由此可得L= L0。
这说明在深化设计中可不考虑预起拱对杆件长度的影响。

3 加工制作

由于钢结构所有钢构件均在工厂加工成形，因此工厂内构件加工工艺决定了整个工程的质量。本工程主要质量控制为桁架杆件的加工控制和弦杆弯曲加工控制。工艺流程如图11。

3.1桁架杆件加工
桁架杆件相贯口切割精度与否，直接影响工程的质量。本工程根据深化设计提供的三维切割下料计算机数据文件，采用北京林克曼三维数控管相贯线切割机切割下料，其下料切割和剖口由计算机控制一次完成，精度误差不大于1mm，很好的控制了杆件加工精度。
3.2 弦杆弯曲加工
主桁架下弦端部为弧形管，杆件在相贯面切割好后采用冷弯数控弯管机加工。该弧形为无几何半径的自由曲线，采用压弯成现（图12）。压弯时应充分考虑钢材的属性――变型与反变形，反变形也称为“反弹量”，它直接影响杆件的几何尺寸、安装精度和内应力。因此，压弯时必需根据加工经验和实测数据适当加大弯曲曲率，称之为“超弯曲”；并保证一定的压弯时效，保证弯曲精度。钢管压弯时应保证台架的侧向刚度，防止侧向变形。
弯曲后的杆件不应有明显凹痕、缺口以及几何尺寸、形状位置不符合要求。

4 桁架安装

根据现场的施工情况，游泳馆内泳池施工不允许搭设脚手架和大型施工机械进入，而桁架屋面标高处的砼上人屋面已经完工，并且桁架为上弦支承，结合桁架本身结构特点，采用地面拼装、分段吊装、屋面对接、整榀翻转、累积滑移的施工方案，充分的利用了砼楼面作为施工平台、桁架的自重作为翻转动力、桁架支座与下弦杆的高度差作为翻转落差，节约了施工费用、缩短了施工工期。

4.1 桁架的拼装
本工程采用地面拼装。首先是在地面根据桁架几何尺寸和预拱要求搭设拼装胎架。胎架的搭设不仅要满足精度要求并且应保证足够的刚度，防止桁架在拼接时产生变形。
桁架杆件在胎架上拼装时要实时检测拼装的尺寸精度，在所有杆件点焊就位后，用全站仪、钢尺等工具复核各节点定位尺寸，确认无误后施焊。
4.2 桁架的整榀对接翻转
桁架在地面拼装完成后，分断吊装至砼楼面搭设的翻转支架上；此时，桁架是水平放置在支架上，并在支架上对接成整榀桁架，如图14，并同时在支架上安装防止桁架滑动和移位的卡扣件；然后将桁架和翻转支架整体滑移到事先安装支架转动轴的翻转位置，位置根据桁架重心确定，使重心位于楼面边界处，并同时桁架上弦和翻转支架上安装滑轮葫芦与砼梁拉紧，整榀桁架在次桁架位置均安装滑轮组，如图15；各滑轮组同时同步释放，使桁架在自重作用下翻转65度就位，如图16。

4.3 桁架的累积滑移
在第一榀桁架翻转就位后，将其滑移到第二个轴线处，再翻转第二榀桁架，然后吊装次桁架拼接，再将起整体滑移，依次重复，直至全部桁架安装完毕。
4.3.1 滑轨的安装
桁架在滑移时不可避免的与滑轨产生摩擦力，摩擦力的大小直接决定滑移牵引力的大小；牵引力越小，滑移越容易，对桁架结构在滑移过程中产生的应力越小。在结构自重一定的前提下，本工程通过减小摩擦系数的方式来达到摩擦力减小的目的，在桁架支座下安装引轨道滑动平板滑轮小车，如图18，极大的减小了摩擦力。

另外，滑移轨道的安装应保证其精度，保证所有轨道在同一直线上，保证轨道在同一标高上。

4.3.2 桁架的滑移
桁架的滑移必需保证同步进行，防止桁架在滑移过程中产生应力。先进行500mm的试滑行，用全站仪检测桁架几何尺寸和定位尺寸，若发现有误差时应及时调整。在滑移的过程中，应全程监测滑移是否同步，同步精度应控制在10mm以内，做到及时发现、及时调整。当局部桁架滑移倒位后，应及时安装次桁架，保证结构整体稳定性。
4.4 现场焊接工艺
根据现场焊接工作量大、施工面广的特点，采用了CO2气体保护半自动焊和手工焊相结合的焊接方法。焊接材料按下表选择：

现场焊接工作量最大的是桁架相贯节点的焊接。钢管相贯时，支管端部的相贯线焊缝位置沿支管周边分为A（趾部）、B（侧面）和C（根部）三个区域，如图19所示，相贯焊缝按以下原则处理：
（1）当支管壁厚≤6mm时，采用全周角焊缝；
（2）当支管壁厚>6mm时，所夹锐角≥75°时，采用全周带坡口的全熔透焊缝；
（3）当支管壁厚>6mm时，所夹锐角<75°时，A、B区采用带坡口全熔透焊缝，C区采用带坡口部分熔透焊缝（θ<35°时，可采用角焊缝），各区相接处坡口及焊缝应圆滑过渡；
（4）对全熔透和部分熔透焊缝，其焊缝高度>1.07t,且<1.2t；对角焊缝，焊角尺寸为1.5t，t为支管壁厚

5 结语

大跨度钢结构空间桁架的制作和安装的环节非常多，本文主要介绍了结构从深化设计、加工制作到现场安装过程中的一些重要环节，并分析了这些环节中的控制因素和方法等。

参考文献
[1] 钢结构设计规范 GB50017－2003，北京：中国计划出版社，2003
[2] 钢结构工程施工质量验收规范 GB50205－2001，北京：中国计划出版社，2002
[3] 网架结构设计与施工规程 JGJ7－99，中国建筑工业出版社，1991
[4] 空间网格结构技术规程 JGJ7－2010，中国建筑工业出版社，2010
[5] 钢结构设计手册（上、下），北京：中国建筑工业出版社，2004
[6] 陈绍蕃. 钢结构设计原理，第二版，北京：科学出版社，1998
[7] 李和华. 钢结构连接节点设计手册，北京：中国建筑工业出版社，1992

作者简介：张可（1980-），浙江中南建设集团钢结构有限公司设计院工程师，主要从事钢结构设计与深化。