□文/張 軍 梁書新

□梁書新/天津三建建筑工程有限公司。

空間懸挑鋼桁架的制作與安裝

□文/張 軍 梁書新

文章以實際工程為例，介紹了空間懸挑鋼桁架的制作、安裝工藝，強調(diào)鋼結(jié)構(gòu)工程施工單位和設計單位相結(jié)合的重要性。

鋼桁架；懸臂段；栓焊結(jié)合；倒立預拼；空間懸挑

1 工程概況

天津東麗湖滑水會所的重要部分是在混凝土筒體標高22.830m處的平臺上安裝一個半橢圓的球體，建筑外觀優(yōu)美宛如海上的日出。橢圓球體的承重平臺為懸挑的空間鋼桁架結(jié)構(gòu)，桁架上澆筑120mm厚混凝土板。平面形狀呈扇形，見圖1和圖2。

鋼桁架有5榀主桁架，8榀次桁架。主次桁架斜交，栓焊結(jié)合的剛性連接，見圖3。

桁架的上弦桿為直桿，采用H型鋼，截面外形尺寸不變。下弦桿為折線桿件。同樣采用H型鋼，截面外形尺寸不變。斜腹桿采用雙槽鋼通過節(jié)點板與上下弦桿焊接連接。直腹桿除了與下部鋼骨柱對應處采用H型鋼與上下弦桿熔透的焊縫連接外，其余采用雙槽鋼通過節(jié)點板與上下弦桿焊接連接。

5榀主桁架中HJ1、HJ3的下弦與H型鋼直腹桿對應處有3根，2根短柱與下部的鋼骨柱連接，HJ2的下弦外側(cè)有1根鋼柱與下部的鋼骨柱連接，HJ2的上下弦分別和HJ1的上下弦現(xiàn)場焊接連接。

主桁架最大長度為32.48m，最大高度為3.3m，單榀桁架最大質(zhì)量為23.5t，懸挑最大長度為18.80m，縱向次桁架（HJ4～HJ10）和主桁架采用貫通式連接，最大的懸挑長度為7.5m，橫向次桁架（HJ11～HJ18）將縱向次桁架連接成一體，所有桁架的下弦設有支撐以保證下弦桁架平面外的穩(wěn)定性，上弦靠120mm混凝土現(xiàn)澆板來保證整體穩(wěn)定性。整個平臺結(jié)構(gòu)形成體系后，除承受鋼結(jié)構(gòu)本身自重和混凝土板重量外，懸挑邊緣的每點設計荷載為10t，共21個點。

2 工程難點與特點

1）由于鋼平臺結(jié)構(gòu)體系為空間桁架斜交而成并且懸挑桁架都為變截面，按設計要求主桁架的上下弦?guī)в袘冶鄱闻c次桁架現(xiàn)場組裝，在加工制作時每個小懸臂段與主桁架的弦桿都為空間角度，按理論計算懸臂段與主桁架弦桿制作誤差為0.3°（即2mm）時，現(xiàn)場安裝后的懸挑次桁架就會偏移軸線48mm，所以下料、組對、焊接等工序要求非常嚴格，加工精度遠遠超出GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》的要求。

2）整個鋼平臺通過5榀主桁架支承在混凝土筒內(nèi)的10根鋼骨柱上，5榀主桁架安裝時，下弦的10根短柱要與混凝土筒體中10根鋼骨柱進行對接，對接錯位不能超過2mm，難度很大。因為在安裝鋼骨柱時,單柱校正后只能用纜繩固定，然后施焊澆筑混凝土，現(xiàn)混凝土已澆筑完畢肯定存在誤差，即使5榀主桁架下弦的鋼柱平面尺寸，根據(jù)現(xiàn)場鋼骨柱的平面尺寸進行組裝，但在實際測量時由于現(xiàn)場10根鋼骨柱的平面位置都存在一定的角度，即使測量誤差控制到1mm左右，在制作組對時由于焊接變形，總的積累誤差肯定超過2mm。

3）由于三面裙房已完工，只能在桁架長度方向進行吊裝，主桁架最大質(zhì)量為23.5t，分為二段，每段重為12t左右（加上焊縫及栓釘），即使采用150t的起重設備也無法吊裝。

4）主桁架上下弦桿的翼緣板和腹桿的“T”形焊縫，不等厚翼緣板對接焊縫，腹板的對接焊縫，腹桿的節(jié)點板與弦桿的對接焊縫都要求為全熔透的二級焊縫并要求進行100%探傷，工程量很大。尤其是現(xiàn)場中HJ1和HJ2的連接焊縫，節(jié)點復雜，操作空間小，而連接節(jié)點非常重要，施工難度很大。

3 鋼桁架的制作加工

由于結(jié)構(gòu)的復雜性及特殊性，在桁架的制作準備階段對圖紙進行了全面細致的研究，對圖紙中部分問題及現(xiàn)場的工作條件與設計院進行了協(xié)商，在保證結(jié)構(gòu)足夠承載力的前提下進行了修改和調(diào)整。

1）首先根據(jù)現(xiàn)場起重設備合理劃分主桁架的制作單元，由于裙房已完工，根據(jù)現(xiàn)有的天津市最大噸位的塔吊西德290的起重量，將HJ1、HJ3分成3個制作單元，在塔吊的回轉(zhuǎn)半徑I=37m時起重量為8t，I=30m時起重量為9t，I=17m時起重量為12t。

2）5榀主桁架下弦10根鋼柱與下部混凝土筒體中的鋼骨柱的連接措施。在筒體中10根鋼骨柱的柱頭焊一塊具有Z向拉力的鋼板，鋼板比鋼骨柱的截面尺寸大20mm，鋼骨柱與鋼板采用全熔透的一級焊縫連接，見圖4。經(jīng)復核上下鋼柱錯邊5mm以內(nèi)，不影響結(jié)構(gòu)受力，實踐證明安裝的偏差都在4～5mm。

3）加工方案的確定。由于主次桁架斜交且都為變截面，下弦為折線，鋼桁架的制作方案尤為重要，直接關(guān)系到加工質(zhì)量的控制并對桁架的安裝起到?jīng)Q定性的影響。采用“倒立預拼裝組對方法”確保了整體結(jié)構(gòu)的制作精度并使安裝順利進行。

具體方案是：首先根據(jù)圖紙制作出各榀整體桁架，桁架交點處次桁架預留10mm的余量；然后在工廠搭建一個35m×25m鋼平臺，在鋼平臺上按1∶1比例放出整個結(jié)構(gòu)的平面布置圖，勾畫出上弦桿及節(jié)點板的輪廓線，用槽鋼制作各榀桁架的起拱高度，見圖5；按現(xiàn)場的安裝順序先立主桁架（HJ3、HJ1、HJ2），后立次桁架；將桁架倒立在平臺上，按平臺上的大樣線進行主次桁架的連接，待整個結(jié)構(gòu)組立后，主次桁架之間、次桁架之間按圖紙要求將節(jié)點處用氣割斷開，拆成單個構(gòu)件，這樣就保證了主桁架及次桁架上懸臂段的段組裝精度。

4）加工制作工藝流程。根據(jù)平面布置圖放樣確定每榀桁架長度及桁架相交的角度→桁架放樣→制作桁架上下弦桿→制作腹桿→桁架的組立→桁架的焊接→主次桁架預拼組裝→拆成單榀構(gòu)件→懸壁段的焊接→主桁架的制孔分段→噴砂除銹→涂裝編號→送現(xiàn)場。

5）加工過程中的技術(shù)措施。每榀桁架按1∶1的比例放樣制作，大樣尺寸反復校核無誤后方可制作樣板及樣桿，制作樣板用1mm厚的鐵板制作，嚴禁變形。

HJ1、HJ2的連接節(jié)點處必須采用整體節(jié)點制作，節(jié)點板的長度方向應與鋼板的長度方向一致并在弦桿的腹板上設置易于現(xiàn)場操作的臨時定位板。

整榀主桁架制作完后，根據(jù)圖紙確定分段位置，采用鉆模成孔，然后進行切割分段。

桁架焊接以盡量避免焊接變形為原則，從中間到兩側(cè)同時同步進行焊接并隨時用樣板檢驗，隨時調(diào)整弦桿，焊接采用自動焊，接頭及主次桁架上的懸壁段采用CO2氣體保護焊，腹桿（槽鋼）與節(jié)點板焊接采用手工電弧焊。

6）對焊接變形的處理采用“火焰加熱矯正法”進行。必須是單個零件矯正后才能進行構(gòu)件的組裝焊接，矯正時應嚴格控制加熱溫度不得超過800℃，加熱的溫度控制采用觀察法，加熱部位表面發(fā)藍即可。

4 鋼桁架的安裝施工

采用“主桁架分段吊裝，次桁架依次安裝就位，分部形成單元受力體系，空中拼接懸挑部分桁架下設承重支撐胎架”的安裝方法。

1）在距地面19.53m處搭建一個高空組裝承重平臺，以H軸為中心先放出中筒中桁架的定位線，安裝中筒部分的分段桁架，即先安裝HJ3再安裝HJ1，最后安裝HJ2，主桁架安裝完畢再依次安裝中間部分的次桁架，即HJ11、HJ10、HJ9、HJ8，安裝就位經(jīng)測量合格后進行焊接，使之成受力體系，作為安裝其余懸挑桁架的根基。

2）因桁架組裝的需要，懸挑桁架下設支撐胎架，支撐胎架采用承重的腳手架，供桁架支撐及施工操作用。安裝時同樣以H軸為中心，先安裝HJ3再安裝HJ1、HJ2最后安裝次桁架，安裝時應先栓后焊。

3）由于桁架分段安裝，應及時調(diào)整分段桁架軸線、標高及垂直度，桁架軸線調(diào)整采用左右絲螺桿，其標高調(diào)整采用分段桁架下設支撐胎架上的千斤頂進行調(diào)節(jié)，另在桁架上弦兩端拉倒鏈及手扳葫蘆，以調(diào)整桁架的垂直度，其調(diào)整順序是先軸線，后垂直度，最后調(diào)整標高。

4）焊接變形的措施。從中間往四周進行焊接，先焊主桁架后焊次桁架。焊接工藝有對稱施焊、多層多道焊、分段跳焊。

5）測量控制技術(shù)。為使整個施工過程中的誤差處于受控狀態(tài)，采用了全過程定點跟蹤測量方法，對分段桁架進行定位測量，對接測量，桁架成型測量，焊接前測量，焊接后測量，拆除承重腳手架前后測量，對一天當中溫度變化對構(gòu)件影響的測量并且對整個結(jié)構(gòu)設置了230點進行受力前后的應力、應變測量，將測量數(shù)據(jù)繪成示意圖，將結(jié)果分析之后及時提交給施工人員，以便及時有效地控制軸線、標高、垂直度的偏差。

5 結(jié)語

對于結(jié)構(gòu)復雜、剛度大、受力復雜、施工難度大的重要鋼結(jié)構(gòu)工程，施工前進行設計追蹤，充分消化理解設計意圖，合理劃分施工單元，協(xié)助設計院完善圖紙是施工能順利完成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在選擇施工方案時必須認識到施工工況是大型鋼結(jié)構(gòu)施工中最不利的工況之一，加工和安裝是有機的統(tǒng)一體，對于節(jié)點復雜施工精度高的鋼結(jié)構(gòu)工程，采用“預拼裝組對方法”是值得借鑒和推廣的，在安裝過程中采用“分段吊裝，分部形成單元受力體”的方法，確保了施工安全和工程的順利進行。

TU745

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1008-3197（2011）03-12-02

2011-03-22

張 軍/男，1959年出生，高級工程師，天津三建建筑工程有限公司，從事施工技術(shù)管理工作。

□梁書新/天津三建建筑工程有限公司。