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摘要：钢结构异形管桁架作为建筑屋盖结构中比较重要的一种，特别适用于大型建筑工程。其已经被广泛的应用在建筑工程中，这对于大跨度大面积钢结构设计与施工均有较高的借鉴价值。本文结合工程实例，介绍工程结构特点与工艺原理，对不规则超大空间钢结构异形悬挑管桁架结构的施工工艺进行总结探讨。
关键词：体育馆工程；大跨度钢结构；管桁架结构；施工技术
引言
异形钢结构管桁架作为一种结构体系，对于大跨度空间结构的发展也能够提供完美的保障。现如今，异形钢结构管桁架已经被广泛的应用在建筑工程中，这主要是因为此种建筑结构能够给人们一种非常大的冲击感觉，再加之，管桁架跨度非常大，能够满足建筑工程需求。另外，钢结构自身就有非常良好的可塑性，成本相对较小，因此异形钢结构管桁架深受施工人员欢迎。本文通过结合工程实际，在施工过程中针对体育馆跨度大、外观设计复杂等特点进行技术攻关，形成了一套施工控制的关键因素。
1 工程概况
某体育馆建设项目建筑面积52127.4m2。建设内容包括：多功能室内体育馆及配套多功能厅，场馆观众座位6269个；室内游泳馆配标准泳池1个，观众座位432个；接待中心配置170多间客房，以及会议、餐厅等设施；室内停车库配置205个车位，露天停车场约136个车位。体育馆外观新颖，内涵丰富，是一个能让人与景观互动的体育休闲活动空间。
2 结构特点
体育馆罩棚由84榀主桁架和主桁架之间环向桁架、联系杆组成，管桁架最大悬挑长度42m，最小悬挑长度34m，罩棚最高点离地面45.6m。主材均采用Q345B无缝钢管，截面为Φ108×4～Φ402×30，共20种规格，管构件17608根。支座和重要管构件交汇交点采用SCW550材质铸钢件，钢结构总用钢量约7000t。
3 工艺原理
（1）管桁架结构的弯曲加工，相贯线坡口切割，防腐底漆和中间漆全部在工厂加工，运输至现场拼装和焊接。
（2）为了方便人员操作施工，在主桁架垂直段搭设脚手架用于斜撑钢管和主桁架垂直段构件安装，主桁架水平段在地面绑搭施工通道平台后再进行吊装。
（3）根据现场情况和管桁架结构的特点，在每榀主桁架主弦杆和腹杆的节点处设置该集团公司专利产品-大跨度/悬挑钢结构工程支撑支架（专利号：ZL201220050471.X，简称临时组合支撑胎架）（图1）。
图1 支撑系统布置定位图
（4）结构的安装和焊接分为四个区域，各区域全部安装、焊接完毕后进行卸载作业，最后进行四个合拢口杆件的安装和焊接。
4 施工工艺流程及操作要点
4.1 施工工艺流程
杆件清点和复核→施工准备→地面放线→拼装平台定位、固定→主桁架结构整榀拼装、焊接和面漆施工→主桁架结构垂直段和水平段拆分→临时组合支撑胎架定位、安装和固定→主桁架垂直段安装区域脚手架的搭设→斜撑钢管柱的安装、定位和校正→主桁架结构垂直段安装、定位、固定和焊接→主桁架结构水平段操作脚手架地面绑搭→主桁架结构水平段安装、定位、固定和焊接→环向桁架、联系杆件安装、定位、固定和焊接→分区分级卸载作业→合拢口构件的安装和焊接→脚手架、临时组合支撑胎架拆除。
4.2 操作要点
4.2.1 构件清点复核
（1）拼装前应对构件进行清点，清点的内容为杆件数量是否正确、原材料质保书、检测报告、复检报告、加工过程控制资料、构件探伤报告、构件出厂合格证书、制作过程中用到的各种辅料的合格证和质量证明书，以及工厂的各种构件制作和焊接质量检验评定表等。
（2）复核的内容包括构件外形、几何尺寸，焊接外观质量、工艺要求、坡口、支座预埋件定位尺寸、埋件轴线和标高、平整度，确保满足安装要求。
4.2.2 施工准备
（1）拼装前，施工所需场地完成硬化，脚手架、拼装平台、临时组合支撑胎架等所使用的材料、机械设备、工具器具准备齐全。
（2）吊装机械拼装和吊装行走道路满足要求。
图2 管桁架主弦杆对接口拆分节点示意图
4.2.3 地面放线，拼装平台定位、固定
（1）建立三维空间坐标系，对主桁架空间节点坐标进行转换，用全站仪测定主弦杆及管桁架节点处在地面上的水平投影位置，桁架节点交点处弹十字线，主桁架弦杆中心线弹墨线，做好原始控制点和控制线的标示。
（2）在主桁架节点相交处侧面附近1m处定位、固定拼装平台梁，拼装平台梁设置位置应避开桁架节点位置，满足焊工的施焊空间。拼装平台梁间距3.5m左右，下部与预埋件焊接固定。
（3）拼装平台梁应牢固稳定，拼装平台梁之间焊接通长钢筋，把平台梁连接成一个整体，在平台梁下部采用焊接角钢支撑等措施保证拼装平台的整体稳定性。
（4）拼装平台梁全部设置完成后，用水准仪测量其整体水平度，使用钢垫板或者楔形垫板对主桁架拼装的平面度进行调整。
4.2.4 主桁架结构的整榀拼装和焊接
（1）主桁架在拼装平台上进行拼装和焊接，主桁架垂直段和水平段连接节点处设置拆分节点（图2），拼装和焊接完成后拆分成水平段和垂直段。
（2）先定位拼装主弦杆，再定位拼装桁架腹杆。腹杆应按顺序从桁架宽度较窄的一端向桁架宽度较宽的另一端开始安装，避免相贯口的阻碍无法安装。
（3）安装过程中随时进行测量，防止安装过程中拼装平台受外力作用发生位移，从而影响拼装精度。
（4）先拼装后焊接，拼装过程中先点焊固定，整体拼装完成后对尺寸进行复核和调整，无误后再进行焊接。
4.2.5 临时组合支撑胎架定位、安装和固定（图3）
图3 临时组合支撑胎架安装图
（1）整榀主桁架单重及外形尺寸较大，吊装时容易造成结构构件塑性变形，同时满足选用吊装设备经济性的要求，采用分段吊装，需要在主桁架水平段结构下口设置临时组合支撑胎架。
（2）临时组合胎架现场组装，采用镀锌螺栓连接，安装完成后测量临时组合支撑胎架的垂直度及上口标高，并在临时组合支撑胎架的每个角间隔8m设一层钢丝绳+紧线器校正收紧，钢丝绳与地面设置地锚连接。
（3）通过临时组合支撑胎架基础钢支架，在一定范围内对标高进行调整。临时组合支撑胎架顶部设置可调式桁架搁置支撑点，对标高尺寸进行微调。
（4）临时组合支撑胎架内部设钢爬梯，方便施工人员上下通行。
4.2.6 主桁架垂直段安装区域脚手架的搭设
（1）主桁架垂直段安装区域脚手架的搭设主要用于斜撑钢管柱安装定位、主桁架垂直段构件安装以及此区域环向桁架，联系杆件的安装操作。
（2）脚手架分两步搭设：第一步，搭设斜撑钢管区域的脚手架，用于斜撑钢柱和主桁架垂直段的安装；第二步，主桁架垂直段构件之间的环向桁架、联系杆安装时，脚手架同步搭设，确保施工和安全。
（3）脚手架立杆间距1.5m，步距1.8m，脚手架的连墙件、剪刀撑、安全网按照要求设置。
（4）脚手架的搭设应避开斜撑钢管柱和主桁架结构位置，搭设时可以预留与结构碰撞的脚手架杆件，安装就位后及时进行补搭（图4）。
图4 主桁架垂直段脚手架搭设
4.2.7 斜撑钢管柱的安装、定位和校正
（1）斜撑钢管用汽车吊进行安装，吊索选用摩擦力较好的吊装带，吊装前对吊装带进行检查，对于破损和不能满足吊重要求的吊装带立即更换。
（2）吊装时应把吊装带系在斜撑钢管偏中心位置，并进行试吊，保证钢管起吊后的空中姿态与安装就位后空间位置相符。
（3）先就位斜撑钢管下口，插入铸钢件企口内。过程中如遇脚手管碰撞的应请专业架子工进行拆除和加固。
（4）斜撑下口就位后，缓慢松钩，斜撑钢管上口初步就位后再进行校正。采用捯链进行校正，捯链的一端连接斜撑钢管柱，另一端与混凝土结构上的后置埋件连接。
（5）斜撑钢管上口吊线锤，线锤与地面交点尺寸基本吻合时校正完成，用钢管脚手架对斜撑钢管进行固定，斜撑钢管与架体连成牢固。
4.2.8 主桁架结构垂直段安装、定位和固定
（1）主桁架垂直段吊装前应计算吊点位置，保证吊点位置与桁架重心基本相符。
（2）对于有两个铸件支撑点的主桁架垂直段采用两点起吊，吊绳一根为钢丝绳，另一根为捯链，起吊后通过捯链对桁架的空间位置进行调节。设置倒链的一侧在桁架上挂设钢梯，当桁架的空间位置需要调整时，操作人员通过钢梯，拉捯链对桁架空间位置进行调整。
（3）对于只有一个铸件支撑点的主桁架垂直段部分，由于重心点偏向外侧，可采用单点起吊，安装时先把主桁架下口与支座埋件销轴固定，通过吊装设备大臂调节，把主桁架垂直段上铸件企口插入斜撑钢管柱内，校正后焊接固定（图5）。
图5 主桁架垂直段安装示意图
（4）采用倒链+钢丝绳对主桁架垂直段进行校正，捯链一端连接主桁架，另一端连接在混凝土结构上。
（5）垂直段桁架的上口和支座处的上弦杆应挂线锤，吊线尺寸与地面放好的轴线重合后，请测量人员进行观测确定，无误后焊接固定。
4.2.9 主桁架结构水平段操作脚手架地面绑搭
（1）为了方便环向桁架、联系杆件的安装和焊接，每榀主桁架结构水平段构件吊装前在地面搭设脚手架通道平台。
（2）主桁架水平段构件拼装、焊接完毕后吊运至搭设脚手架专用的钢支架上进行脚手架的绑搭。通道平台的搭设避开临时组合支撑胎架位置。
（3）吊装行走操作脚手架采用钢管、扣件紧固在主桁架水平段上、下主弦杆上，搭设上、下弦通道平台（图6）。
图6 主桁架水平段脚手架通道平台剖面图
（4）通道平台离主弦杆底0.8m，宽度每边1m，设1.2m高防护栏杆，满铺脚手板，间隔30cm设置一道30×50木防滑条，脚手板与钢管使用4#铁丝绑扎。
4.2.10 主桁架结构水平段安装、定位和固定（图7）
图7 主桁架水平段吊装图
（1）主桁架水平段采用两点起吊，吊装前应计算桁架吊点。吊点一段采用钢丝绳，另一端使用倒链，倒链链条长度应满足要求。
（2）吊装前在桁架上系两根揽风绳，吊装时，地面人员通过拉缆风绳控制桁架空间位置。
（3）主桁架水平段安装就位时，如发现空间角度偏差，安装人员站在桁架上弦的脚手架跳板上，通过捯链对桁架空间位置进行调整。桁架就位后，采用螺栓连接固定牢固后方可松钩。
（4）全站仪对安装尺寸进行全过程测量，对安装完成和松钩后的尺寸偏差进行观测，及时进行调整和校正。
（5）一榀主桁架吊装完成后，及时安装与之相邻的一榀主桁架间的环向桁架，联系杆件，形成稳定的结构体系。
4.2.11 环向桁架、联系杆件安装、定位和固定
（1）环向桁架、联系杆件安装前，对主桁架的定位轴线、标高进行复测，每榀主桁架单独进行定位复测，保证主桁架空间尺寸准确性。
（2）主桁架按顺序逐榀安装，主桁架之间的环向桁架、联系杆件及时随后安装，确保形成一个稳定的结构体系，保证桁架整体稳定性（图8）。
图8 环向桁架、联系杆件吊装
（3）环向桁架、联系杆件吊装前用卷尺量出次杆件的中心点，并做好标记，吊索选用吊装带，绑扎时注意杆件的坡口方向是否与构件安装空间位置相符。
（4）主桁架水平段之间的环向桁架、联系杆件吊装时，从场外往场内，由宽向窄缓缓往内侧挪动，直至与主桁架弦杆上标注的“交点”重合。
（5）安装时先点焊固定，一个区安装全部完成后再进行焊接。焊接方法采用分区焊接，充分释放安装焊接应力。焊接分4个区，从每个区的中间往两侧开始焊接。合拢口的环向桁架、联系杆件待卸载后再进行焊接。
4.2.12 钢结构卸载作业
（1）为了保证卸载时相邻临时组合支撑胎架的受力不会产生过大的变化，同时保证结构体系的杆件内力不超出规定的容许应力，避免临时组合支撑胎架内力或结构体系的杆件内力过大而出现破坏现象，保证结构体系可靠、稳步形成，卸载必须遵循以下原则：①以结构计算分析为依据；②以结构安全为宗旨；③以变形协调为核心；④以实时监控为手段。
（2）经采用ANSYS软件建模分析，将结构划分为四个区，其中一区和二区为长轴区域，三区和四区为短轴区域。采用软件分析该区域卸载前和卸载后各支撑点的位移来确定每级需卸载的位移。
（3）各区域的分级情况如下：第一步将一区20榀桁架的下部支撑分10次同步等距卸载后拆除；第二步将二区20榀桁架的下部支撑分12次同步等距卸载后拆除；第三步将三区22榀桁架的下部支撑分16次同步等距卸载后拆除。注意在三区第一级卸载时，两端部支撑需卸载10mm，其他支撑卸载5mm，第二级以后，该区域内的所有支撑每级同步卸载5mm；第四步将四区22榀桁架的下部支撑分14次同步等距卸载后拆除。每级卸载的位移为5mm，具体分级如表1所示。
（4）卸载方法、卸载顺序、卸载分区分级、卸载过程应力变形监测等应进行卸载计算并编制卸载方案，严格按照卸载方案实施。
（5）卸载前，对各工序的卸载人员进行必要的岗位培训和卸载演练，并对其进行书面技术、质量、安全交底。
（6）卸载信息传递应及时准确，并有备用信息传递系统。
（7）卸载由专人指挥作业，保证卸载的同步，一次哨令，只进行一次行程的卸载，应力变形检测数据收集汇总分析，满足要求后方可进行下一级卸载作业。
5 结语
综上所述，异形悬挑管桁架结构，这种体系形式具有很强的发展能力，必然会在今后的建筑中发挥更加积极的作用。本文基于实际工况，深入研究大跨度异形悬挑管桁架安装技术，解决大型构件运输、拼装和安装等施工难题，避免了采用搭设满堂脚手架的传统施工工艺，减少高空作业的资源投入，取得了社会效益与经济效益的双赢。由于异形钢结构悬挑管桁架结构施工涉及面较广，对技术要求高，因而要求施工人员要有高度的责任心和专业的技术能力，克服施工中遇到的种种困难，以保障工程质量。
参考文献：
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[3] 林俊，彭媛.体育场工程大跨度异形管桁架结构现场整体拼装技术[J].建筑施工.2016
论文作者:王胜利
论文发表刊物:《北方建筑》2016年11月第33期
论文发表时间:2017/1/10
标签：桁架论文; 脚手架论文; 结构论文; 组合论文; 构件论文; 钢管论文; 水平论文; 《北方建筑》2016年11月第33期论文;