螺栓球与焊接球(1)

哈尔滨太平国际机场T2航站楼屋盖焊接球网架与螺栓球网架比较 一 设计概况哈尔滨太平国际机场扩建工程T2航站楼屋盖网架由B区及C区构成 B区分三个子区 B1 B2及B3区 C区分四个子区 C1 C2 C3及C4区 B区网架跨度64m 为了便于两阶段施工及临时封闭 由B1区向B2区悬挑18m 为保持结构的对称性 B3区也同样向B2区悬挑18m B2区在轴AE与轴1 44及轴2 47抽掉两根钢管混凝土柱 造成B2区形成纵向柱距54m B1 B2区空侧 T1航站楼与T2航站楼采用悬挂结构相连接 悬挂墙高18m B2区36轴为二次施工的分界轴 在此轴线设临时抗风柱及围护结构 B2区网架设计分别考虑有墙及无墙两种条件下 网架的竖向及水平作用 C1区网架跨度36m 与B区网架形成高低跨结构 容易形成不均匀积雪 不均匀积雪分布系数最大值按4 0考虑 C2区设边长24m 高度为6m的三角锥天窗 C3 C4区为对称结构 最大跨度48m 本设计综合多方面的因素 经过方案比选 确定采用焊接球网架 并对结构进行优化设计 完成了所有设计施工图 B1 B2 B3 C1 C2 C3 C4 哈尔滨太平国际机场扩建工程T2航站楼分区图 螺栓球和焊接球是空间网格结构最常用的两种节点形式 各有优缺点 无建筑要求条件下 设计者可根据结构跨度 荷载 经济及安全可靠度等方面 权衡利弊 自行确定 二 问题的提出1 初步设计评审会 由专家张承启提出 2 方案修改后 初步设计评审会中由专家唐榕滨提出 经答复及现场沟通 同意按焊接球网架方案进行设计 3 第三方设计审查中提出 网架球节点建议选用螺栓球节点 螺栓球节点施工方便快速 焊接球节点焊接及检测工作量大 同时焊接会有残余应力 由于螺栓球节点不能焊接杆件 可在局部区域选择采用焊接球节点 三 螺栓球网架的优缺点 一 螺栓球网架的优点1 所有部件均工厂加工 标准化生产 2 现场焊接量极少 3 加工精度高 对形状复杂的结构容易找形 4 现场电容量需求小 5 可采用空中散拼的施工方案 节约脚手架 二 螺栓球网架的缺点1 螺栓球网架的承载力受高强螺栓的规格限制 其最大受拉杆件设计拉力值不超过1000kN 使得螺栓球网架更适合于跨度小 荷载小的中小型网架屋盖结构 由于大直径高强度螺栓的淬火不容易淬透 表面与芯部硬度差别比较大 故规范规定高强度螺栓的最大直径为M64x4 采用超过规范使用高强螺栓 必须有大量的试验数据做理论支撑 且当高强螺栓直径过大时 大多数试验设备的能力不能满足试验要求 2 螺栓球毛坯是通过钢锭锻打而成 螺栓球采用45 优质钢 通过专业锻压企业用250公斤或750公斤空气锤模锻而成球坯 毛坯经正火处理 使其硬度达到HB197 225 在整个生产过程中若是温度控制不严 极易造成球体表面产生裂纹或过烧 这是实际工程中经常出现的问题 3 螺栓球网架互换性差 同规格球 杆不能互换 施工中 若出现个别螺栓球质量不合格或螺栓球丢失 施工现场无法自行处理 需待厂家重新加工运至现场 在螺栓球加工不发达的地区 问题的处理尤为棘手 4 螺栓球网架在未按照设计形成约束前刚度差 变形大 宜产生挠度 尤其当螺栓球网架高空散拼时临时支撑刚度不足 临时支撑过少或分块滑移及整体吊装时 螺栓球网架的变形问题非常突出 5 螺栓球网架拼装过程中 不可避免存在累计误差 造成杆件尺寸或长或短 由于杆件尺寸现场无法更改 只能通过强行就位 使得网架产生较大的安装应力 严重时 会使个别杆件弯曲失稳 同时 由于尺寸偏差 使高强螺栓的拧入程度受到影响 形成更大的安全隐患 多起螺栓球事故由此而引发 6 高强螺栓的拧入程度是螺栓球网架能否安全工作的重要指标 实际安装过程中 由于客观因素 高强螺栓不可能按照设计要求一次性拧到位 需要进行反复检查 当某个高强螺栓连接较松 在将此螺栓拧紧的过程中 由于力的重新分配 导致其它高强螺栓连接松动 因此 需要反复调整 反复检查 7 当螺栓球网架采用空中散拼安装时 工程质量的检查非常困难 8 螺栓球网架节点不允许焊接 只能通过预留螺栓孔与附属结构连接 螺栓孔的数量及角度必须精确 当与其连接的附属结构尚未完全确定时 螺栓孔无法加工 造成后期的连接非常困难 9 螺栓球网架吊装加固较为困难 由于网架球节点不能焊接 在构件加工前不能确定加固部位与加固杆件数量 对受拉杆件的加固较为困难 10 用于螺栓球网架的顶丝强度是按满足正常安装条件下受力状态而设计 实际安装过程中 其所受剪力较大 很容易在高强螺栓未完全拧紧时断裂 顶丝断裂后 很难更换 造成螺栓不能拧紧 造成安全隐患 更换顶丝 需采用钻头将残留在螺母内的顶丝破坏取出 操作过程极易破坏螺纹 螺纹破坏后 需重新制孔 攻丝 螺母强度下降 要更换杆件更是不易 顶丝强度设计不能提高 是因为设计是禁止强行就位的 再者 顶丝直径加粗 削弱了螺母的强度 易造成螺母的应力集中破坏 11 螺栓球构件种类繁多 检查项目多 质量控制重点多 容易顾此失彼 12 螺栓球网架的安装工人为普工 无专业资格证书 四 焊接球网架的优缺点 一 焊接球网架的优点1 相对与螺栓球网架 同样规格受压弦杆 其稳定承载力可提高20 同样规格的受压腹杆 其稳定承载力可提高46 受压杆件长细比按180计 当长细比越小时 提高的幅度越小 2 焊接球采用钢板热压后焊接而成 其质量主要是焊接质量 采用埋弧自动焊可以保证焊接球的质量 3 焊接球网架所有构件均可工厂加工 包括一端的球杆焊接 4 焊接球网架同种规格的构件互换性好 球的规格少 且相同规格的杆件也可通过现场简单处理进行互换 5 焊接球网架的承载力高 有规范依据的焊接球最高受拉承载力 Q345 可达10247KN 受压承载力可达13270KN 满足大跨及荷载较大结构的承载力需求 远远大于螺栓球高强螺栓的极限承载力 6 焊接球网架形成的累计误差容易调整 7 焊接球网架与附属结构的连接容易实现 8 焊接球网架未按设计约束前 具有较大的刚度 较小的变形 采用滑移 分体吊装及整体吊装均不会产生过大的挠度 9 焊接球网架施工主要人员为焊工 经过专门培训且具有资格证书 10 焊接球网架吊装加固容易实现 11 焊接球网架构件种类少 质量控制重点突出 二 焊接球网架的缺点1 现场焊接工作量大 需要有经验的焊工人数较多 2 现场电容量需求大 3 形状复杂的网架 壳 结构找形难 4 不宜采用空中散拼的施工方案 5 焊接球现场焊接形成次应力较螺栓球大 采用合理的焊接顺序及合理的焊接工艺可以减小焊接应力 螺栓球网架杆件与封头或锥头焊接时也会产生焊接应力 只是其焊接过程构件一端自由 其产生的焊接应力能够部分释放 形成的残余焊接应力较小而已 五 关于螺栓球网架冬季施工问题从概念上讲 螺栓球网架可以不采取措施进行冬季施工 但从质量角度 螺栓球网架冬季施工必须采取适当的措施 原因如下 1 哈尔滨属严寒地区 冬季温度很低 高空作业时 更是寒风刺骨 而网架安装时 即便是在正温条件下 安装质量也难以控制 低温作业 金属的表面温度更低 作业的工人对质量的把控只能心有余而力不足 造成很大的安全隐患 且螺栓球网架的安装质量一旦出现问题 即使发现也难以更正 何况能做到发现问题已经很难 六 螺栓球网架与焊接球网架检查与验收 参照GB50205 2001 2 螺栓球网架的杆件尺寸随温度的降低变短 设定 杆件加工时的温度为25 杆件长度4000mm 拼装时杆件表面温度 30 则杆件由于温降产生的收缩量为2 64mm 规范规定杆件的加工误差为 1mm 设某杆件加工时比设计长度小1mm 那么 此杆件长度将比设计值小3 64mm 杆件长度的变化 使螺栓球网架安装更加艰难 不强行就位无法进行安装 最后只能给结构带来更大的安全隐患 因此 螺栓球网架要进行施工 也必须采取适当的技术措施 焊接球可地面拼装 分片吊装 速度也很快 质量也容易把控 螺栓球 焊接球网架冬季施工都必须采取适当的技术措施 七 本工程采用焊接球网架的依据1 综上所述 螺栓球网架与焊接球网架是空间网格结构最基本的两种节点形式 各有有缺点 当无建筑要求时 结构设计可根据具体受力状况进行选择 2 本工程所有网架受力均较大 受拉承载力超过1000KN的杆件均较多 超过了 空间网格结构技术规程 中高强螺栓的最大设计承载力 采用螺栓球网架无规范可依 从工程角度来讲 采用试验方法确定超规范的高强螺栓的承载力得不偿失 C1区网架虽然跨度小 36m 支撑条件好 但其与B区相连部位为高低跨的低位 积雪荷载较大 网架杆件受力较大 3 本网架结构的附属建筑尚未有准确的形式 因此 不能确定能够满足附属结构连接的螺栓孔位置与尺寸 采用焊接球网架便于附属结构的连接 4 在采用钢网架结构为航站楼屋盖结构的国内机场中 基本以焊接球网架为主 工程案例见第五节 5 国内近20年来非设计原因而倒塌破坏的网架结构中 大多数为螺栓球网架 近几年黑龙江省发生的数次网架塌塌事故均为螺栓球网架 螺栓球网架非设计原因出现的质量事故远远高于焊接球网架 6 本设计建议的网架施工方案是 1 B区 二层地面分块拼装 焊接 以钢管混凝土柱为拔杆 利用卷扬机分块吊装 2 C1区 二层地面整区拼装 焊接 依托两边混凝土柱 利用卷扬机整体吊装 3 C2区 二层地面整区拼装 焊接 依托三边混凝土柱 利用卷扬机整体提升 4 C3 C4区 与C1区相同 采用焊接球网架与本施工方案相辅相成 八 螺栓球与焊接球混用网架问题螺栓球与焊接球混用并不是扬长避短 有利于结构受力 而是将简单问题复杂化的无奈之举 各别工程案例不能作为设计依据 1 螺栓球与焊接球混用的网架优点是什么 能否消除焊接球的弊端 能否消除螺栓球的弊端 2 螺栓球与焊接球混用网架的规范依据是什么 有无足尺试验验证 3 螺栓球与焊接球混用 设计审查能否通过 专家论证会能否代表设计审查 4 螺栓球与焊接球混用网架的计算模型 全铰模型还是半刚模型 依据是什么 5 螺栓球与焊接球混用非铰模型时 网架杆件的计算长度如何考虑 6 螺栓球与焊接球混用网架的原则是什么 节点刚度的连续性如何考虑 焊接球与螺栓球的使用比例有无限制 7 螺栓球与焊接球混用网架施工顺序如何考虑 先安装螺栓球 焊接应力如何释放 先安装焊接球 从何开始 从何结束 螺栓球与焊接球混用网架 结构最不利的地方形成最大的焊接残余应力 九 机场工程焊接球网架案例1 天津滨海国际机场T2航站楼 焊接球网架 钢管桁架2 北京T3航站楼 焊接球网架 螺栓球网架3 南宁机场 焊接球网架4 深圳机场T3航站楼 桁架 焊接球网架5 郑州新郑机场二期 焊接球网架6 昆明机场 彩带梁 焊接球7 白云机场T2航站楼 焊接球网架 钢管混凝土柱8 成都双流国际机场T2 斜拱 焊接球双层网壳 深圳T3航站楼 昆明长水国际机场航站楼 南宁吴圩国际机场航站楼 北京T3航