钢管桁架结构的设计与施工

1、钢管桁架结构的设计与施工张端明【摘 要】以某钢结构厂房为工程背景,阐述了平面拱形钢管桁架结构的设计及施工质量控制,具体就钢管主桁架吊装方案作了介绍,通过设计与施工的紧密衔接,从而保证钢管桁架施工质量满足规范要求.【期刊名称】山西建筑【年(卷),期】2010(036)011【总页数】3 页(P160-162)【关键词】钢管桁架结构;设计;施工;吊装【作 者】张端明【作者单位】中国建筑西南设计研究院有限公司,四川,成都,610081【正文语种】中 文【中图分类】TU375.5工程概况某钢结构厂房建筑面积为 12 600 m2,采用拱形钢管桁架,跨度 46.5 m,矢高 24.5 m,柱距 6 m,

2、基础采用钢筋混凝土独立基础,屋面为彩色压型钢板,间隔铺有采光带。钢管桁架结构形式为平面钢管相贯桁架结构,整个由 47 榀主桁架及大量上下弦支撑构成,轴与47 轴各有抗风柱五榀,抗风柱顶端与主桁架下弦杆相连。主桁架为平面拱形桁架,半径为 24 m,主桁架立面示意图见图 1。平面拱形钢管桁架具有以下特点:受力简单明确,平面内刚度大;抗震性能好,适用于大跨度,大空间;可以形成各种曲线,建筑物的表现效果极为丰富。因此,近几年在我国发展非常迅速,已大规模地应用。结构设计本工程属于某大型企业二期工程,要求室内大空间,根据建筑及工艺设备要求,采用平面钢管桁架结构,桁架间距 6 000,各榀桁架之间采用纵向支

3、撑进行连接,结构计算采用钢结构设计程序 3D3S 计算,采用 SAP2000 软件进行复核。本工程主桁架为平面拱形桁架,半径为 24 m,上弦杆采用热轧无缝钢管 1594.5,下弦杆采用热轧无缝钢管 1596.0,腹杆采用两肢热轧无缝钢管 764.0,上下弦杆垂直距离 1 600 mm,跨度 L=46.5 m;桁架跨度大,平面外刚度小,故各榀桁架间采用 K 形支撑系统以保证平面外稳定性,支撑横杆采用热轧无缝钢管 894.0,两肢采用热轧无缝钢管 764.0。3 施工质量控制原材料质量控制本工程所使用的主要材料均采用 Q235 焊接钢管。材料采购时选择信誉好、质量稳定的大企业生产的材料。材料进厂

4、后组织监理工程师、甲方代表、项目部质检人员对到货的材料进行初验,核对合格证书、炉号、规格品种、主要技术性能是否符合设计要求,对材料的外观和尺寸进行检查,要求表面无明显锈蚀、麻坑等缺陷。根据 GB 50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范的要求对材料进行抽样送检,经检测合格,监理工程师签字同意后方可进行下料加工。焊接材料电焊条进场时要检查材料的质量证明书并对焊条进行外观检查,要求所有的焊条药皮应干燥牢固、完整、不能有裂纹、气孔及刻痕等。加工制作质量控制数控相贯线切割机加工由于主材均采用圆钢管,腹杆与主管连接均为相贯连接,因此,腹杆端头必须加工成立体曲面,与上、下弦主管的相应位置立体曲率相

5、吻合。并且,为满足焊接要求,杆件端头边缘需按要求切割成一定的坡口角度,这靠人工是很难完成的,需用三维以上的数控切割机加工才能保证质量。为了保证钢管材的加工质量,本工程所有钢管原材加工制作均在加工厂内进行;为满足运输和对接焊缝错开设置要求,将上、下弦杆分七段进行下料制作;经预拼装检验合格后,分七段制作;把各段运至现场,在现场进行正式组装焊接。在确定杆件长度时考虑焊接收缩量,按 JGJ 81-2002 建筑钢结构焊接规程执行,各杆件每个接口的收缩为 1 mm。上、下弦杆曲率的加工在工厂内用中频数控弯管机进行弯管。车间拼装质量控制各构件出厂前应做预拼装检验,合格后方准出厂。车间预拼装是检验杆件加工质

6、量的最好办法。预拼装在相应的拼装架和胎架上按照设计图纸要求进行整跨拼装。车间预拼装完成后,项目部质检员及监理工程师到场共同验收 ,检查桁架的长度、高度、接口偏差、坡口间隙等是否满足钢结构工程施工质量验收规范要求。预拼装后分为七段制作,做好组装顺序、编号等各项记录,便于运输和现场拼装。现场组装、焊接质量控制主桁架现场利用经验收合格的拼装架及专用胎具进行整体组装。组装时,按预拼装中所做的各种记录和相同的拼装顺序及拼装工艺拼装主桁架。组装中,应保证主桁架平面外的稳定性,保证主桁架的水平。本工程钢管桁架部分节点均在现场焊接完成。两段桁架之间上下弦采用对接焊缝, 内加套管,焊接难度大,焊缝质量要求高,腹

7、杆与弦杆采用角焊缝,支撑弦杆与腹杆采用角焊缝焊接,支撑与主桁架上下弦杆采用普通螺栓连接(主桁架与支撑相应位置均有连接板),弦杆连接及支撑形式见图 2。焊接质量是保证整个钢管桁架施工质量的关键。焊接完成后,经外观检查、超声波探伤检测全部符合要求后,再进入下一道工序。我们从以下几方面来控制焊接质 量:1)桁架现场焊接对焊工的要求较高,必须由熟练操作技能并持有上岗证的焊工施焊,严禁无上岗证的焊工进场进行焊接作业。2)现场使用的焊条必须有质量证明书, 并按规定进行烘焙和保温,用时取出放在保温桶中,随用随取。3)被焊部位表面必须干燥、清洁、无锈、无油脂、无油漆(可焊性好的底漆除外)等,坡口角度、钝边、间

8、隙及错口量应经事先检查并符合设计及施工验收规范的有关要求。4)桁架焊接时应先焊主管,弦管对接时先焊衬管,即衬管与母材管应贴紧且与母材点焊牢固;对接焊接时,第一道应封焊坡口内母材与衬管连接处,然后逐层逐道焊至填满坡口,逐层清渣焊好。5)焊接应严格按照先焊中间节点,再向桁架两端节点扩展的施工顺序。这样,桁架始终处于能够自由伸张的状态,可避免由于焊缝收缩向一端累积而引起桁架各节点的尺寸误差,同时,配合做好偏差预留值,能有效地控制焊接收缩时产生的内应力。采用合理的焊接顺序,可杜绝或减少焊接变形、焊缝裂纹,有效提高焊接质量。6)同一腹杆的两端不得同时施焊,应当在焊完一端并冷却后,再焊另一端。焊接完成后,

9、应按照 GB 50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范验收焊缝。本工程上下弦杆对接为二级焊缝,经无损检测单位检测,二级焊缝按 20%探伤检测,合格率 100%。满足钢结构工程施工质量验收规范要求。钢管主桁架吊装方案本工程主桁架共 47 榀,每榀重 4.9 t。因施工现场场地内均有设施,可利用场地狭小, 故现场纵向拼装,两侧柱脚(高 6.88 m)先安装,其余五短弧形桁架现场组装完成后,采用两台 25 t 汽车吊,吊装至预定高度后,与两侧柱脚相应结点对接焊接,弦杆采用内套管做衬管,确保对接准确。前三榀的吊装最为困难。吊装方案见图 3。首先,现场组装三榀桁架(轴、轴、轴三榀,从轴开始)及轴

10、五根抗风柱,同时安装两侧相应柱脚,两侧柱脚旁搭设 6 m 高可移动脚手架;相应支撑系统现场组装好。正式吊装第一天,现场四台 25 t(编号 A,B,C,D),一台 12 t 汽车吊(用来吊装支撑),A,B 两台起吊第一榀至相应位置,与柱脚对接安装,C,D 两台吊车随后起吊第二榀至相应位置与柱脚对接安装,每榀桁架均系有缆风绳,焊接前调整桁架位置,保证每榀桁架位于同一平面,调整就位后,开始焊接,焊接完成后,吊车保持吊装状态;同时两组人员开始安装桁架间支撑,支撑先安装 15 榀,对称安装,确保两榀桁架平面外的稳定性。支撑安装完毕后,A,B 两台汽车吊收工,调整位置。A,B 两台汽车吊开始吊装第三榀,

11、 同样方式,安装完第三榀,安装相应支撑,确保平面外稳定性和整体性。A,B 两台汽车吊收工,吊装南侧五根抗风柱。安装完毕后,采用两侧缆风绳微调,对桁架进行复校,待复校合格并经监理工程师检查签字,至此,前三榀主桁架吊装完毕。后续吊装,按 2 d 三榀的施工进度,前一天拼装三榀,现场采用一台 25 t 汽车吊;次日吊装,现场采用两台 25 t 汽车吊、一台 12 t 汽车吊,按轴线顺序安装,吊装就位焊接完毕后,安装相应支撑。同时安排人员将前面未安装支撑全部安装完毕。所有操作人员都要服从指挥,应有专人观察缆风绳、钢索及其支垫等的工作情况,发现问题,应立即停止吊装作业,及时处理。本工程钢管桁架为平面桁架,平面外稳定性较差,为保证空中安装的顺利进行,各项安全防护措施必须设置到位