建筑行业大跨度架空钢结构双曲面斜交网格箱型桁架拼装工法

大跨度架空钢结构双曲面斜交网格箱型桁架拼装工法1.前言建筑钢结构产业是衡量一个国家经济实力和科技水平的具体体现,在我国城市经济快速发展的同时，大跨度空间钢结构充分展现了其建筑魅力和无限发展空间。空间双曲面桁架结构以其跨度大、抗震性好、造型美观等诸多优点被广泛应用，成为了当前建筑结构研究中的一个活跃领域。但随着空间双曲面斜交网格箱型桁架的跨度不断加大，曲率难以控制，传统的桁架拼装方法难以保证拼装精度。项目技术人员联合公司技术质量部针对大跨度双曲面斜交网格箱型桁架拼装进行创新，并组织专家进行交流环钢结构专项施工方案论证，在此基础上，形成了大跨度架空钢结构双曲面斜交网格箱型桁架拼装施工工法。该工法技术先进、工艺成熟可靠，充分解决了大跨度钢结构双曲面斜交网格箱型桁架拼装的难题，将桁架化整为零、分段分节上胎微调，腹杆采取散拼结合小拼单元的拼装方式，通过空间坐标转换对双曲面桁架进行定位拼装，保证了桁架的结构安全性、稳定性和拼装精度、斜交网格顺利完成整体提升。经过工程实践，有效减少了安装精度偏差，保证了施工质量、工期和安全，取得了显著的经济效益和社会效益，具有在同类工程中应用和推广价值。2.工法特点2.1桁架化整为零，分段分节，杆件单节曲度容易控制。2.2上胎构件平面位置和标高微调，保证了桁架下弦的整体线形。2.3通过定位卡板限制构件的位移，消除构件对口偏差。2.4腹杆安装采用散拼与小拼单元相结合，加快腹杆整体安装进度。2.5通过三维坐标转换，提高腹杆定位精度。2.6高空曲臂车结合组合式脚手架，为高空焊接提供操作平台。3.适用范围适用于大跨度桁架工程和大跨度空间网架工程。4.工艺原理4.1为保证安装过程中结构的整体稳定性，桁架先安装底部下弦，然后逐层安装斜交网格腹杆，连接相应平台梁，最后安装桁架上弦。4.2对空间双曲面箱型桁架构件分段、分节，下弦杆逐段上胎进行微调，控制其平面位置与安装标高。4.3对于上胎杆件，在杆件四周焊接6块定位卡板，限制位移。为消除安装过程中的累计误差，弦杆焊接采用“由两端向中心，对称焊接”的组拼方式。4.4腹杆安装，首先将空间坐标转换成相对于桁架下弦杆的二维坐标，通过控制腹杆相对于下弦的高度方向距离和垂直于下弦杆件长度方向的距离，对腹杆进行空间定位，根据桁架曲率变化，腹杆采用散件+小拼单元组合拼装的方式由两端向中间逐一安装。4.5每对称安装5组内、外侧网格腹杆后及时安装平台梁，减少了临时支撑及抗倾覆措施的投入。4.6腹杆对接口焊接时采用高空曲臂车结合组合式脚手架作为焊接平台，作业空间充裕，保证施工安全。4.7通过对每一层腹杆的精准定位，安装桁架上弦时，仅需将上弦下部的两个箱型接头与腹杆对接即可。

5.工艺流程及操作要点5.1大跨度钢结构双曲面斜交网格箱型桁架拼装工艺流程下弦杆对口、焊接下弦杆对口、焊接定位放线安装下弦安装腹杆连接平台梁焊接网格腹杆安装上弦杆平面控制标高控制安装牛腿安装曲形弦杆胎架调平焊接定位板散件小拼单元高空曲臂车脚手架平台布置拼装胎架图5.1工艺流程图5.2操作要点5.2.1斜交网格桁架定位放线将斜交网格桁架下弦平面位置投影，采用全站仪测设到网格桁架的正下方并弹出墨线，从而保证网格下弦安装精度，为腹杆安装提供定位依据。定位测量遵循从整体到局部，从高级到低级，分级分布的原则进行。首先用CAD软件按照1:1的比例绘制交流环内、外环轴线定位平面图，然后绘制每段网格下弦杆所需放样的详图。将全站仪架设在一个控制点上，反射棱镜架设在另一控制点，根据计算机绘制的控制点坐标图，将每一段桁架下弦地面投影位置所需放样的坐标点输入全站仪，开启放样程序进行实地放样，根据放样结果，用墨线弹出斜交网格桁架下弦的整体地面投影，然后沿下弦投影的墨线每隔3m测绘出地面标高，用于布置地面拼装胎架。5.2.2布置创新型可调节拼装胎架桁架下弦在创新型可调节拼装胎架上进行组对拼装。当杆件标高存在误差时，通过调节胎架，对相应杆件的位置微调。沿下弦投影的墨线，每隔3m布置一个拼装胎架。胎架如图5.2.2-1所示，分为上、下两部分，均采用□200*10焊接而成，上部胎架顶面焊接一张厚度12mm的钢板作为找平面，上部胎架与下部胎架对接的四根立柱均在外立面开口，使得各立柱内均可放置一个工作行程200mm的千斤顶，用于调节顶部找平面的标高。图5.2.2-1找平胎架模型图图5.2.2-1上、下部胎架详图由于现场地下室顶板标高各区域均不相同，楼板标高介于-0.45m～-3.4m，因此斜交网格桁架拼装过程中，需将上部胎架顶面设置在同一标高位置。综合各区域顶板标高，将0.1m标高作为拼装胎架统一标高。下部胎架与地下室顶板通过混凝土浇筑时安装的预埋件牢固连接。下弦上胎就位后，拆除千斤顶，补焊胎架斜支撑。根据楼板标高不同，胎架共10种规格，具体参数见表5.2.2。表5.2.2胎架示意编号板顶标高胎架简图胎架参数1-0.45m胎架截面：长*宽*高（1*1*0.55）主材截面：□200*102-0.6m胎架截面：长*宽*高（1*1*0.7）主材截面：□200*103-0.9m胎架截面：长*宽*高（1*1*1）主材截面：□200*104-1.2m胎架截面：长*宽*高（1*1*1.3）主材截面：□200*105-1.5m胎架截面：长*宽*高（1*1*1.6）主材截面：□200*10支撑截面：□150*86-1.8m胎架截面：长*宽*高（1*1*1.9）主材截面：□200*10支撑截面：□150*87-2m胎架截面：长*宽*高（1.5*1.5*2.1）主材截面：□200*10支撑截面：□150*88-2.2m胎架截面：长*宽*高（1.5*1.5*2.3）主材截面：□200*10支撑截面：□150*89-2.5m胎架截面：长*宽*高（1.5*1.5*2.6）主材截面：□200*10支撑截面：□150*810-3.4m胎架截面：长*宽*高（1.5*1.5*3.5）主材截面：□200*10支撑截面：□150*8图5.2.2-2胎架布置实物图5.2.3安装下弦斜交网格桁架下弦共有两类杆件，分别为异形牛腿和弧形弦杆。异形牛腿共有五个箱形接头，垂直于弧长方向的箱型接头板厚50mm，与核心筒圆管柱悬挑梁对接，沿弧长方向的两个箱型接头板厚25mm，与两侧的弧形弦杆连接。图5.2.3-1异形牛腿图5.2.3-2弧形弦杆安装下弦时，若由中部向两端逐件安装，累计误差将不断加大，网格整体线形将难以保证。为保证桁架下弦整体拼装精度，由两侧向中间逐段对称拼装。拼装主要在胎架上进行，保证胎架的精度是保证拼装精度的关键。拼装胎架布置完成后，利用全站仪复核胎架顶面四个角点、中间点的平面位置及标高，用墨线弹出所要安装杆件的中心线及四周边线。先安装异形牛腿，再安装相邻的弧形弦杆。构件采用25吨汽车吊装上胎后，先用全站仪辅以钢卷尺进行测设，微调后固定平面位置，位置确定后在构件的外围焊接定位卡板，限制构件的水平位移。然后用水准仪对构件的标高进行复测，保证构件的底面均在同一标高。若构件标高存在偏差，调节拼装胎架立柱内的千斤顶，从而调整构件的标高。异形牛腿按照上述方法布置就位后，重复上述过程安装相邻弧形弦杆。如此反复调整每个控制点至精确后，相近两杆件上焊接U形卡板固定，然后进行正式焊接。图5.2.3-3牛腿上胎图5.2.3-4弧形弦杆定位5.2.4下弦杆对口、焊接下弦均为箱型构件，杆件间为对接焊缝。为了防止出现裂纹、未焊透、气孔等焊接缺陷，焊接前先确定焊接工艺参数，并进行焊接工艺评定。焊接前先要检查焊接部分的组对情况，盖板和腹板对接焊缝采用单面V型坡口衬垫焊，焊材采用Φ1.2mm实心焊丝ER50-6。坡口组装间隙控制在6mm-10mm。焊接工艺参数见表5.2.4。表5.2.4焊接工艺参数焊接方法焊材型号焊材规格/mm焊接位置焊接电流I/A电弧电压U/V气体流量Q/(L·min-1）GMAWER50-6Φ1.2平焊210-23026-2918-20GMAWER50-6Φ1.2立焊170-19023-2618-20为减少焊接变形和焊接应力，采用对称焊、分中退焊法，如图5.2.4-1所示，按以下顺序施焊。由两名焊工以相同的焊接工艺参数，同时、同速对应的分段退焊两腹板立缝。由一名焊工以分中退焊方式先后完成上、下盖板两条焊缝的焊接。图5.2.4-1施焊顺序图5.2.4-2下弦杆对口、焊接5.2.5安装网格腹杆斜交网格腹杆如图5.2.5-1所示在加工厂加工成三根箱型杆件发至现场，一根为带有十字节点板的长腹杆，两根为直段短腹杆。图5.2.5-1斜交网格腹杆斜交网格桁架外观呈半圆弧状，桁架的曲度两端小，中间大。为保证腹杆安装精度及效率，采用小拼单元+散件组合安装的方式。内外环两端曲率半径较小的部位采用小拼单元地面拼装，小单元安装。中部曲率较大的部位，采用散拼法，逐件安装。如图5.2.5-2所示，黄色区域为小拼单元安装，蓝色区域为散件拼装。图5.2.5-2拼装分区1.小拼单元安装一根带有十字节点板的长腹杆配套两根短腹杆为一个小拼单元，将上述三根杆件在地面拼装成一个“X”形构件，然后将每个小拼单元整体安装。斜交网格腹杆小拼单元拼装需要将“X”形腹杆斜撑的空间坐标进行转换，将杆件平置于地面上，将“X”形腹杆的四个脚点控制在同一标高，用卡板限位，中心交点的标高根据空间坐标转化的结果确定，即中心交点的标高随着其在立面上与脚点Y轴方向的距离，调节其竖向高度。小拼单元拼装完成后，将其扶正、调整，固定于桁架下弦上，对四个脚点及中心点的位置进行复测。调整每个控制点至精确后，采用角钢作为斜撑对小拼单元进行固定。图5.2.5-3小拼单元拼装图5.2.5-4小拼单元安装图5.2.5-5交流环内弧小拼单元安装2.散件拼装曲率较大的部分采用散件拼装，先安装带有十字节点板的长腹杆，长腹杆定位安装、焊接完成后，再安装长腹杆中心线下方的短腹杆，最后安装上部短腹杆。图5.2.5-6散件拼装顺序散件安装时，将三维坐标转换为相对于桁架下弦的二维坐标，根据空间坐标转换的结果，采用线坠辅以钢卷尺，通过控制每根杆件与桁架下弦的垂直距离和相对于下弦中心线的水平距离，对腹杆进行初步定位。然后焊接导向卡板，采用倒链调整腹杆上端的位置。采用全站仪复核每根杆件的空间坐标并进行精准定位。图5.2.5-7散件拼装5.2.6连接平台梁为了减少临时支撑措施投入，提高结构的整体稳定性，每层腹杆安装完成后，及时安装内外环网格腹杆间的平台梁。平台梁为焊接H型钢构件，两端与腹杆外伸的连接板采用高强螺栓连接。每对称安装5片内外环的“X”形腹杆，及时连接其中间的平台梁，使其形成稳定的空间结构。图5.2.6连接平台梁5.2.7网格二、三层腹杆及平台梁安装斜交网格共三层腹杆，第一层斜交网格腹杆及平台梁全部安装完成后，在一层平台梁上设置钢斜撑，然后逐件安装二层腹杆。二层“X”形腹杆小单元垂直度测量完成后，对节点进行复核，并使用斜撑对小单元进行固定。斜撑下端与已经安装的平台梁焊接，上部与腹杆焊接。每对称安装5片内、外环“X”形腹杆，及时连接腹杆间的平台梁，然后拆除斜支撑。二层腹杆及平台梁全部安装完成后，按照同样方法安装三层腹杆及平台梁。图5.2.7-1腹杆斜撑斜交网格共有三层“X”形腹杆，上下层腹杆间共有四条焊缝。其中一、二层腹杆间的焊缝距离地面高度为4.5m，二、三层腹杆间的焊缝距地面9m。焊接位置距地面较高。外侧焊缝焊工驾驶高空曲臂车施焊。图5.2.7-2高空曲臂车由于内、外环腹杆间已经安装了大部分平台梁，高空曲臂车无法驶入内外、环之间。因此，在平台梁上搭设脚手架平台，满铺木跳板，并在木跳板上搭设两步门式移动脚手架，为焊工提供操作平台，焊工在操作平台上焊接腹杆内侧焊缝。采用高空曲臂车结合组合式脚手架为高空焊接提供操作平台在保证施工安全性的同时又为焊接提供了充足的作业空间。图5.2.7-3脚手架平台图5.2.7-4腹杆焊接图5.2.7-5焊口打磨5.2.8安装上弦杆三层腹杆及平台梁安装完成后，安装桁架上弦杆。在腹杆安装时，对每一根腹杆进行了精准的空间定位，因此安装上弦时，只需要将上弦下部的两个箱型接头与腹杆对接即可，上弦杆安装仍遵循从两端向中间逐根安装的顺序，最终在中部完成合拢。图5.2.8外环合拢6.材料与设备6.1主要材料（详见表6.1）表6.1主要材料表序号材料名称材料规格单位数量1方管□200*10米16002钢板12mm吨203钢板20mm吨34角钢L75*5米2006.2施工所需机具、设备（详见表6.2）表6.2施工机具、设备表序号施工机具名称型号规格数量性能1汽车式起重机QY130K10-130吨2汽车式起重机QY80V53240-80吨3汽车式起重机25K550-25吨4CO2气体保护自动焊机NB-50040良好5等离子切割机GT－1202良好6空压机VFY-1.6/104良好7碳弧气刨设备ZXQ-10004良好8角向磨光机Ф10010良好9火焰切割机CG-303良好10高温烘箱0℃-500℃1500℃内烘干11保温箱150℃2150℃保温12倒链3-10吨163-10吨内调整力13液压千斤顶QY1.516起重量1.5吨14液压千斤顶QY204起重量20吨15无齿锯Ф5002良好16经纬仪J2-21良好17全站仪RTS112SL2良好18卷尺10m5良好19盘尺50m2良好7.质量控制7.1引用标准《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010《钢结构工程施工质量验收标准》GB50205-2020《钢结构工程施工规范》GB50755-2012《钢结构焊接规范》GB50661-2011《建筑施工脚手架安全技术统一标准》GB51210-2016《钢结构高强度螺栓连接技术规程》JGJ82-20117.2质量保证措施7.2.1加强技术管理，认真贯彻国家规定、规范、操作规程及各项管理制度。7.2.2建立完整的质量管理体系，项目管理部设置质量管理领导小组，由项目负责人和总工程师全权负责，选择精干、有丰富经验的专业质量检查员，对各工序进行质量检查监督和技术指导。7.2.3严格执行质量目标管理，把质量与效益严密挂钩，实行优质优价，质量目标责任制。质检员认真行使质量否决权，使质量管理始终处于受控状态。7.2.4项目部每天要开好现场生产的质量碰头会，每周对工程进行全面检查，进行三分析活动，即：分析质量存在的问题，分析产生质量问题的原因，分析应采取的措施，查出问题及时整改。7.2.5焊接操作人员，必须经过培训，持证上岗。7.2.6应严格执行“三按”、“三检”和“一控”。“三按”：严格按图纸、按施工方案和施工工艺、按国家现行规范和标准施工。“三检”：自检、互检、交接检。“一控”：自控准确率、一次验收合格率。7.2.7应加强施工全过程中的质量预控，密切配合建设、监理、总包三方人员的检查与验收，按时做好隐蔽工程记录。7.2.8加强原材料的管理工作，严格执行各种材料的检验制度，对进场的材料和设备必须认真检验，并及时向业主和监理方提供材质证明、试验报告和设备报验单。7.2.9优化施工方案，认真做好图纸会审和技术交底。每一类构件的安装都要有明确和详细的技术交底。施工中随时检查施工措施的执行情况，作好施工记录。按时进行施工质量检查掌握施工情况。7.2.10认真做好工程技术资料，及时准确完整地收集和整理好各种资料，如合格证、试验报告、质检报告、隐蔽验收记录等，及时办理各种签证手续，由资料员负责各种资料的收发，由技术负责人负责资料的内涵管理、整理和保管等外延管理。7.3质量控制要点7.3.1箱梁与箱梁对接焊缝应为一级焊缝。7.3.2空间网格结构杆件接长不得超过一次，接长杆件不得超过总数的10%。7.3.3杆件的对接焊缝距离节点或端头最小距离不得小于500mm。7.3.4控制空间网格结构节点中心偏差小于3.0mm。7.4.5空间网格结构单元拼接长度允许偏差为±10mm。8.安全措施8.1认真贯彻“安全第一、预防为主”的方针，根据国家有关安全管理规定、条例，结合单位实际情况和工程的具体特点，组成专职安全员和班组兼职安全员以及工地安全用电负责人参加的安全生产管理网络，制定安全生产责任制，明确各级人员的职责，抓好工程的安全生产。8.2施工现场的临时用电严格按照《施工现场临时用电安全技术规范》JGJ46-2005的有关规定执行。用电设备要求接地合格，安装漏电保护器，专用设备专人操作；非维修电工不得任意接线。8.3对每个进场施工人员进行三级安全教育，特殊工种如电工、焊工、脚手架工、吊车司机等操作人员必须有安全操作合格证。8.4进入现场必须佩戴安全帽，高空作业必须系安全带；氧气瓶与乙炔瓶隔离放置，并保证有防止回火的安全装置。8.5绳扣、吊索具、倒链需经过安全人员验收后方可使用，不得有裂纹、开焊、压扁缺陷，使用应规范合理，严格执行报废标准。8.6当不焊接时，确保焊条回路没有接触构件或地面，偶然接触会导致过热并引起火灾。8.7起重吊装严格执行十不吊原则9.环保措施环境保护和文明施工是工程进度、质量和安全的有力保证，要保证工程的顺利进行，就必须做好以下工作：9.1进入施工现场前对工程使用的机具、材料和防护用品认真检查，做好环境要求交底。9.2文明施工,做到“三清、六好、一保证”，即现场清整、物料清楚、工作面整洁，职业道德好、工程质量好、降低消耗好、安全生产好、消防保卫好、完成任务好，保证使用功能。9.3雨期施工，对于室外的设施要及时转移或安装好防雨装置，材料应移至室内，防止排放的粉尘、固定废弃物等随雨水流失，扩大对环境的污染。9.4钢结构施工时，应注意焊接的电弧光、有毒有害气体、固体废弃物、噪声、粉尘和射线排放污染，做好劳保用品发放工作。9.5载重设备运输车辆夜间行驶时，选择适当路线，尽量避开居民稠密区域，夜间行驶时，禁止鸣笛。9.6选择低噪音设备，强噪音设备搭设隔音棚，控制夜晚施工强度，从声源上降低噪音影响。9.7施工产生的废弃物应当随产随清，每天下班前将施工现场的施工垃圾清理干净，运输至现场的垃圾对方点。10.效益分析经