大跨度管桁架機庫鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究

杜浩

摘要：近年來，我國建筑行業(yè)的發(fā)展，使鋼結(jié)構(gòu)成為一種廣泛應(yīng)用的建筑形式，而鋼結(jié)構(gòu)管桁架更是在許多大型建筑中得以應(yīng)用。本文以某機場中的機庫為例，對大跨度管桁架機庫的鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行深入研究，以期能夠提高鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用水平，使更多的大跨度空間能夠采用鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)。

Abstract： In recent years， the development of China's construction industry has made steel structures a widely used construction form， and steel pipe trusses have been used in many large buildings. This article takes a hangar in an airport as an example to conduct in-depth research on the steel structure construction technology of a long-span pipe truss hangar， with a view to improving the application level of steel structure construction technology and enabling more large-span spaces to use steel construction technology.

關(guān)鍵詞：大跨度管桁架;機庫;鋼結(jié)構(gòu);施工技術(shù)

Key words： long-span pipe truss;hangar;steel structure;construction technology

中圖分類號：TU391 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）06-0166-03

0 ?引言

在許多大型建筑中，其屋蓋結(jié)構(gòu)都采用了鋼結(jié)構(gòu)管桁架，因這種結(jié)構(gòu)的伸縮能力出色，而且不需要投入較大的制造成本，這使其應(yīng)用范圍非常廣泛，可使建筑安全性得到極大提升。鋼結(jié)構(gòu)管桁架屬于一種非常獨特的建筑結(jié)構(gòu)體系，通過該建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，以此實現(xiàn)對大跨度空間的設(shè)計，能夠使建筑變得更加美觀，并降低施工成本，正是其在這些方面上的應(yīng)用優(yōu)勢，使其在建筑行業(yè)中有著非常廣闊的發(fā)展前景。

1 ?項目概況

某機場維修區(qū)中，其機庫主體結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)桁架為四肢格構(gòu)式落地桁架，該桁架通過邊桁架、平面桁架、柱間支撐和屋面支撐來搭建一個大跨度空間。在機庫中，可將桁架結(jié)構(gòu)按照大廳與門頭兩個部分來進(jìn)行劃分，其中大廳部分的桁架空間跨度達(dá)到76.3m，而門頭部分的桁架空間跨度則達(dá)到97m，整個機庫的進(jìn)深為100m，標(biāo)高為23.6m，該桁架采用鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，并以Q345B鋼管為結(jié)構(gòu)材料。在機庫的大跨度空間中，鋼結(jié)構(gòu)管桁架的截面規(guī)格是？覫89×4至？覫299×16，在門頭部分的桁架中，其鋼結(jié)構(gòu)的焊接位置存在一些焊接球，其截面是WS400×16與WSR500×20，桁架弦桿跨中區(qū)域則應(yīng)用鑄鋼節(jié)點。該機庫的整個鋼結(jié)構(gòu)管桁架質(zhì)量在1200t左右。

2 ?鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)中的重難點

在對機庫大跨架鋼管桁架的鋼結(jié)構(gòu)施工中，需要明確其技術(shù)特點，并了解其施工重難點，在技術(shù)特點上主要有三點：其一，在機庫大廳部分中，利用鑄鋼節(jié)點來實現(xiàn)對桁架跨中主弦桿的連接;其二，在機庫的四肢格構(gòu)式落地桁架中，其柱腳形式為杯口式;其三，整個桁架中采用的抗風(fēng)柱、格構(gòu)柱、門頭橇架以及大廳桁架數(shù)量分別是7根、30根、2榀與11榀。在對機庫四肢格構(gòu)式落地桁架進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)施工時，其重難點則主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，鋼結(jié)構(gòu)的施工任務(wù)繁多，并且施工面積較大，同時因其桁架標(biāo)高為23.6m，因此在安裝時需要進(jìn)行高空作業(yè)。其次，鋼結(jié)構(gòu)施工所采用的各種構(gòu)件種類眾多，要想控制其施工質(zhì)量會存在較大難度。再次，在鋼結(jié)構(gòu)施工中需要進(jìn)行大量的拼裝作業(yè)，具體包括6142根桁架桿、23個鑄鋼節(jié)點以及132個焊接球。此外，在爆接過程中除了要對球管進(jìn)行焊接以外，還要對鋼管與鋼管進(jìn)行貫通焊接，對鑄鋼節(jié)點進(jìn)行焊接等，因此需要嚴(yán)格控制焊接工藝質(zhì)量。最后，在進(jìn)行地面拼裝和吊裝時，需要嚴(yán)格控制桁架的位移與變形問題，同時考慮到需要利用鑄鋼節(jié)點來對大廳桁架部分的跨中區(qū)域進(jìn)行連接，因此在安裝難度上是比較大的。

3 ?鋼結(jié)構(gòu)分段、拼裝及其胎架

3.1 桁架的分段與拼裝

在對機庫大跨架鋼管桁架進(jìn)行拼裝時，需要分別對邊桁架、主桁架、環(huán)桁架、抗風(fēng)柱以及次桁架進(jìn)行拼裝，而對于主桁架與邊桁架來說，其結(jié)構(gòu)都是四邊形的，而對于環(huán)桁架、次桁架以及抗風(fēng)柱來說，其都是平面桁架。具體拼裝步驟如下：其一，需要對主桁架進(jìn)行劃分，使其被分解為桁架梁與桁架柱兩個部分，然后通過三段來劃分桁架柱，并將其在地面上拼裝。而大廳桁架梁則需分解為2個半榀桁架，同樣按照三段來進(jìn)行劃分，然后在地面拼裝胎架上拼裝各段桁架梁，待拼裝完畢時在原來位置上對三段桁架進(jìn)行組拼;其二，按照前后片來對門頭部分的桁架梁進(jìn)行劃分，然后按照四段在地面上對前、后片桁架實施拼裝，在此基礎(chǔ)上對半榀前、后片桁架進(jìn)行組合，使其成為2個半榀小拼單元;其三，通過地面分段方式對次桁架、邊桁架以及環(huán)桁架進(jìn)行組拼;其四，在拼裝抗風(fēng)柱時，需要劃分為三段來進(jìn)行地面拼裝。

3.2 胎架拼裝

考慮到鋼桁架中許多構(gòu)件的尺寸較長，這會給現(xiàn)場組拼帶來難度，因此需要在地面上采用胎架來實現(xiàn)預(yù)拼裝，然后將各個構(gòu)件進(jìn)行分段吊裝，并置于高空拼裝平臺中組拼。在對胎架進(jìn)行設(shè)置時，需要對運輸?shù)缆肥欠癖憬菀约笆欠駮艿铰膸鹬貦C的影響進(jìn)行充分考慮。在對胎架進(jìn)行搭設(shè)完畢后，還要應(yīng)用水準(zhǔn)儀來對其位置尺寸進(jìn)行復(fù)合，最大偏差不得超過20mm，待復(fù)核后滿足要求時再對桁架進(jìn)行拼裝。在拼裝過程中，需要在胎架支撐點上水平放置桁架弦桿，同時用水準(zhǔn)儀來對其水平度進(jìn)行復(fù)核，待桁架弦桿滿足復(fù)合要求后，方可對桁架進(jìn)行拼裝。

4 ?支撐架

格構(gòu)式桁架柱兩側(cè)分別是大廳桁架梁，在進(jìn)行分段拼裝與吊裝時，應(yīng)采取臨時支撐的方式來對桁架分段處進(jìn)行固定，以確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時也能便于后續(xù)的安裝對接。考慮到桁架梁分段的接口投影并未處于軸線位置，因此需要將基礎(chǔ)設(shè)置到接口位置的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)底部，以確保達(dá)到承重要求。在計算支撐結(jié)構(gòu)時，需要驗算主桁架的最大受力值，確保支撐架的高度能夠保持在21m。而在支撐架支點處所產(chǎn)生的反力最大值是17.6t，支撐架位的最大位移值達(dá)到2.7mm，支撐架的最大應(yīng)力值是32MPa，最大應(yīng)力比則為0.1，能夠滿足要求。之所以要設(shè)置支撐架基礎(chǔ)，其目的是為了更好的對軸心荷載進(jìn)行承受，由于其只是臨時使用，因此需要采用無筋擴展方式來進(jìn)行設(shè)計，并對構(gòu)造鋼筋進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲?。在對基礎(chǔ)進(jìn)行計算時，耐力調(diào)節(jié)不需以實際尺寸為準(zhǔn)，將其fa的值統(tǒng)一設(shè)定為100kPa，所采用的混凝土強度為C30，ft與fc的值分別為1.43MPa與14.3MPa。因各個基礎(chǔ)的支撐架有著相同的有效面積，因此只需對各個支撐架的受力最大基礎(chǔ)進(jìn)行計算即可。通過驗算承載力，門頭橇架梁和大廳橇架梁的支撐架基礎(chǔ)都能夠達(dá)到使用要求。因橇架梁只有很少的支撐點位，并且其標(biāo)準(zhǔn)節(jié)較高，所需承受的荷載也比較大，因此需要確保標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的承載力足夠，通過風(fēng)繩來提高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的穩(wěn)定性。

5 ?鋼結(jié)構(gòu)安裝

5.1 分段安裝的優(yōu)勢及重點

分段安裝的優(yōu)勢有五點，其一，能夠使實際受力狀態(tài)和設(shè)計狀態(tài)相接近;其二，具有技術(shù)先進(jìn)性;其三，不需要和土建進(jìn)行密切的配合，能夠減少交叉施工現(xiàn)象;其四，拼裝作業(yè)可在地面進(jìn)行，能夠使高空焊接作業(yè)的工作量大幅減少，進(jìn)而更易保證焊接質(zhì)量;其五，能夠大幅減少高空作業(yè)，保障施工安全。在分段安裝中還有一些重點需要注意：首先，需要對鋼結(jié)構(gòu)的運輸、加工及組裝單元進(jìn)行精心劃分。其次，需在現(xiàn)場對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的糾正，同時嚴(yán)格控制焊接措施。再次，必須要保證高空中的對接精度。

5.2 安裝桁架柱

按照三段來對桁架柱進(jìn)行劃分，使其拼裝作業(yè)能夠置于地面的拼裝胎架中進(jìn)行，然后利用履帶起重機來進(jìn)行依次吊裝。操作平臺需搭設(shè)在桁架柱的接口位置，待到土建鋼管混凝土施工完畢后，對上節(jié)桁架柱進(jìn)行繼續(xù)安裝，然后依次安裝所有的桁架柱。

5.3 安裝大廳桁架

在機庫大廳部分共包括11榀桁架梁，其跨度達(dá)到76.3m，桁架柱作為桁架的兩端支撐。在安裝大廳部分的桁架梁時，需要在地面拼裝胎架上對桁架梁進(jìn)行拼裝，拼裝長度在20m左右，然后對半榀桁架梁進(jìn)行地面組拼，組拼長度在39m左右，利用履帶起重機來吊裝半榀稈架梁，使其能夠置于臨時支撐架與鋼柱的上方，然后再對另一半桁架梁進(jìn)行吊裝，以此實現(xiàn)對第一榀桁架的安裝。重復(fù)采用上述部聚，分別對第二榀與第三榀桁架進(jìn)行安裝，在對第二榀桁架進(jìn)行安裝的同時，還要對相應(yīng)的次桁架與斜橇架進(jìn)行安裝，以此確保桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在第三榀主桁架及其次桁架進(jìn)行安裝完畢后，對第一榀主桁架的支撐節(jié)進(jìn)行拆除，并在第四榀桁架上安裝原來拆除的支撐架，最后再對大廳桁架進(jìn)行安裝，直至到達(dá)門頭為止。

5.4 安裝門頭桁架

機庫的門頭部分桁架梁分別包括ZHJ-4與ZHJ-5，2榀。該部分的桁架梁跨度達(dá)到76.3m，而總長度則達(dá)到99m，桁架柱需對樁架梁的兩側(cè)進(jìn)行支撐。在對該部分的桁架進(jìn)行安裝時，需在地面對桁架進(jìn)行50m左右的拼裝，使上述兩榀能夠通過拼裝形成小拼組合單元，并通過履帶起重機及吊車，采取雙機抬吊方式，使ZHJ-4與ZHJ-5的一半能夠吊裝就位，格構(gòu)柱頂與臨時支撐架分別為半榀組合單元的兩側(cè)，在對另一半半榀組合單元進(jìn)行吊裝時，也同樣采用上述方法。

6 ?施工模擬及其監(jiān)測

施工模擬驗算需應(yīng)用到Midas Gen軟件，利用該軟件分別分析對吊裝單元的應(yīng)力、應(yīng)力比、位移、反力，以確保吊裝作業(yè)、卸載精度能夠在理論層面上滿足安全要求。在對大廳部分的桁架進(jìn)行吊裝與卸載驗算時，應(yīng)通過階段性卸載來進(jìn)行，桁架在自重狀態(tài)下，其最大反力值可達(dá)到6.6t，在吊裝時桁架的位移最大值則是3.8mm，其應(yīng)力最大值則是28MPa，在安裝半榀桁架后，其支撐節(jié)中的反力達(dá)到8.6t，最大位移值與最大應(yīng)力值分別是5.5mm和42MPa。在對整榀桁架進(jìn)行安裝完畢后，支撐節(jié)卻未拆除時，則其所受到的反力可達(dá)到17.2t，最大位移值是11mm，最大應(yīng)務(wù)值是59MPa。在對三榀桁架進(jìn)行安裝完畢后，支撐節(jié)所受到的最大反力可達(dá)到22t，最大位移值與最大應(yīng)力值分別是16mm與69MPa。在對三榀桁架進(jìn)行安裝完畢后，對第一榀桁架上的支撐點進(jìn)行卸載時，其所受到的最大反力可達(dá)到40.4t，而最大位移值則達(dá)到29mm。在對門頭部分的桁架進(jìn)行吊裝與卸載驗算時，在吊裝時桁架的位移最大值則是15mm，其應(yīng)力最大值則是57.4MPa，最大反力可達(dá)到27.8t。通過模擬和驗算桁架梁的吊裝過程，在吊裝桁架梁組拼單元時，其所受到的反力、應(yīng)力及其應(yīng)力比、位移等全部都能達(dá)到設(shè)計要求。因桁架的格構(gòu)柱共30根，并且都是按照三節(jié)來進(jìn)行劃分的，因此各個格構(gòu)柱的全高垂偏及杯口位置的偏差分別是20mm與5mm以內(nèi)。在13榀的桁架梁吊裝過程中，其桁架梁找度也能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。在共計1.2萬道焊縫中，有823道焊縫達(dá)到1級標(biāo)準(zhǔn)，通過一次焊接探傷，檢測結(jié)果表明焊接合格率為99.5%。該結(jié)果能夠滿足大跨度桁架結(jié)構(gòu)形式機庫建筑的使用要求。

7 ?結(jié)語

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使人們對建筑工程的經(jīng)濟性、美觀性、實用性及安全性變得越來越關(guān)注，隨著更多先進(jìn)施工技術(shù)的推廣與應(yīng)用，大跨度管桁架鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用范圍也將進(jìn)一步擴大，進(jìn)而使建筑行業(yè)得到更好的發(fā)展。通過該施工技術(shù)，可降低施工成本，提高施工質(zhì)量，并可兼顧結(jié)構(gòu)的實用性、經(jīng)濟性和美觀性，不過其應(yīng)用過程中卻比較復(fù)雜，在施工過程中尚有許多關(guān)鍵之處要進(jìn)行嚴(yán)格的控制與監(jiān)管，只有這樣才能使建筑工程發(fā)揮出最大的綜合效益。

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