世博主題館屋面桁架加工分段技術對比分析

楊力峰

（上海寶冶集團有限公司，上海 201101）

1 工程概況

2010年中國上海世博會主題館是世博會永久保留建筑之一，位于上海世博會B片區(qū)。主題館設計引入了“上海里弄”、“老虎窗”等地方建筑特色，屋面三角形的連續(xù)構架令人聯(lián)想到風箏、紙飛機、飛鳥等象征自由、美好生活的元素。

屋面主桁架分為東區(qū)和西區(qū)兩部分，主桁架的截面為正三角形，上弦和下弦的軸線標高差為3000mm，東區(qū)主桁架共9榀，每榀總長144m，由4根柱子支撐；西區(qū)主桁架共9榀，每榀總長126m，兩端座在柱子上，下方為兩條通長預應力拉索。另外還有5組聯(lián)系桁架連接主桁架，南北兩側還有兩組邊桁架和挑沿等附屬結構。

主桁架和柱子的連接是通過發(fā)散的V型支撐連接，整個屋面有45組支撐，高度為3m，寬度為3m，長度為6m，重量共計 130t。

2 工程特點分析

本工程的屋面鋼結構屬于典型的空間大跨度管桁架，且東西兩區(qū)分別為多點連續(xù)柱支撐和大跨度預應力張拉弦結構，但對于工廠加工來說，兩者主桁架沒有任何區(qū)別。工廠加工、分段方案的選擇可不考慮區(qū)分。

對于典型的大跨度管桁架結構，常規(guī)的加工方法主要有：散件發(fā)貨，高空散裝；整體出廠，現(xiàn)場吊裝以及分段出廠；現(xiàn)場拼裝等三種方式。視工程項目的具體結構、運輸條件及現(xiàn)場施工能力而定。

對于柱頂V型支撐，由于運輸成本和空間尺寸控制等原因，一般工程均將柱頂?shù)腣型支撐散件運輸?shù)浆F(xiàn)場，進行單件吊裝。勢必需要現(xiàn)場搭設大量支撐胎架、存在高空作業(yè)的風險、施工措施成本高，更重要的是現(xiàn)場施工工期長。

本工程的主要特點有：工期緊，現(xiàn)場拼裝難度大、成本高；加工廠和安裝現(xiàn)場距離相對較近，運輸條件有利。

在主桁架吊裝前，發(fā)現(xiàn)后續(xù)的施工工期十分緊張，必須采取有效措施和方法才能保證施工進度。

3 實際加工方法

3.1 整體加工思路

根據(jù)上述分析，本工程在實際加工時，采用主桁架分段出廠、現(xiàn)場分段吊裝的方法。在現(xiàn)場施工工期特別緊張的情況下，為保證現(xiàn)場施工要求，采取柱頂V型支撐在工廠整體裝配焊接出廠的方法。

3.2 主桁架的分段加工

3.2.1 主桁架結構形式

主桁架為正三角形桁架，如圖1所示，腹桿與主弦桿為管管相貫焊接，主桁架兩端與柱頂支座采用鉸接。

3.2.2 加工難點

3.2.2.1 零件的配套

桁架加工時，主弦管和腹桿以及配套的耳板等零件都要配齊。要求在切管下料和零件下料時要有一個統(tǒng)一的安排。

圖1 主桁架及截面形式

3.2.2.2 西區(qū)屋面起拱

西區(qū)屋面折線起拱，在距離兩端45m處起拱150mm。

3.2.2.3 焊接

桁架的焊接主要是對接和相貫焊縫的焊接，需要在焊接過程中控制焊接的質(zhì)量以及焊接變形。

3.2.2.4 桁架的分段

由于主桁架是分段出廠，車間加工時采用整體拼裝，然后再分段，分段點主桿在車間采用鋼板臨時固定，待到組裝焊接完畢之后，除去固定鋼板就可以分段出廠，若涉及到分段處的腹桿，則腹桿只焊接一端，另一端只需要點焊，分段后，為了防止分段處的腹桿變形，還要用角鋼將腹桿和主桿進行臨時固定。

3.2.2.5 胎架的搭設

由于桁架的長度較長，對胎架要求較高，即要保證整體的尺寸精度，還要保證胎架的整體穩(wěn)固性。

3.2.2.6 桁架零件板的安裝

主桁架和聯(lián)系桁架以及檁條連接時，都是采用連接板連接，而連接板在定位時基準點比較難找，如何定位是關鍵。

3.2.3 主桁架加工制作工藝流程

單片主桁架制作時，先將主桁架的主弦管平放在超平的胎架上面，經(jīng)過測量在主管上面定出腹桿的位置，然后將切好貫口的腹肝組裝上去，最后焊接。具體的工藝流程如圖2所示。

圖2 主桁架的制作工藝流程

3.2.4 胎架搭設（圖3）

搭設胎架的意圖是為了更好的把上弦桿、下弦桿更準確的定位和組裝，以便于以后現(xiàn)場安裝。西區(qū)和東區(qū)因為起拱不同，西區(qū)采用和實際放置旋轉(zhuǎn)90°的方式組裝，東區(qū)按照實際放置角度組裝。

管桁架的組裝在專用胎架上進行，胎架經(jīng)1:1放樣，由鋼板及鋼管焊接而成，胎架必須有足夠的剛度，在組裝前要對胎具進行水平及垂直位置檢測，確保其精確度。

胎架做完后，弦桿整體外形測量放于胎架上，將分段桿件置于胎架上按制作編號拼裝成整體。分段點用定位鋼板固定。

組裝結束后，對管桁架外形尺寸進行復檢，發(fā)現(xiàn)超出允許范圍的尺寸偏差要及時進行矯正。

拼裝順序：先裝主弦管，腹桿按照從下到上的順序安裝，最后安裝吊耳和連接板等附屬零件

圖3 胎架示意圖

3.3 V型支撐的整體加工

V型支撐如圖4所示，下端有一個支座，支座直接座在鋼柱的頂端，和柱頂板直接焊接。支座上焊接4個或6個不等的鋼管，鋼管直徑在300～400mm左右，從下到上發(fā)散開來，像一個V型，用以支撐整個屋面主桁架的下弦主桿。

圖4 V 型節(jié)點三維圖

3.3.1 加工過程中的重點和難點

保證支座底板的水平以及貫口的定位尺寸；保證鋼管兩個端頭貫口之間有一個扭轉(zhuǎn)角的準確；V型撐的焊接要求很高，支座和支座插板的連接焊縫均為全熔透一級焊縫，鋼管和插板的焊縫是坡口焊縫。如此大的焊接量對V型撐的變形帶來不利的影響，如何消化這些焊接變形是一個難點；V型撐焊接完畢之后，肯定存在一定的誤差，如何根據(jù)實際情況確定關鍵尺寸，保證V型撐到現(xiàn)場后能夠準且的安裝也是工程中的一個重點。

3.3.2 V型撐加工的技術要點

3.3.2.1 切管

切管是V型撐加工成功與否的一個前提，根據(jù)設計提供的三維模型，用相連接的鋼管和鋼板切貫口，得出切割數(shù)據(jù)之后輸入到切管機中，進行數(shù)控下料。

3.3.2.2 胎架的制作

V型撐的尺寸為3m×3m×6m左右，相對來說體積較大，需要搭設專用胎架進行加工。胎架的作用有兩點：支撐作用和準確定位。

支撐作用：由于鋼管的重量較大，一根重500kg，不可能簡單的靠臨時支撐固定，必須搭設一個專用胎架用以支撐巨大的重量；準確定位：胎架和V型撐的接觸點都要有精確的尺寸，用以保證V型撐的鋼管放置在胎架上面可以很快的確定其尺寸和角度的正確，不必花太大的精力去調(diào)整。

圖5 V型撐胎架圖

3.3.2.3 焊接

焊接的重點有兩點：一是保證一級焊縫的一次合格；二是盡量減少焊接變形。

焊接時，首先焊接支座上的十字加肋，因為鋼板和鋼板之間的焊縫比較容易焊接，而且產(chǎn)生的焊接變形比較容易校正。焊接完支座和加勁之后，就要考慮相貫焊縫的焊接問題了，如果焊接變形導致鋼管的角度超差過多，則很難修正過來，因此，在焊接焊縫之前，首先將鋼管進行臨時固定，用角鋼將6個鋼管的貫口連接起來，組成一個整體；然后對所有的相貫焊縫進行打底焊，打底焊時要注意對稱焊接。

3.3.2.4 尺寸檢查

V型撐要和柱頂和主桁架的下弦桿相連，在尺寸檢查時，要重點保證V型撐的上端6個貫口對應的中心點要在兩條平行的直線上面，而且這兩條直線組成的平面要和大地平行。所以在測量尺寸時，利用一個比較簡單得方法，選用一個直徑為50mm的鋼管，把鋼管放在貫口上面，如果鋼管平行大地，且和貫口縫隙較小，證明貫口尺寸正確。

圖6 V型撐檢查圖

表1是構件加工完畢之后的一個關鍵尺寸的控制列表。

表1 尺寸檢查控制表格

4 結論與分析

通過以上分析，我們對大跨度管桁架項目的出廠分段形式的綜合情況進行對比，見表2。

對管桁架的工廠整體（分段）制作，通過胎架搭設、工藝流程的控制，可以很好地保證整體尺寸符合設計要求，并保證現(xiàn)場吊裝的順利進行。

V型支撐可根據(jù)項目的實際情況和整體工期、成本最優(yōu)控制，選擇散件出廠或整體焊接出廠的最優(yōu)方法。

表2 管桁架出廠分段形式綜合情況對比表