大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架設(shè)計(jì)難點(diǎn)與施工安裝探究

黃日甜 張 胥 姚 勇 歐陽靖 郭世釗

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加快，我國建筑業(yè)迅猛發(fā)展，各類新型結(jié)構(gòu)和建造工藝得到越來越多的運(yùn)用。其中，屋面系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和建造方面也有一定革新，這為大跨度空間鋼管桁架在大跨度鋼結(jié)構(gòu)中的利用提供了依據(jù)。但是，這一建設(shè)過程復(fù)雜且系統(tǒng)化，因此，對其進(jìn)行深入研究對于提高建筑物整體建設(shè)水平極為重要。

1 工程概況

本項(xiàng)目主廠房1 至15 軸交A至E 軸區(qū)域的屋面鋼結(jié)構(gòu)尺寸為143.5 m×45.2 m，其中，主桁架的跨度為45.2 m，高度在3 m 至4.13 m 之間，共有16 榀主桁架，次桁架的跨度在6.912 ～13.897 m 之間，高度也在3 m 至4.13 m 之間，共有70 榀次桁架。主桁架的支座高度為0.85 m，主桁架兩端的支座安裝標(biāo)高為24 m，這些參數(shù)對于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力具有重要意義。主桁架位于1 軸至15 軸每條軸線一榀，次桁架連接在主桁架之間，分別位于A 軸、B 軸、C 軸+3 m、D 軸和E 軸的主桁架之間，這種布局為屋面結(jié)構(gòu)提供了均衡和穩(wěn)定的支撐。由于主桁架的重量較大，采用了履帶吊進(jìn)行吊裝，次桁架、支撐、鋼梁和樓承板等較小的構(gòu)件則采用現(xiàn)場塔吊進(jìn)行吊裝。屋面結(jié)構(gòu)采用130 mm 鋼筋混凝土作為基底，上面覆蓋著樓承板、鋼梁和鋼桁架，形成堅(jiān)固的屋面體系。值得注意的是，1 至8 軸交A至E 軸區(qū)域和1/8 至15 交A 至E 軸區(qū)域具有對稱關(guān)系，有助于施工的規(guī)劃和實(shí)施。

2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架設(shè)計(jì)難點(diǎn)

2.1 主管不等壁厚對接設(shè)計(jì)

由于主管對接面處于大跨、變斷面中，往往存在不等壁厚的對接，為此，在實(shí)踐中往往要對整個(gè)主管對接面進(jìn)行嚴(yán)格的內(nèi)部倒角，并采用折疊板來滿足作為墊片的需求。但是，在工程實(shí)踐中，大部分的內(nèi)坡口零件都存在施工難度大、耗時(shí)長的問題[1]。

按照建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)范，外直徑誤差不得超過3.0 mm/m。在2 個(gè)零件的焊接中，如果其厚度和寬度都不同，且被測物體一面的厚度＞4 mm，應(yīng)從厚和寬2 個(gè)方面，沿1 面或者2 面做成一個(gè)傾斜的斜面，這個(gè)斜面的最大斜度控制參數(shù)是1 : 1.25。

2.2 K形搭接多種構(gòu)造節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

按鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，搭接接頭一般可劃分為完整搭接、局部搭接和縫隙搭接3 種。對于具有多種構(gòu)造形式的接頭，應(yīng)采取合理的措施，并加以有效控制，以防止產(chǎn)生隱性焊縫。通常情況下，在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)布置時(shí)，要對其進(jìn)行嚴(yán)密的控制，將其設(shè)置為不少于0.2 mm、不超過1 mm，而節(jié)點(diǎn)間的搭接長度不少于0.25 mm。因此，在選取接頭時(shí)，要注意采用合適的方法替代縫隙接頭。一般不允許對局部重疊的隱蔽位置進(jìn)行焊縫構(gòu)造，只有在主管與腹桿不均衡系數(shù)超過1.5 mm時(shí)，才能對局部搭接進(jìn)行焊縫構(gòu)造。選取搭接接頭時(shí)，要注意將接頭與搭接件的25%寬度交疊。而對于局部重疊的K 形連接，若其豎向內(nèi)力低于腹板內(nèi)壓的1/5，則不能進(jìn)行焊縫連接[2]。對于一般的K 形連接，一般要對其進(jìn)行嚴(yán)密的控制。如果在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)不等厚板的腹桿，則需要在進(jìn)行焊接時(shí)將其置于厚壁鋼管之上。

2.3 空間管桁架重疊施工設(shè)計(jì)

在進(jìn)行空間管桁架的施工時(shí)，要遵守“先點(diǎn)焊，后整體焊”的基本流程，如果在桁架施工中出現(xiàn)有重疊的節(jié)點(diǎn)，那么施工人員需要對其進(jìn)行具體的操作，將每一個(gè)部件的安裝次序都確定下來，以免將構(gòu)件的安裝順序弄混，影響建筑工程建設(shè)和以后的使用。在進(jìn)行空間管桁架的安裝時(shí)，應(yīng)按照先在主管上安裝分支管，再在各支管之間進(jìn)行焊接的步驟進(jìn)行。

2.4 相貫口補(bǔ)塊設(shè)計(jì)

建設(shè)項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)具有很高的系統(tǒng)性和復(fù)雜度性，在實(shí)際進(jìn)行的時(shí)候，會(huì)有比較多的因素對工程的質(zhì)量產(chǎn)生影響，因?yàn)槿说腻e(cuò)誤和設(shè)備的錯(cuò)誤，會(huì)給整體的設(shè)計(jì)和施工帶來很大的錯(cuò)誤，正是因?yàn)檫@樣的原因，使得相貫口裂縫之中會(huì)出現(xiàn)大裂縫，因此要想減少相貫口裂縫過大的可能性，就必須進(jìn)行查漏補(bǔ)缺。

查漏補(bǔ)缺的具體措施為以下2 個(gè)方面：第1，在與主弦相交的位置，如果間距＞8 mm，則需將其完全更換，并對其周邊的一些結(jié)構(gòu)進(jìn)行切除，在實(shí)際展開切割時(shí)，其形狀應(yīng)該是長橢圓，長度不能＜500 mm，并且更換被切斷的部位，在更換的過程中，要對其進(jìn)行打坡口的焊接。第2，在存在大分支管相貫口縫隙時(shí)，需要對分支管交叉部位進(jìn)行部分部件修補(bǔ)，采用長橢圓形補(bǔ)片，確保其長度不少于300 mm，并采取槽縫焊接方法[3]。

大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架設(shè)計(jì)面臨多個(gè)難點(diǎn)，具體涉及以下幾個(gè)方面：

1）大跨度要求結(jié)構(gòu)具有較高的剛度和穩(wěn)定性。因?yàn)榭臻g管桁架的跨度較大，結(jié)構(gòu)受到的荷載也相應(yīng)增加，所以必須確保結(jié)構(gòu)能夠抵抗這些荷載并保持穩(wěn)定。這需要進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算，充分考慮荷載的類型、大小和分布，以及結(jié)構(gòu)的材料特性和幾何形狀。

2）大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架的設(shè)計(jì)需考慮施工和運(yùn)輸?shù)南拗疲捎诮Y(jié)構(gòu)的尺寸較大，施工和運(yùn)輸過程中可能會(huì)面臨一些限制和挑戰(zhàn)。例如，結(jié)構(gòu)的組裝和拆卸可能需要使用大型起重設(shè)備，而運(yùn)輸過程中需要考慮道路或船舶的限制，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在滿足結(jié)構(gòu)要求的同時(shí)考慮到這些限制，并制訂合適的施工和運(yùn)輸方案。大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架的節(jié)點(diǎn)連接也是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)連接在結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

3）由于空間管桁架的結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性，節(jié)點(diǎn)連接的設(shè)計(jì)需考慮多個(gè)因素，如結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、連接的可行性和可靠性，以及施工和維護(hù)的便利性。設(shè)計(jì)人員需選擇合適的連接方式，并進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度和剛度計(jì)算，以確保節(jié)點(diǎn)連接能夠滿足結(jié)構(gòu)的要求。

4）大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架的防腐和防火措施也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一，由于結(jié)構(gòu)的材料為鋼，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧┓乐逛摳g。

3 大跨度空間桁架鋼結(jié)構(gòu)施工安裝措施

3.1 搭設(shè)建筑工程大跨度鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐

在建設(shè)項(xiàng)目中，針對鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一個(gè)臨時(shí)支架來承受整個(gè)施工中的各類載荷，然后在完成結(jié)構(gòu)的安裝后，再將其卸除，保證整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)可發(fā)揮出應(yīng)有的功能。工作人員按照該建設(shè)項(xiàng)目網(wǎng)殼的構(gòu)造特點(diǎn)，對其進(jìn)行初步的支護(hù)設(shè)計(jì)。建設(shè)項(xiàng)目中，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的形狀比較復(fù)雜，需要在其提升裝置的位置設(shè)置一個(gè)臨時(shí)承載支架，該支架是按照其安裝的高度和承載能力來決定的。

該工程對網(wǎng)架進(jìn)行分區(qū)，并對其下部的民用結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，對其下部的臨時(shí)支撐進(jìn)行加固。臨時(shí)支撐的截面大小按其長度確定，其長約為2.0 m，臨時(shí)支架、橫桿以及斜桿均采用各種規(guī)格的鋼管[4]。臨時(shí)支護(hù)基礎(chǔ)型鋼結(jié)構(gòu)可選用H400 m×200 m×8 m×13 m。為確保臨時(shí)支架的穩(wěn)定，采用鋼筋混凝土和鋼筋混凝土的臨時(shí)支架。在此基礎(chǔ)上，給出鋼筋混凝土的臨時(shí)支架和鋼管的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造（圖1）。

圖1 臨時(shí)支架和鋼管的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造（來源：網(wǎng)絡(luò)）

如圖1 所示，根據(jù)工程實(shí)例，對支架進(jìn)行工作狀態(tài)的編號，并根據(jù)工程實(shí)際情況，對其進(jìn)行相應(yīng)的布置。為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，采用LS_1—LS_6 作為鋼構(gòu)建筑段的臨時(shí)支承，將LS_8 作為鋼架的卸荷段。根據(jù)支架的受力狀態(tài)，對其下部的反力進(jìn)行分析，得出該鋼結(jié)構(gòu)柱和梁的設(shè)計(jì)承載力。考慮到鋼管混凝土框架的重量和下部的反力，該支架的最大位移達(dá)到0.5 mm，而最小的內(nèi)壓比值達(dá)到0.567，小于1。為保證鋼架臨時(shí)支架起到相同的支護(hù)作用，選用壁厚≤16 mm的Q235鋼材，抗拉強(qiáng)度約達(dá)220 MPa。該產(chǎn)品的鋼材主要由壁厚≥16 mm 的Q345 鋼材制成，抗拉強(qiáng)度約在300 MPa。

3.2 吊裝大跨度連廊鋼空間桁架

在支架搭設(shè)完畢后，將其置于高處進(jìn)行吊裝。吊裝過程分為部件分類—地上組裝—提升—高處安裝。將網(wǎng)格組裝為一個(gè)連續(xù)網(wǎng)格，用起重機(jī)將其吊裝至網(wǎng)格的固定部位，以保證網(wǎng)格穩(wěn)定。

在高處進(jìn)行吊裝時(shí)，將工人分成2 組，一組進(jìn)行單體的組裝，另一組進(jìn)行高空吊裝。工作人員將3 條繩索分別系于網(wǎng)格末端的上弦和下弦，3條繩索的長度與支架的高度等長，并且傾斜角小，保證在高處施工時(shí)的安全可靠。本次提升的空間網(wǎng)格總質(zhì)量為12.42 t，其最高處為12.550 m。考慮到空間網(wǎng)格的自重，選擇50 t 全橋式起重機(jī)，主臂長21 m，作業(yè)半徑7 m，總質(zhì)量15.75 t[5]。該起重機(jī)的外部形狀為13300 mm×2750 mm×3670 mm，動(dòng)力/轉(zhuǎn)速為213.3 kW/2200 r/min，可以很好地滿足網(wǎng)格總質(zhì)量提升的需要。空間桁架的安裝計(jì)劃如圖2 所示。

圖2 空間桁架吊裝平面示意圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）

由圖2 可知，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)4 個(gè)不同的吊點(diǎn)，分別為a、b、c、d。在首個(gè)組件的提升過程中，根據(jù)需要，將鋼絲繩系在網(wǎng)格上規(guī)定的位置，作為試驗(yàn)組件。檢查鋼絲繩和卸扣等部件的裝配情況。通過驗(yàn)收之后，用1 根繩子把4 個(gè)吊點(diǎn)綁在一起，并把它提升到規(guī)定的20 ～30 m 的高空。將該區(qū)域的臨時(shí)支架卸除10 min 后，觀測網(wǎng)格的受力變形情況。然后，依據(jù)網(wǎng)格變形情況，適時(shí)增減鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力。

在保證網(wǎng)格結(jié)構(gòu)完整、無變形的前提下，進(jìn)行吊裝試驗(yàn)。在進(jìn)行吊裝試驗(yàn)后，再進(jìn)行實(shí)際吊裝，當(dāng)網(wǎng)架下弦距超出鋼柱中部時(shí)，將鋼柱的鋼索拉緊，使得網(wǎng)架超出鋼柱頂部。為保證網(wǎng)架的安全，在網(wǎng)架吊裝前應(yīng)該先進(jìn)行放繩作業(yè)，并由工作人員對其進(jìn)行監(jiān)控。在網(wǎng)架安裝完畢后，對其進(jìn)行誤差計(jì)算，其容許誤差如表1 所示，其中L為縱、橫向長度，L1 為相鄰支座間距。

表1 網(wǎng)架安裝允許偏差表

網(wǎng)格的縱向和橫向長度、中心位移、支座高度差、支座最大高度差等只有在允許的誤差之內(nèi)，才能保證網(wǎng)格的安全。網(wǎng)架安裝完成后，對各個(gè)支架的應(yīng)力有一定的要求。小拼塊和中拼塊的尺寸誤差符合設(shè)計(jì)要求。在滿足墊板和限位板的安裝和施工條件后，再利用相關(guān)的水準(zhǔn)計(jì)進(jìn)行平面度的測定，以保證網(wǎng)架的安全性和品質(zhì)。

3.3 安裝大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架

為解決網(wǎng)架支架在安裝過程中出現(xiàn)的分離問題，需要采用網(wǎng)架支架與建筑立柱相結(jié)合的方法。當(dāng)鋼柱安裝好后，立刻將鋼柱和鋼柱連接在一起。在胎架上的網(wǎng)架與起重機(jī)纜繩相連，并用牽引繩系緊。在不離開平臺的情況下，吊裝網(wǎng)架，并進(jìn)行設(shè)備的緊固和安全性檢驗(yàn)[6]。

為保證網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力平衡，采用起重機(jī)在網(wǎng)架中部進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，設(shè)置4 個(gè)起吊點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一次空間桁架的吊裝，具體如圖3 所示。

圖3 空間桁架吊點(diǎn)示意圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）

從圖3 可以看出，1 ～4 是網(wǎng)架的起吊點(diǎn)，每個(gè)吊點(diǎn)通過拖索進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。大跨空間網(wǎng)架安裝好以后，將其與鋼柱相連并進(jìn)行緊固。起吊前進(jìn)，操縱網(wǎng)架活動(dòng)。為保證網(wǎng)架的安裝質(zhì)量，必須保證網(wǎng)架的吊裝。懸臂部位剪切應(yīng)力的計(jì)算公式為：

式中：FS為剪切力；FS’為剪切強(qiáng)度。在FS＞FS’的情況下，提升起吊點(diǎn)剛開始剪切力滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不存在懸點(diǎn)斷裂現(xiàn)象。在這種情況下，對網(wǎng)架的穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：

式中：W為網(wǎng)架的穩(wěn)定性；Mx為起重量；φc為吊耳的長度；f為網(wǎng)架的重量。

當(dāng)框架滿足網(wǎng)架的安裝和建造要求后，再進(jìn)行網(wǎng)架的安裝，這時(shí)網(wǎng)架的安裝以及建造已經(jīng)達(dá)到工程的要求。

4 結(jié)語

在現(xiàn)代建筑施工迅速發(fā)展的背景下，大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架得到廣泛使用，極大提高了建筑物的美感和功能。為此，設(shè)計(jì)工作者必須充分認(rèn)識到大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架設(shè)計(jì)的重要意義，從不同厚度的“管桁架”對接、K 形搭接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、空間管桁架施工設(shè)計(jì)、相貫口補(bǔ)塊設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究，為進(jìn)一步提高大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架的使用性能提供科學(xué)依據(jù)。