周海鋒
(中冶建工集團(tuán)有限公司,重慶400032)
大型體育場館的建設(shè)日漸增多,其屋面體系大多為鋼結(jié)構(gòu),其自重輕、跨度大,能滿足結(jié)構(gòu)及功能性需要。鋼結(jié)構(gòu)屋面造型復(fù)雜,導(dǎo)致構(gòu)件異型、弧形桿件及復(fù)雜節(jié)點增多,懸臂桁架多采用地面拼裝成型,然后大型起重設(shè)備分榀吊裝,高空連接成整體的施工方法,地面拼裝質(zhì)量將影響到整個鋼結(jié)構(gòu)施工安全和質(zhì)量[1]。通過地面拼裝施工技術(shù)總結(jié)創(chuàng)新,可用于指導(dǎo)同類型或相似桁架地面拼裝,彌補(bǔ)相關(guān)技術(shù)資料空缺。
體育場位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾牙克石市,主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),屋面為鋼管桁架結(jié)構(gòu),地上2層,局部3層。占地面積14 376.67m2,總建筑24 995.8m2,總座椅數(shù)16 995個(乙級體育場),設(shè)計使用年限50年,抗震設(shè)防烈度7度。主體結(jié)構(gòu)最大長度240m,最大寬度190m,檐口高度33.227m。
屋面鋼管桁架結(jié)構(gòu),主桁架24榀(見圖1),東西側(cè)對稱布置各12榀,環(huán)桁架4道,沿整個屋蓋呈不規(guī)則橢圓形布置(見圖2);主桁架為倒“7”字形安裝,截面呈倒三角形(見圖3),每榀桁架設(shè)置2個支座分別在A、C軸線,支座中心距3m,主桁架有 6 種不同規(guī)格,質(zhì)量 27~56t,懸挑長度 23~33m,倒“7”字高14~20m;鋼結(jié)構(gòu)罩棚質(zhì)量約1600t;主桁架桿件規(guī)格:上弦桿φ76mm×(3.8~425)mm×30mm;下弦桿及腹桿φ76mm×(3.8~480)mm×35mm;焊接空心球支座半徑R為425~500mm。
圖1 屋蓋整體示意圖
圖2 屋蓋立面示意圖
圖3 主桁架立面示意圖
本工程的特點及拼裝難點如下:
1)主桁架規(guī)格多,桿件長度、直徑、傾斜角度不一(見圖3),對地面拼裝放樣、拼裝精度控制等帶來挑戰(zhàn);
2)節(jié)點復(fù)雜,焊接質(zhì)量控制難度大。主桁架腹桿較多,軸線均相交與一點,導(dǎo)致此處焊縫相交及存在窄間距焊接,其焊接困難,設(shè)計一級全熔透焊縫質(zhì)量不易保證;
3)截面形式復(fù)雜、桿件變徑,轉(zhuǎn)折等,需要對桿件分段劃分,方案需仔細(xì)策劃,以減少拼裝焊接量和提高組拼工效;
4)工期緊張,拼裝胎架多套,重復(fù)利用率低,需多次改造使用,倒“7”字形地面臥拼,其形式復(fù)雜,對胎架制作精度及可調(diào)整性要求高。
整體流程:場地處理→測量放線→胎架焊接拼裝→桿件吊裝組拼焊接→技術(shù)復(fù)核→焊縫探傷→補(bǔ)漆→轉(zhuǎn)場安裝。
場地處理:選址→承載力復(fù)核→地基處理→混凝土硬化→切縫→養(yǎng)護(hù)。
胎架焊接拼裝:測量放線→底梁定位→拉梁焊接→立柱焊接→斜撐加固→三角托焊接→技術(shù)復(fù)核。
桿件吊裝組拼焊接:上弦左側(cè)主弦桿吊裝→上弦右側(cè)主弦桿吊裝→下弦桿吊裝→調(diào)整定位→上弦聯(lián)系桿吊裝定位→腹桿吊裝定位→技術(shù)復(fù)核→分段焊接→驗收。
說明:桿件在工廠下料、彎弧、相貫線切割、噴漆等,質(zhì)量合格,打包運至拼裝現(xiàn)場。
拼裝場地處理應(yīng)考慮因素:主桁架及胎架自重荷載,其通常進(jìn)行地面硬化后能滿足要求,也可進(jìn)行簡單核算;重點應(yīng)考慮拼裝吊機(jī)行走路線和停車點荷載,本工程主桁架地面拼裝后,采用SCC4000(400t)履帶吊轉(zhuǎn)場吊裝,因此,考慮吊裝荷載時地面承載能力為主;拼裝場地及桿件堆放地應(yīng)進(jìn)行墊高,便于排水。
履帶吊行走線路路基承載力簡化計算包括2方面:
1)通過查詢設(shè)備參數(shù),獲得吊機(jī)在基本臂和標(biāo)準(zhǔn)配重下的履帶平均接地比壓力P1,通過靜力計算獲得吊機(jī)負(fù)重狀態(tài)下履帶反力(取較大值),從而計算壓應(yīng)力P2。P1+P2<fak(地基承載力特征值)。
2)簡化靜力計算模型,如圖4所示。查詢設(shè)備參數(shù)表和分析吊裝工況,通過靜力計算模型得到履帶最大反力R,從而得到壓應(yīng)力P,P<fak。
本工程拼裝場地通過粉土壓實后鋪200mm厚碎石,C25硬化150mm厚;吊裝路線粉土換填500mm厚毛坯石,鋪150mm厚級配礫石整平層,并壓實,履帶吊行走時隨鋪15mm厚鋼板。
圖4 簡化靜力計算模型
主桁架拆分成若干桿件運至現(xiàn)場拼裝焊接,其拆分合理性涉及運輸、拼裝效率、焊接量等,因此,應(yīng)詳細(xì)策劃。“7”字主桁架拆分:直管長度不超過拖掛車廂,超過時分段;彎管、變徑節(jié)、腹桿、聯(lián)系桿單獨成段,折線處在轉(zhuǎn)折點分段。分段處應(yīng)避開密集施焊節(jié)點。如有復(fù)雜節(jié)點(鑄鋼節(jié)點),節(jié)點應(yīng)單獨制造。
主桁架胎架3套,完成同類型構(gòu)件拼裝后改造,胎架的設(shè)計應(yīng)考慮承載力、剛度和穩(wěn)定性要求,通過計算確定(見圖5)。立柱間距應(yīng)當(dāng)考慮桿件形式及長度、焊縫位置、構(gòu)件變形及穩(wěn)定、胎架整體加固等因素。胎架采用全站儀定位放樣,確保尺寸準(zhǔn)確。胎架及主桁架采用Xsteel Tekla整體建模,轉(zhuǎn)換成CAD模型圖,進(jìn)行坐標(biāo)定位放樣。
根據(jù)放樣位置,先安裝底梁并焊接拉梁固定,再焊接立柱和斜支撐;胎架高度最低處應(yīng)能滿足全位置焊接所需高度;三角托高度應(yīng)根據(jù)標(biāo)高嚴(yán)格控制,并焊接限位立柱;上弦桿焊接平臺應(yīng)能確保焊接可操作性,確保其合理寬度和高度。拼裝胎架組裝后應(yīng)進(jìn)行技術(shù)復(fù)核,驗收合格后使用。
圖5 胎架設(shè)計示意圖
用25t汽車吊將主桁架地面一次拼裝成型(見圖6)?,F(xiàn)場架立胎架,將主桁架弦桿依次吊裝至胎架上并臨時固定,調(diào)整復(fù)核后臨時焊接固定,吊裝腹桿和聯(lián)系桿并與主弦桿臨時固定,在分段焊接主弦桿和對應(yīng)的腹桿。
焊接采用新技術(shù)(免清根焊接技術(shù)、免開破口熔透焊技術(shù)、窄間隙焊接技術(shù)),確保焊接質(zhì)量。焊前進(jìn)行工藝評定,桁架焊接應(yīng)先焊接主構(gòu)件再焊接次構(gòu)件;對稱結(jié)構(gòu)焊接必須對稱施焊,應(yīng)連續(xù)施焊避免多次熄弧引弧;先焊接焊縫長且填充量大的焊縫。為減少桁架主弦桿焊接過程中的焊接變形,應(yīng)分段同步焊接腹桿和聯(lián)系桿形成約束體系,或設(shè)置臨時支撐和焊縫約束板(固定在焊縫兩側(cè))。部分圓管可采用地面對接焊接成型后胎架拼裝,以減少仰焊。
圖6 主桁架拼裝
質(zhì)量檢測包括:拼裝尺寸、焊接質(zhì)量、防腐涂裝等,拼裝質(zhì)量通過現(xiàn)場檢尺并與深化設(shè)計圖紙對比,偏差在允許范圍內(nèi);焊縫設(shè)計采用一級焊縫,全焊透,所有焊縫均進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查合格后超聲波探傷,均達(dá)到驗收及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
鋼管焊接控制要點:坡口組對時應(yīng)避免破口間隙過小和錯邊量,應(yīng)考慮焊接收縮余量(通過試驗焊接確定,經(jīng)驗參考值為弦桿每段放焊接收縮余量3~5mm,對腹桿等桿件放焊接收縮余量2mm);在施焊部位搭設(shè)防風(fēng)棚;墊板應(yīng)與坡口緊貼;坡口清理干凈不得留有雜質(zhì)和污染物;焊前預(yù)熱和焊后保溫時間及溫度應(yīng)滿足要求;打底焊采用小電流將焊縫根部熔透,填充焊電流大于打底焊,避免出現(xiàn)焊瘤等缺陷,并嚴(yán)格控制層間溫度,層間清理應(yīng)徹底[2]。
由于結(jié)構(gòu)的特殊性,“7”字形鋼管主桁架構(gòu)造復(fù)雜,臥拼難度大,通過現(xiàn)場優(yōu)化及創(chuàng)新,總結(jié)了場地處理方式、拼裝胎架設(shè)計思路、桁架拆分及組拼質(zhì)量控制等方法,確保了拼裝進(jìn)度和質(zhì)量,具有一定的應(yīng)用借鑒價值。由于本工程體量有限,對于更大型的類似結(jié)構(gòu),可參考以上思路解決實際問題。