摘 要 隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，以及鋼結(jié)構(gòu)自重輕、適合工業(yè)化生產(chǎn)、建造周期快、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)越來越廣泛的應(yīng)用于各種大型、復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)中，克服了混凝土結(jié)構(gòu)的的局限性，滿足了建筑跨度大、空間大的要求，使建筑和結(jié)構(gòu)更加統(tǒng)一和諧。本文結(jié)合海寧市游泳館鋼結(jié)構(gòu)桁架工程，對(duì)大跨度空間鋼管桁架的深化設(shè)計(jì)、制作及安裝進(jìn)行了分析與介紹。
1 工程概況
海寧市游泳館是嘉興市承辦2010年第十四屆省運(yùn)會(huì)游泳項(xiàng)目的場館，它位于海寧市體育中心東側(cè)，能容納1500名觀眾同時(shí)觀看比賽，內(nèi)有25米短池10個(gè)泳道和50米標(biāo)準(zhǔn)池10個(gè)泳道，建筑面積2.39萬平方米。見圖1。
海寧市游泳館屋面采用空間桁架結(jié)構(gòu)（見圖2），主桁架跨度為61.2m，開間為7.5m，采用倒三角桁架，上弦為兩根Φ273mm×14mm，下弦為一根Φ325mm×14mm，縱向布置4道次桁架，R軸采用固定鉸支座，C軸、5軸和22軸采用彈性滑動(dòng)支座，均為上弦支承，支座中心標(biāo)高為18.130m；材質(zhì)均為Q345B熱軋無縫鋼管。
2 深化設(shè)計(jì)
任何鋼結(jié)構(gòu)的制造和安裝都需要有一支素質(zhì)優(yōu)良的技術(shù)人員隊(duì)伍。深化設(shè)計(jì)部門是其中的核心。詳圖的質(zhì)量將直接影響到制造、采購、質(zhì)檢等部門甚至?xí)?duì)工期產(chǎn)生重大影響。
深化設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是將建筑工程師和結(jié)構(gòu)工程師提出的鋼結(jié)構(gòu)施工圖進(jìn)一步繪制成制作安裝詳圖，工作內(nèi)容主要包含連接節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)、車間加工圖、安裝布置圖、零件圖、材料清單、排板圖等內(nèi)容，具體可能隨項(xiàng)目的要求不同而有所改變。詳圖內(nèi)必須包含制造所必須的數(shù)據(jù)和說明。設(shè)計(jì)人員可通過圖紙、線條、尺寸和注釋等，標(biāo)明構(gòu)件的切割、打孔方式、螺栓、焊縫等制造要求。
2.1 桿件詳圖設(shè)計(jì)
所有桿件均1:1建立計(jì)算機(jī)三維實(shí)體模型，確定其空間交織情況采用與設(shè)備相適應(yīng)的相貫面切割程序輸入節(jié)點(diǎn)編號(hào)，主管與支管編號(hào)，及其相應(yīng)的截面型號(hào)、幾何特征參數(shù)和數(shù)量等，形成計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)文件供車間加工制作，并編制相貫口切割后桿件長度及相貫口幾何特征值等數(shù)據(jù)表格，供質(zhì)檢部門檢驗(yàn)桿件加工質(zhì)量。
2.2 節(jié)點(diǎn)詳圖設(shè)計(jì)
節(jié)點(diǎn)詳圖設(shè)計(jì)的依據(jù)是鋼結(jié)構(gòu)施工圖和現(xiàn)行國家規(guī)范；設(shè)計(jì)的原則是保證結(jié)構(gòu)安全及受力合理前提下，盡量使節(jié)點(diǎn)簡單化、統(tǒng)一化，以方便工廠生產(chǎn)和安裝。
2.2.1 弦桿對(duì)接節(jié)點(diǎn)
本工程主桁架跨度61.2m，受鋼管長度及運(yùn)輸限制，必需對(duì)弦桿進(jìn)行對(duì)接。
首先是根據(jù)結(jié)構(gòu)整體受力特點(diǎn)并結(jié)合現(xiàn)場施工吊裝方案（地面分段拼裝，屋面對(duì)接，累積滑移），確定主桁架分段位置，如圖4。
再次是根據(jù)避免焊接應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)受力合理原則，節(jié)點(diǎn)做法必需滿足：
(1)直縫焊管對(duì)接時(shí)，二者對(duì)接的直焊縫應(yīng)旋轉(zhuǎn)90度或弧長≥300mm，如圖5；
(2)鋼管對(duì)接的長度≥1000mm且≥鋼管直徑，并且在一個(gè)節(jié)間不得多次對(duì)接，如圖6；
(3)弦桿對(duì)接節(jié)點(diǎn)不得設(shè)在節(jié)點(diǎn)處，與支管相貫焊縫錯(cuò)開100mm以上，如圖7；
(4)對(duì)接節(jié)點(diǎn)焊縫為一級(jí)全熔透焊縫。
本工程均采用無縫熱軋鋼管，綜合制作及施工考慮，采用如圖8做法：
2.2.2 支座節(jié)點(diǎn)
本工程支座均采用上弦支承，做支座節(jié)點(diǎn)深化時(shí)必需考慮桿件是否與下部砼結(jié)構(gòu)是否相碰。通過建立1：1三維實(shí)體模型發(fā)現(xiàn)，設(shè)置固定鉸支座R軸支座，腹桿與砼柱相碰。通過調(diào)節(jié)腹桿夾角，使腹桿錯(cuò)開砼柱，如圖9。若角度調(diào)整較大，需驗(yàn)算調(diào)整后的結(jié)構(gòu)安全性。
支座節(jié)點(diǎn)是主要受力節(jié)點(diǎn)，還需考慮構(gòu)件的局部穩(wěn)定合理設(shè)置肋板。本工程支座節(jié)點(diǎn)采用焊接球形勢(shì)，直徑為550mm，壁厚25mm。在球內(nèi)設(shè)25mm厚肋板，板的方向桁架跨度方向一致，更好的滿足結(jié)構(gòu)的傳力途徑。焊接球節(jié)點(diǎn)做法及桿件與焊接球連接參考了《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》，詳圖如圖10。
2.3 桁架預(yù)拱設(shè)計(jì)
根據(jù)規(guī)范規(guī)定，并結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，本工程主桁架跨度61.2m，需要預(yù)起拱。
2.3.1 預(yù)拱值的確定
預(yù)拱值的確定一般有兩類：a.施工圖明確注明的起拱值要求；b.當(dāng)施工圖無明確要求時(shí)，參照規(guī)范確定起拱值。無論何種情況，預(yù)拱后其桿件變形都應(yīng)控制在彈性范圍內(nèi)。
本工程施工圖無明確要求起拱值，根據(jù)規(guī)范確定其起拱值，取恒載標(biāo)準(zhǔn)值加1/2活載標(biāo)準(zhǔn)值所產(chǎn)生的擾度值。計(jì)算所得起拱值為132mm。
2.3.2 預(yù)拱對(duì)桿件長度的影響
假定桁架桿件長度為L0，預(yù)拱后桿件長度改變值為ΔL，由此可得，預(yù)拱后的桿件長度L= L0±ΔL。
上述中已明確預(yù)拱后其桿件變形都應(yīng)控制在彈性范圍內(nèi)，因此，ΔL=бL0/E，式中б/E=fy/E=310/206x105≈0,由此可得L= L0。
這說明在深化設(shè)計(jì)中可不考慮預(yù)起拱對(duì)桿件長度的影響。
3 加工制作
由于鋼結(jié)構(gòu)所有鋼構(gòu)件均在工廠加工成形，因此工廠內(nèi)構(gòu)件加工工藝決定了整個(gè)工程的質(zhì)量。本工程主要質(zhì)量控制為桁架桿件的加工控制和弦桿彎曲加工控制。工藝流程如圖11。
3.1桁架桿件加工
桁架桿件相貫口切割精度與否，直接影響工程的質(zhì)量。本工程根據(jù)深化設(shè)計(jì)提供的三維切割下料計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)文件，采用北京林克曼三維數(shù)控管相貫線切割機(jī)切割下料，其下料切割和剖口由計(jì)算機(jī)控制一次完成，精度誤差不大于1mm，很好的控制了桿件加工精度。
3.2 弦桿彎曲加工
主桁架下弦端部為弧形管，桿件在相貫面切割好后采用冷彎數(shù)控彎管機(jī)加工。該弧形為無幾何半徑的自由曲線，采用壓彎成現(xiàn)（圖12）。壓彎時(shí)應(yīng)充分考慮鋼材的屬性――變型與反變形，反變形也稱為“反彈量”，它直接影響桿件的幾何尺寸、安裝精度和內(nèi)應(yīng)力。因此，壓彎時(shí)必需根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)適當(dāng)加大彎曲曲率，稱之為“超彎曲”；并保證一定的壓彎時(shí)效，保證彎曲精度。鋼管壓彎時(shí)應(yīng)保證臺(tái)架的側(cè)向剛度，防止側(cè)向變形。
彎曲后的桿件不應(yīng)有明顯凹痕、缺口以及幾何尺寸、形狀位置不符合要求。
4 桁架安裝
根據(jù)現(xiàn)場的施工情況，游泳館內(nèi)泳池施工不允許搭設(shè)腳手架和大型施工機(jī)械進(jìn)入，而桁架屋面標(biāo)高處的砼上人屋面已經(jīng)完工，并且桁架為上弦支承，結(jié)合桁架本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用地面拼裝、分段吊裝、屋面對(duì)接、整榀翻轉(zhuǎn)、累積滑移的施工方案，充分的利用了砼樓面作為施工平臺(tái)、桁架的自重作為翻轉(zhuǎn)動(dòng)力、桁架支座與下弦桿的高度差作為翻轉(zhuǎn)落差，節(jié)約了施工費(fèi)用、縮短了施工工期。
4.1 桁架的拼裝
本工程采用地面拼裝。首先是在地面根據(jù)桁架幾何尺寸和預(yù)拱要求搭設(shè)拼裝胎架。胎架的搭設(shè)不僅要滿足精度要求并且應(yīng)保證足夠的剛度，防止桁架在拼接時(shí)產(chǎn)生變形。
桁架桿件在胎架上拼裝時(shí)要實(shí)時(shí)檢測(cè)拼裝的尺寸精度，在所有桿件點(diǎn)焊就位后，用全站儀、鋼尺等工具復(fù)核各節(jié)點(diǎn)定位尺寸，確認(rèn)無誤后施焊。
4.2 桁架的整榀對(duì)接翻轉(zhuǎn)
桁架在地面拼裝完成后，分?jǐn)嗟跹b至砼樓面搭設(shè)的翻轉(zhuǎn)支架上；此時(shí)，桁架是水平放置在支架上，并在支架上對(duì)接成整榀桁架，如圖14，并同時(shí)在支架上安裝防止桁架滑動(dòng)和移位的卡扣件；然后將桁架和翻轉(zhuǎn)支架整體滑移到事先安裝支架轉(zhuǎn)動(dòng)軸的翻轉(zhuǎn)位置，位置根據(jù)桁架重心確定，使重心位于樓面邊界處，并同時(shí)桁架上弦和翻轉(zhuǎn)支架上安裝滑輪葫蘆與砼梁拉緊，整榀桁架在次桁架位置均安裝滑輪組，如圖15；各滑輪組同時(shí)同步釋放，使桁架在自重作用下翻轉(zhuǎn)65度就位，如圖16。
4.3 桁架的累積滑移
在第一榀桁架翻轉(zhuǎn)就位后，將其滑移到第二個(gè)軸線處，再翻轉(zhuǎn)第二榀桁架，然后吊裝次桁架拼接，再將起整體滑移，依次重復(fù)，直至全部桁架安裝完畢。
4.3.1 滑軌的安裝
桁架在滑移時(shí)不可避免的與滑軌產(chǎn)生摩擦力，摩擦力的大小直接決定滑移牽引力的大??；牽引力越小，滑移越容易，對(duì)桁架結(jié)構(gòu)在滑移過程中產(chǎn)生的應(yīng)力越小。在結(jié)構(gòu)自重一定的前提下，本工程通過減小摩擦系數(shù)的方式來達(dá)到摩擦力減小的目的，在桁架支座下安裝引軌道滑動(dòng)平板滑輪小車，如圖18，極大的減小了摩擦力。
另外，滑移軌道的安裝應(yīng)保證其精度，保證所有軌道在同一直線上，保證軌道在同一標(biāo)高上。
4.3.2 桁架的滑移
桁架的滑移必需保證同步進(jìn)行，防止桁架在滑移過程中產(chǎn)生應(yīng)力。先進(jìn)行500mm的試滑行，用全站儀檢測(cè)桁架幾何尺寸和定位尺寸，若發(fā)現(xiàn)有誤差時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整。在滑移的過程中，應(yīng)全程監(jiān)測(cè)滑移是否同步，同步精度應(yīng)控制在10mm以內(nèi)，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)調(diào)整。當(dāng)局部桁架滑移倒位后，應(yīng)及時(shí)安裝次桁架，保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。
4.4 現(xiàn)場焊接工藝
根據(jù)現(xiàn)場焊接工作量大、施工面廣的特點(diǎn)，采用了CO2氣體保護(hù)半自動(dòng)焊和手工焊相結(jié)合的焊接方法。焊接材料按下表選擇：
現(xiàn)場焊接工作量最大的是桁架相貫節(jié)點(diǎn)的焊接。鋼管相貫時(shí)，支管端部的相貫線焊縫位置沿支管周邊分為A（趾部）、B（側(cè)面）和C（根部）三個(gè)區(qū)域，如圖19所示，相貫焊縫按以下原則處理：
（1）當(dāng)支管壁厚≤6mm時(shí)，采用全周角焊縫；
（2）當(dāng)支管壁厚>6mm時(shí)，所夾銳角≥75°時(shí)，采用全周帶坡口的全熔透焊縫；
（3）當(dāng)支管壁厚>6mm時(shí)，所夾銳角<75°時(shí)，A、B區(qū)采用帶坡口全熔透焊縫，C區(qū)采用帶坡口部分熔透焊縫（θ<35°時(shí)，可采用角焊縫），各區(qū)相接處坡口及焊縫應(yīng)圓滑過渡；
（4）對(duì)全熔透和部分熔透焊縫，其焊縫高度>1.07t,且<1.2t；對(duì)角焊縫，焊角尺寸為1.5t，t為支管壁厚
5 結(jié)語
大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間桁架的制作和安裝的環(huán)節(jié)非常多，本文主要介紹了結(jié)構(gòu)從深化設(shè)計(jì)、加工制作到現(xiàn)場安裝過程中的一些重要環(huán)節(jié)，并分析了這些環(huán)節(jié)中的控制因素和方法等。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50017－2003，北京：中國計(jì)劃出版社，2003
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[3] 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程 JGJ7－99，中國建筑工業(yè)出版社，1991
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[5]
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上、下），北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004
[6] 陳紹蕃. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，第二版，北京：科學(xué)出版社，1998
[7] 李和華. 鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)，北京：中國建筑工業(yè)出版社，1992
作者簡介：張可（1980-），浙江中南建設(shè)集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司設(shè)計(jì)院工程師，主要從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與深化。
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