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创新工艺!大跨度多榀不等跨钢结构悬挑桁架整体吊装施工技术

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工程概况


1.1、工程简况


本工程为扎兰屯职业学院PPP项目,位于内蒙古自治区扎兰屯市。用地南侧紧邻绿林街,东侧紧邻秀水路,建筑规模:校园外总建筑面积:98945.12㎡.其中地上建筑面积:98095.85㎡,地下建筑建筑:849.27㎡,校区建设包括校园内和校园外,校园内包括:医学护理系,农业工程系,畜牧兽医系,信息工程系经济管理系,教育科学系,公共教学楼,校园外包括:综合实训楼,图书馆,动力中心,体育馆,5000人看台,5个学生宿舍,2个食堂。


其中,体育场总建筑面积为7965.60㎡,地上室外单层看台,内设局部三层夹层,建筑高度为14.100m。下部结构为钢筋混凝土框架结构,上部为立体桁架结构,建筑的设计使用年限为50年。体育场总座席数为5000席,包括126个贵宾席。


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图1     体育场整体效果图


1.2.设计概况


扎兰屯职业学院工程体育场设计悬挑钢结构桁架,平面长度179.6m,最大悬挑跨度为35m,主桁架25榀,次桁架96榀。拱桁架主要为三角形立体桁架,桁架宽度2.0m,跨中厚度约2.964m。由于是扇形,桁架间距由6.529m—10.429m不等,桁架标高由12.497m—24.216m不等。钢结构设计檐口高度:16.466m—24.216m。最大悬挑长度34m。钢结构用量:281.5166T。


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图2    体育场平面图


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施工重难点分析


2.1.钢管相贯线切割


采用空间管桁架结构,桁架弦杆与腹杆之间大量采用相贯口连接,相贯口加工精确度直接影响到构件拼装精度和焊接质量,因此相贯口切割是本工程加工的一大重点。


2.2.现场拼装工作量大、精度高


主桁架宽2m,高最大约3m,需要在现场进行拼装、焊接,拼装工作量极大;钢结构屋盖造型新颖、优美,拼装精度控制难度很高。


2.3.焊接质量要求高


主桁架为整个屋盖的屋盖承重体系,同时,节点部位多管相贯,焊缝密集,部分焊缝重合,其焊接质量将关系到整个结构的安全功能。


2.4.高空作业安全难度大


由于施工人员在高空进行拼装作业,在施工及行走过程中存在安全带无悬挂点,给施工安全带来较大的难度。


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施工方法


通过计算模拟分析确定悬挑桁架部位,并在单元桁架端部设置临时支撑架,用H型钢、角钢等辅助材料制作桁架整体拼装的胎架,临时支撑架采用井字格构式,中间间隔2m,地面铺设钢板,临时支撑架立于钢板上。单个截面为2m×2m,步高3m,立杆采用φ140×4mm钢管,腹杆采用L50×4mm角钢。防止单个桁架出现挠度。


为减少构件的二次倒运及现场的实际条件,第一次拼装胎架设置P轴内。根据本工程特点及上述主桁架的特点,桁架分段最大重量12.456T。利用平拼式拼装法进行拼装,控制好桁架整体的挠度及拼装精度。整体悬挑结构安装焊接完成后,采用两台80T汽车吊吊装,先安装中轴线21轴,再安装21-H1轴/21-H14轴。


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图3    体育场桁架安装顺序图


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工艺流程


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图4    体育场工艺流程图


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操作要点


(1)成品构件要有质量合格证,并按规定进行规格、尺寸以及外观等项目检查验收。对于超差或变形的构件应进行修理和矫正。


(2)每个单独的临时支撑胎架中部设4道缆风绳,缆风绳采用φ12钢丝绳。底部固定在支座或附近的地锚上。


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图5    体育场安装设计图


(3)桁架的吊装吊点选择在桁架上弦,每个吊次选择至少4个吊点,吊点选择在上弦节点处,在吊装时,吊钩保证在吊装构件质心正上方,采取钢丝绳捆绑式吊装,在体育场外及体育场内各站一台吊车,进行双机抬吊。


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图6    体育场吊车布置平面图


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图7    体育场现场施工图


(4)本工程相贯节点钢管支数最多达7个,在深化设计过程中严格按照管径、壁厚、杆件的拉压作用等条件进行管件相贯顺序排序、编号。施工过程中严格按照深化图纸进行施工。


(5)对于挠度的测量,可以通过水准仪和塔尺对管桁架下弦的四等分点的标高测量来检查其挠度情况。本工程平面控制网分,共设置5个控制点,分别为K1--K5:


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图8    体育场监测点位布置图


(6)管桁架的卸载施工方案采用整体同步卸载,遵循同步等距的施工原则。同时将要卸载千斤顶往下调5mm。调整后进行监测变形等技术参数,无特殊变化后再重复操作。直至支撑点完全受力。按照临时支撑设计图纸对支撑的构件进行检查,如有变形、弯曲的构件进行更换或者补强,需要加强的部位进行加强(如千斤顶受力部分),以保证卸载过程中的整体结构安全。


(7)为了确保结构卸载后达到预期的下降量,必须对整个结构在卸载过程中的变形采用全站仪进行监测。在卸载过程中要时刻监测,随时控制各控制点的变形情况,监测钢结构在卸载过程中是否有与计算结果有较大偏差的出现。


(8)钢结构高空作业与底部装修作业分开进行,避免地面操作人员在高空作业的正下方停留或通过。合理预留交叉间距,时刻保证安全作业。设置明显的作业警戒标志,施工区域严禁他人入内,并做好相应应急处理措施。


(9)针对钢结构高空作业施工,由于施工人员在行走过程中存在安全带无悬挂点,在顶板处南北方向的次梁位置设置安全绳,底部桁架确定行走路线及安装安全爬梯,并设置安全绳提供施工人员行走及上下班使用。以确保施工人员行走安全。


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图9    体育场屋顶安全绳布置图


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质量控制


(1)桁架结构各部位节点、杆件、连接件的规格、品种及焊接材料必须符合设计要求。


(2)安装、焊接按照杆件管径、壁厚、拉压作用等条件,按照“先主后次,先大后小,先拉后压,先安装再焊接,先趾部再根部,由里往外,分段焊接,对称施焊”的原则进行排序施工。避免隐蔽焊缝不能焊接及减少焊接变形和残余应力对质量的影响。施工顺序如下图示意:施工顺序:1(杆件)→2(杆件)→3(杆件)→4(杆件)


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图10    体育场杆件节点施工顺序图


(3)钢结构焊缝内部缺陷检查一般采用超声波探伤,对本工程,凡要求全熔透的焊缝全部进行超声波探伤。对碳素结构钢可在焊缝冷却到环境温度时检测;对低合金高强度结构钢应在完成24小时后进行检测。当板厚超过40mm时,应在48h后或更长的时间进行检测。


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图11    体育场杆件连接焊缝检测图


(4)钢桁架焊接完成后,所有焊缝必须进行外观检查,并做出记录。杆件之间的对接焊缝,必须作无损探伤检验。焊缝质量标准必须符合钢结构工程施工及验收规范标准。


(5)钢桁架安装后,吊装前在拆卸临时支架时应注意同步,逐步地拆卸,防止应力集中,使钢桁架产生局部变形或使局部单元格变形。


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图12   体育场桁架端部支撑图


(6)钢桁架安装应注意支座的受力情况,所以钢桁架支座的施工应严格按照设计要求和产品说明进行。支座垫板、限位板等应按规定顺序,方法安装。


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图13    体育场支座节点施工图


(7)钢桁架结构总拼完后及屋面施工完后应分别测量其挠度值;所测的挠度值,不得超过相应设计值的15%。


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图14    体育场现场测量图


(8)钢结构在安装、卸载施工过程中,选取观测点位置并使用全站仪进行全程观测,并记录;每个安装(卸载)均设置观测点,施工过程中全程监控卸载位移变化值,确保卸载过程的安全可靠,卸载完成后满足设计要求,监控点布置如下:


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图15    体育场现场观测点布置图


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效益分析


(1)通过应用该技术的施工工艺和监控技术,使大悬挑异形重钢桁架能够安全的进行施工,施工过程中桁架能保持稳定状态,质量也得到保证,并且成型后能满足设计要求,其观感效果好,相比常规的满堂支撑和卸载方式总造价节约了20万元。


(2)施工中结合施工现场实际情况,在立体交叉施工作业多,作业面有限的情况下利用整体拼装法增加了地面拼装工作量,减少高空散件拼装量,降低了施工危险性。有效的缩短了施工工期,保证了本工程的按时交付使用。


(3)该技术的施工工艺和监控技术为复杂性逐步上升的钢桁架施工提供了一体化和精细化的施工分析与控制结合技术,即在钢桁架的施工中引入了同步的应力和变形监控,根据监测的结果,随时反馈结构安装情况,形成一个施工监控循环阶段,最后顺利建成并达到设计要求。


(4)通过该技术对钢结构施工过程中受力变形等非线性问题的监控研究和实践提供了依据,体现了我国钢结构信息化施工技术的跨越式发展,取得了显著的经济效益和社会效益。


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图16    体育场竣工后效果图


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结束语


本工程采用汽车吊对焊接完成的主桁架进行整体吊装,吊装前合理布置汽车吊点位,端部拉压杆及支座连接牢固,保证整体桁架单元的稳定性。确保结构安装安全及受力状态符合设计要求。


通过理论计算并结合施工现场的实际情况,选用科学、合理的施工方案,确保安全、高效的完成了本工程大跨度多品不等跨桁架的安装施工,达到了低成本、高效率的目的,为今后类似体育场悬挑钢结构桁架结构的施工提供了宝贵的经验,具有一定的参考价值和指导作用。


(责任编辑:何雯丽)