大跨度空间管桁架结构施工技术.docx

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大跨度空间管桁架结构施工技术

大

跨

度

空

间

管

桁

架

结

构

施

工

技

术

作者：

左钊上海五冶

1概述

1.1空间结构概述

大跨度空间管桁架结构有着优美的空间形体，这一类结构受力合理、刚度大、重量轻、杆件单一，外形美观。

近年来在我国各省市体育场馆、会展中心等公共建筑中得到广泛的应用，如上海洋山港南北闸桥项目、南通体育场、南京新火车站等都是典型的大跨度空间管桁架结构体系。

这里以洋山港南北闸桥项目为例，对其加工及安装技术展开研究及探索。

1.2项目概况

洋山深水港南北闸桥工程位于上海市洋山港，其主要作用为洋山深水港口“中国海关”检查桥，同时也作为进入洋山岛标志性构筑物，主拱结构为大跨度空间管桁架钢结构，分为南、北两座闸桥。

2工程特点

2.1工程特点

本工程结构形式复杂多变，两条主桁架呈圆弧形,不断向外延伸,同时还在朝内侧靠拢,十条次桁架支撑在主拱中间;主拱跨度大，达到237.5米,高度达到23.5米;外形美观,正面看起来像似一道道彩虹,从侧面看，像似两只飞翔的海鸥，展翅在东海之滨，要达到以上效果，故对线形的控制非常的重要，稍有偏差就会影响到线形的流畅程度，影响造型的美观。

3施工难点

3.1施工难点

本工程施工难点主要在于主拱结构中主桁架以及次桁架的制作和安装。

制作难点在于主桁架结构的弧形度，不仅控制好单弦的弧度，而且同时控制好三根弦整体的弧度，本工程主要材料为小口径钢管，管管相贯，焊接量非常大，而且壁薄焊接容易变形，故焊接收缩也是一个难点。

安装难点主要在对于主桁架安装定位，主桁架方位在（x,y,z）三个轴线上变换，所以给现场施工带来一定的难度，如何对于主桁架的三维变换是这个工程施工一大难点，而且还要保证整体线形的流畅。

3.2模型

以下为建筑模型图：

南北闸桥工程主拱结构建筑模型图

4施工过程

4.1主拱结构的制作：

4.1.1加工工艺

主桁架呈圆弧形状，由三根弦杆和多根腹杆组成，三条弦杆为无缝钢管，管径φ203*8；腹杆为焊管，管径φ89*5。

其结构立面形式为圆弧形，断面形式为倒三角形状（见附图）。

圆心半径R=305872mm,圆心角45.26度，圆弧长243686mm。

经过与设计、甲方单位多次讨论，且考虑到制作、组装、运输等多方面因素单根主桁架分为21段，3种规格形式。

HJ-11段上弦长11715.7mm下弦长9293.6mm

HJ-218段上弦长11715.7mm下弦长11617.0mm

HJ-32段上弦长10544.2mm下弦长11617.0mm

主桁架的断面形式为倒三角形，下图为1-1、2-2断面图：

次桁架也是钢管桁架结构，截面呈倒三角形式，每根杆件长2m左右，共由两种规格管径组成，弦杆为无缝钢管，腹杆为焊管。

其中最长一段为47.608m，最短为39.303m，在工厂加工时其每一根次桁架分成了三段制作，运到现场，在现场组拼好后按常规起拱。

本工程质量要求非常严格；线形，外表美观也很是重要；而且存在多管相贯，技术要求很高，故主拱结构的钢管的下料全部选用数控等离子相贯线切割机，此切割机六轴连动，等离子切割，由电脑控制切割机的切割速度，各种角度变换。

故构件的下料达到了设计制作技术方面精度上的要求，而且形成了所要求的坡口。

下料完后，主弦杆与腹杆组装好，然后在预先制作好的胎架上进行起拱，起拱高度h根据圆心半径、每段弧长计算得出。

4.1.2焊接工艺

钢管桁架结构的线条要求流畅，形体优美；钢管的连接主要采用焊接，焊接质量的保证是此钢管结构重要控制。

我们主要从焊接节点构造，焊接工艺和无损检测技术方面进行控制。

本工程管桁架钢管的规格多样：

最大的为钢管立柱Ф450*10，最小的为装饰桁架腹杆Ф42*3mm，且管壁普遍较薄，所以焊接变形较大，且对焊接的掌握要求较高，否则很容易出现焊穿管壁的情况。

钢管连接形式有如下几种：

T形、Y形、K形、T-Y形、T-K形复合形及X形节点

主管与支管的连接呈T、Y、K或复合形相贯节点形式，支管端部为马鞍形曲线。

此类圆管相贯接头分为4个区，即趾部、两侧部、根区部。

相贯形节点的焊缝可分为全溶透焊、部分溶透焊和角焊缝3类，根据设计承载要求不同而不同。

而由于管壁厚度的不同及支管与主管之间不同的夹角，能够采用的焊接形式和焊缝的高度也有所不同。

如对应不同的管壁有的需要在支管马鞍形曲线处切割出一定的坡口角度才能焊透。

而本工程支管的壁厚都较小不用切割出坡口角度也能焊透；如支管与主管之间的夹角小于30º时，根部区难于施焊，必须在夹角底部填焊至一定宽度后才可正常施焊，其焊缝有效值必须取样检验进行焊接工艺评定加以验证。

4.1.3拼接组装

由于主桁架分为多段制作安装，故钢管的对接非常的多，对于线形圆滑度的影响很大，所以钢管对接我们采用以下3种形式，对应不同的要求和材料特性。

桁架的组装在组装胎架上进行单榀桁架的焊接，在桁架组装时必须按照先焊中间节点，再向桁架两端节点扩展的焊接顺序，以免由于焊缝收缩向一端累计而引起的桁架各节点间尺寸误差。

并且不得在同一支管的两端同时施焊。

焊缝尺寸应符合设计要求的计算厚度或焊缝大小，但也要避免过多的堆焊加高而产生较大的焊接残余应力。

焊缝坡口的根部间隙大于标准规定值（1.5mm）时，可以按超标间隙值增加焊缝尺寸。

但间隙大于5 mm时应事先采用堆焊和打磨方法修整支管端头或在接口处主管表面堆焊焊道，以减少焊缝间隙。

本工程管桁架的管径较小，Y、K形节点中支管之间间隙也较小，焊接空间较狭窄，各节点各焊缝应采用先用3~4点定位焊后，在采取对称焊接法完成。

焊接方法一般采用低氢型焊条手工电弧焊，焊接参数可按下表选取。

焊条直径（mm）

焊接电流

平焊

横焊

立焊

仰焊

Ф3.2

120~140

100~130

85~120

90~120

Ф4

160~180

150~170

140~170

140~170

Ф5

190~240

170~220

注：

此表仅供参考，实际制作时以焊接实验为准。

管—管桁架结构中包含大量T、Y、K、X形节点。

焊工施焊时焊接位置包含平、横、立、仰全位置施焊，并针对支管与主管间的不同角度有不同的焊接要求。

由于本工程钢管结构规格较统一，为提高工程质量和减少工期。

在初期根据基本桁架形式制作了标准胎架。

4.2主拱结构的安装

4.2.1吊装的准备工作

主拱结构安装精度要求很高，每一段桁架都要精确计算出交点的三维坐标x、y、z，以X、Y、Z三个方向来定位控制，安装过程中不能出现±3mm的误差，超差就会影响线型流畅，故在主拱结构的吊装前作了大量的准备工作

a）复核每一段主拱制作的精度

主要是检查主拱各弦杆的尺寸长度、起拱度、以及焊缝质量外观。

胎架、路基箱的准备

现场地处海边，土质比较疏松，容易下沉。

故在搭设胎架时，在胎架下面铺设了路基箱，以防止胎架在固定好后下沉，影响安装质量。

b）根据电脑放样计算得出胎架的定位坐标（x、y、z）

胎架的定位计算尤为重要，技术人员在安装前做了大量的计算，计算得出每根桁架三条弦杆端点的三维坐标，主拱安装时主要控制点就在每一段主拱三个弦杆的端点，据端点x、y、z三轴来控制。

附：

主拱胎架定位x,y方向平面图

主拱胎架定位y,z方向平面图

c）胎架定位安装以及胎架上格构架

胎架安装定位是很关键的一步，其在主拱的精确安装起了很重要的作用。

其一，对主拱还未完全固定时起了支撑作用；其二，胎架上格构架对主拱安装起了定位作用。

在胎架安装好后，主桁架三个弦杆端头放在胎架上的格构架上，故胎架在安装时，对其进行了严格的定位控制。

应用水准仪、精纬仪现场测量。

胎架安装好后，根据计算后采用浪风绳和角钢支撑将胎架固定好。

调整好胎架顶部标高。

如下图所示：

4.2.2吊机的选用以及吊装顺序

主拱的安装主桁架采用两台50吨履带吊车吊装（同级别吊车按下述性能选配），主杆选用31m，作业半径控制在8米，主钩额定吊重为15.05吨，桁架长度在运输条件许可为前提的情况下尽可能做到最长，重量不能超过15吨，由南北分别在各列间行走向中间进行依次安装，主桁架直接运到安装位置，进行堆放，桁架间的次桁架采用25吨汽车吊进行吊装。

钢丝绳：

6*37+1Ø39，每根周长控制在6~8米，采用对绳吊装。

吊装时吊机站在两主拱主桁架之间，从两端向中间顺序吊装；先安装主桁架，再安装次桁架。

吊机行走路线和吊装顺序见下图：

主桁架应用两台吊机一边两头向中间吊装，顺序依次向前，在中间处合拢，一边合拢后吊装另一边，同样在中间处合拢；次桁架等主桁架吊装完毕，且固定好后再吊装，顺序分别从两头向中间合拢。

4.2.3吊装方法

a）每段主桁架的吊装，采用四点起吊，吊装到安装位置后，将主桁架前端三点放到定好位的胎架上，后端采用连接板与前一段主桁架三点搭接、进行初步固定。

主桁架安装到位，调整好位置和标高、接口处理、点焊强度稳固后松钩开始下一步吊装。

b）次桁架的吊装，首先在主桁架上次桁架的安装点划好安装位置和设置连接板。

次桁架在地面组对成整体后，用25吨履带吊二台进行吊装，从两头向中间处靠拢。

吊装到位后首先应对好安装位置、找好标高、用点焊进行固定。

在次桁架下方设置支架对桁架进行支撑，待接点调整好，支架支撑好后，松钩进行下一组次桁架的吊装。

附：

1.主拱吊装立面图2.次桁架吊装立面图3.支撑胎架临时支撑立面图

5总结

5.1结束语

洋山深水港南北闸桥工程主拱结构施工技术，成功运用空间三维施工技术建造了又一座大跨度管桁架空间结构。

科学的施工其保证了主拱线型的连贯、曲线流畅。

南北闸桥项目的建成，使空间大跨度钢管桁架结构魅力得到充分展现，并呈现给人们一定的钢结构空间美学形体的视觉效果。

5.2参考文献

【1】董石麟,赵阳,周岱.我国空间钢结构发展中的新技术新结构.土木工程学报,1998（6）

【2】刘锡良.现代空间结构的新发展.现代土木工程的新发展,南京:

东南大学出版社,1998