摘 要 隨著(zhù)建筑技術(shù)的發(fā)展，以及鋼結構自重輕、適合工業(yè)化生產(chǎn)、建造周期快、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，鋼結構越來(lái)越廣泛的應用于各種大型、復雜的建筑結構中，克服了混凝土結構的的局限性，滿(mǎn)足了建筑跨度大、空間大的要求，使建筑和結構更加統一和諧。本文結合海寧市游泳館鋼結構桁架工程，對大跨度空間鋼管桁架的深化設計、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年第十四屆省運會(huì )游泳項目的場(chǎng)館，它位于海寧市體育中心東側，能容納1500名觀(guān)眾同時(shí)觀(guān)看比賽，內有25米短池10個(gè)泳道和50米標準池10個(gè)泳道，建筑面積2.39萬(wàn)平方米。見(jiàn)圖1。
海寧市游泳館屋面采用空間桁架結構（見(jiàn)圖2），主桁架跨度為61.2m，開(kāi)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，支座中心標高為18.130m；材質(zhì)均為Q345B熱軋無(wú)縫鋼管。
2 深化設計
任何鋼結構的制造和安裝都需要有一支素質(zhì)優(yōu)良的技術(shù)人員隊伍。深化設計部門(mén)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(mén)甚至會(huì )對工期產(chǎn)生重大影響。
深化設計的主要任務(wù)是將建筑工程師和結構工程師提出的鋼結構施工圖進(jìn)一步繪制成制作安裝詳圖，工作內容主要包含連接節點(diǎn)深化設計、車(chē)間加工圖、安裝布置圖、零件圖、材料清單、排板圖等內容，具體可能隨項目的要求不同而有所改變。詳圖內必須包含制造所必須的數據和說(shuō)明。設計人員可通過(guò)圖紙、線(xiàn)條、尺寸和注釋等，標明構件的切割、打孔方式、螺栓、焊縫等制造要求。
2.1 桿件詳圖設計
所有桿件均1:1建立計算機三維實(shí)體模型，確定其空間交織情況采用與設備相適應的相貫面切割程序輸入節點(diǎn)編號，主管與支管編號，及其相應的截面型號、幾何特征參數和數量等，形成計算機數據文件供車(chē)間加工制作，并編制相貫口切割后桿件長(cháng)度及相貫口幾何特征值等數據表格，供質(zhì)檢部門(mén)檢驗桿件加工質(zhì)量。
2.2 節點(diǎn)詳圖設計
節點(diǎn)詳圖設計的依據是鋼結構施工圖和現行國家規范；設計的原則是保證結構安全及受力合理前提下，盡量使節點(diǎn)簡(jiǎn)單化、統一化，以方便工廠(chǎng)生產(chǎn)和安裝。
2.2.1 弦桿對接節點(diǎn)
本工程主桁架跨度61.2m，受鋼管長(cháng)度及運輸限制，必需對弦桿進(jìn)行對接。
首先是根據結構整體受力特點(diǎn)并結合現場(chǎng)施工吊裝方案（地面分段拼裝，屋面對接，累積滑移），確定主桁架分段位置，如圖4。
再次是根據避免焊接應力集中和結構受力合理原則，節點(diǎn)做法必需滿(mǎn)足：
(1)直縫焊管對接時(shí)，二者對接的直焊縫應旋轉90度或弧長(cháng)≥300mm，如圖5；
(2)鋼管對接的長(cháng)度≥1000mm且≥鋼管直徑，并且在一個(gè)節間不得多次對接，如圖6；
(3)弦桿對接節點(diǎn)不得設在節點(diǎn)處，與支管相貫焊縫錯開(kāi)100mm以上，如圖7；
(4)對接節點(diǎn)焊縫為一級全熔透焊縫。
本工程均采用無(wú)縫熱軋鋼管，綜合制作及施工考慮，采用如圖8做法：
2.2.2 支座節點(diǎn)
本工程支座均采用上弦支承，做支座節點(diǎn)深化時(shí)必需考慮桿件是否與下部砼結構是否相碰。通過(guò)建立1：1三維實(shí)體模型發(fā)現，設置固定鉸支座R軸支座，腹桿與砼柱相碰。通過(guò)調節腹桿夾角，使腹桿錯開(kāi)砼柱，如圖9。若角度調整較大，需驗算調整后的結構安全性。
支座節點(diǎn)是主要受力節點(diǎn)，還需考慮構件的局部穩定合理設置肋板。本工程支座節點(diǎn)采用焊接球形勢，直徑為550mm，壁厚25mm。在球內設25mm厚肋板，板的方向桁架跨度方向一致，更好的滿(mǎn)足結構的傳力途徑。焊接球節點(diǎn)做法及桿件與焊接球連接參考了《網(wǎng)架結構設計與施工規程》，詳圖如圖10。
2.3 桁架預拱設計
根據規范規定，并結合施工經(jīng)驗，本工程主桁架跨度61.2m，需要預起拱。
2.3.1 預拱值的確定
預拱值的確定一般有兩類(lèi)：a.施工圖明確注明的起拱值要求；b.當施工圖無(wú)明確要求時(shí)，參照規范確定起拱值。無(wú)論何種情況，預拱后其桿件變形都應控制在彈性范圍內。
本工程施工圖無(wú)明確要求起拱值，根據規范確定其起拱值，取恒載標準值加1/2活載標準值所產(chǎn)生的擾度值。計算所得起拱值為132mm。
2.3.2 預拱對桿件長(cháng)度的影響
假定桁架桿件長(cháng)度為L(cháng)0，預拱后桿件長(cháng)度改變值為ΔL，由此可得，預拱后的桿件長(cháng)度L= L0±ΔL。
上述中已明確預拱后其桿件變形都應控制在彈性范圍內，因此，ΔL=бL0/E，式中б/E=fy/E=310/206x105≈0,由此可得L= L0。
這說(shuō)明在深化設計中可不考慮預起拱對桿件長(cháng)度的影響。
3 加工制作
由于鋼結構所有鋼構件均在工廠(chǎng)加工成形，因此工廠(chǎng)內構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。本工程根據深化設計提供的三維切割下料計算機數據文件，采用北京林克曼三維數控管相貫線(xiàn)切割機切割下料，其下料切割和剖口由計算機控制一次完成，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控彎管機加工。該弧形為無(wú)幾何半徑的自由曲線(xiàn)，采用壓彎成現（圖12）。壓彎時(shí)應充分考慮鋼材的屬性――變型與反變形，反變形也稱(chēng)為“反彈量”，它直接影響桿件的幾何尺寸、安裝精度和內應力。因此，壓彎時(shí)必需根據加工經(jīng)驗和實(shí)測數據適當加大彎曲曲率，稱(chēng)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)應保證臺架的側向剛度，防止側向變形。
彎曲后的桿件不應有明顯凹痕、缺口以及幾何尺寸、形狀位置不符合要求。
4 桁架安裝
根據現場(chǎng)的施工情況，游泳館內泳池施工不允許搭設腳手架和大型施工機械進(jìn)入，而桁架屋面標高處的砼上人屋面已經(jīng)完工，并且桁架為上弦支承，結合桁架本身結構特點(diǎn)，采用地面拼裝、分段吊裝、屋面對接、整榀翻轉、累積滑移的施工方案，充分的利用了砼樓面作為施工平臺、桁架的自重作為翻轉動(dòng)力、桁架支座與下弦桿的高度差作為翻轉落差，節約了施工費用、縮短了施工工期。
4.1 桁架的拼裝
本工程采用地面拼裝。首先是在地面根據桁架幾何尺寸和預拱要求搭設拼裝胎架。胎架的搭設不僅要滿(mǎn)足精度要求并且應保證足夠的剛度，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、鋼尺等工具復核各節點(diǎn)定位尺寸，確認無(wú)誤后施焊。
4.2 桁架的整榀對接翻轉
桁架在地面拼裝完成后，分斷吊裝至砼樓面搭設的翻轉支架上；此時(shí)，桁架是水平放置在支架上，并在支架上對接成整榀桁架，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；然后將桁架和翻轉支架整體滑移到事先安裝支架轉動(dòng)軸的翻轉位置，位置根據桁架重心確定，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65度就位，如圖16。
4.3 桁架的累積滑移
在第一榀桁架翻轉就位后，將其滑移到第二個(gè)軸線(xiàn)處，再翻轉第二榀桁架，然后吊裝次桁架拼接，再將起整體滑移，依次重復，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，對桁架結構在滑移過(guò)程中產(chǎn)生的應力越小。在結構自重一定的前提下，本工程通過(guò)減小摩擦系數的方式來(lái)達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(chē)，如圖18，極大的減小了摩擦力。
另外，滑移軌道的安裝應保證其精度，保證所有軌道在同一直線(xiàn)上，保證軌道在同一標高上。
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(guò)程中產(chǎn)生應力。先進(jìn)行500mm的試滑行，用全站儀檢測桁架幾何尺寸和定位尺寸，若發(fā)現有誤差時(shí)應及時(shí)調整。在滑移的過(guò)程中，應全程監測滑移是否同步，同步精度應控制在10mm以?xún)?，做到及時(shí)發(fā)現、及時(shí)調整。當局部桁架滑移倒位后，應及時(shí)安裝次桁架，保證結構整體穩定性。
4.4 現場(chǎng)焊接工藝
根據現場(chǎng)焊接工作量大、施工面廣的特點(diǎn)，采用了CO2氣體保護半自動(dòng)焊和手工焊相結合的焊接方法。焊接材料按下表選擇：
現場(chǎng)焊接工作量最大的是桁架相貫節點(diǎn)的焊接。鋼管相貫時(shí)，支管端部的相貫線(xiàn)焊縫位置沿支管周邊分為A（趾部）、B（側面）和C（根部）三個(gè)區域，如圖19所示，相貫焊縫按以下原則處理：
（1）當支管壁厚≤6mm時(shí)，采用全周角焊縫；
（2）當支管壁厚>6mm時(shí)，所夾銳角≥75°時(shí)，采用全周帶坡口的全熔透焊縫；
（3）當支管壁厚>6mm時(shí)，所夾銳角<75°時(shí)，A、B區采用帶坡口全熔透焊縫，C區采用帶坡口部分熔透焊縫（θ<35°時(shí)，可采用角焊縫），各區相接處坡口及焊縫應圓滑過(guò)渡；
（4）對全熔透和部分熔透焊縫，其焊縫高度>1.07t,且<1.2t；對角焊縫，焊角尺寸為1.5t，t為支管壁厚
5 結語(yǔ)
大跨度鋼結構空間桁架的制作和安裝的環(huán)節非常多，本文主要介紹了結構從深化設計、加工制作到現場(chǎng)安裝過(guò)程中的一些重要環(huán)節，并分析了這些環(huán)節中的控制因素和方法等。
參 考 文 獻
[1]
鋼結構設計規范 GB50017－2003，北京：中國計劃出版社，2003
[2] 鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規范 GB50205－2001，北京：中國計劃出版社，2002
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[4] 空間網(wǎng)格結構技術(shù)規程 JGJ7－2010，中國建筑工業(yè)出版社，2010
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鋼結構設計手冊（上、下），北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004
[6] 陳紹蕃. 鋼結構設計原理，第二版，北京：科學(xué)出版社，1998
[7] 李和華. 鋼結構連接節點(diǎn)設計手冊，北京：中國建筑工業(yè)出版社，1992
作者簡(jiǎn)介：張可（1980-），浙江中南建設集團鋼結構有限公司設計院工程師，主要從事鋼結構設計與深化。
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