摘 要 隨著建筑技術的發(fā)展，以及鋼結構自重輕、適合工業(yè)化生產、建造周期快、綠色環(huán)保等優(yōu)點，鋼結構越來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，滿足了建筑跨度大、空間大的要求，使建筑和結構更加統(tǒng)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年第十四屆省運會游泳項目的場館，它位于海寧市體育中心東側，能容納1500名觀眾同時觀看比賽，內有25米短池10個泳道和50米標準池10個泳道，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構（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軸采用彈性滑動支座，均為上弦支承，支座中心標高為18.130m；材質均為Q345B熱軋無縫鋼管。
2 深化設計
任何鋼結構的制造和安裝都需要有一支素質優(yōu)良的技術人員隊伍。深化設計部門是其中的核心。詳圖的質量將直接影響到制造、采購、質檢等部門甚至會對工期產生重大影響。
深化設計的主要任務是將建筑工程師和結構工程師提出的鋼結構施工圖進一步繪制成制作安裝詳圖，工作內容主要包含連接節(jié)點深化設計、車間加工圖、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明。設計人員可通過圖紙、線條、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(jié)點編號，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據表格，供質檢部門檢驗桿件加工質量。
2.2 節(jié)點詳圖設計
節(jié)點詳圖設計的依據是鋼結構施工圖和現(xiàn)行國家規(guī)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(jié)點簡單化、統(tǒng)一化，以方便工廠生產和安裝。
2.2.1 弦桿對接節(jié)點
本工程主桁架跨度61.2m，受鋼管長度及運輸限制，必需對弦桿進行對接。
首先是根據結構整體受力特點并結合現(xiàn)場施工吊裝方案（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(jié)點做法必需滿足：
(1)直縫焊管對接時，二者對接的直焊縫應旋轉90度或弧長≥300mm，如圖5；
(2)鋼管對接的長度≥1000mm且≥鋼管直徑，并且在一個節(jié)間不得多次對接，如圖6；
(3)弦桿對接節(jié)點不得設在節(jié)點處，與支管相貫焊縫錯開100mm以上，如圖7；
(4)對接節(jié)點焊縫為一級全熔透焊縫。
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
本工程支座均采用上弦支承，做支座節(jié)點深化時必需考慮桿件是否與下部砼結構是否相碰。通過建立1：1三維實體模型發(fā)現(xiàn)，設置固定鉸支座R軸支座，腹桿與砼柱相碰。通過調節(jié)腹桿夾角，使腹桿錯開砼柱，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(jié)點是主要受力節(jié)點，還需考慮構件的局部穩(wěn)定合理設置肋板。本工程支座節(jié)點采用焊接球形勢，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，更好的滿足結構的傳力途徑。焊接球節(jié)點做法及桿件與焊接球連接參考了《網架結構設計與施工規(guī)程》，詳圖如圖10。
2.3 桁架預拱設計
根據規(guī)范規(guī)定，并結合施工經驗，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：a.施工圖明確注明的起拱值要求；b.當施工圖無明確要求時，參照規(guī)范確定起拱值。無論何種情況，預拱后其桿件變形都應控制在彈性范圍內。
本工程施工圖無明確要求起拱值，根據規(guī)范確定其起拱值，取恒載標準值加1/2活載標準值所產生的擾度值。計算所得起拱值為132mm。
2.3.2 預拱對桿件長度的影響
假定桁架桿件長度為L0，預拱后桿件長度改變值為ΔL，由此可得，預拱后的桿件長度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。
這說明在深化設計中可不考慮預起拱對桿件長度的影響。
3 加工制作
由于鋼結構所有鋼構件均在工廠加工成形，因此工廠內構件加工工藝決定了整個工程的質量。本工程主要質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。該弧形為無幾何半徑的自由曲線，采用壓彎成現(xiàn)（圖12）。壓彎時應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、安裝精度和內應力。因此，壓彎時必需根據加工經驗和實測數據適當加大彎曲曲率，稱之為“超彎曲”；并保證一定的壓彎時效，保證彎曲精度。鋼管壓彎時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(xiàn)場的施工情況，游泳館內泳池施工不允許搭設腳手架和大型施工機械進入，而桁架屋面標高處的砼上人屋面已經完工，并且桁架為上弦支承，結合桁架本身結構特點，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力、桁架支座與下弦桿的高度差作為翻轉落差，節(jié)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足精度要求并且應保證足夠的剛度，防止桁架在拼接時產生變形。
桁架桿件在胎架上拼裝時要實時檢測拼裝的尺寸精度，在所有桿件點焊就位后，用全站儀、鋼尺等工具復核各節(jié)點定位尺寸，確認無誤后施焊。
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，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，并同時在支架上安裝防止桁架滑動和移位的卡扣件；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，將其滑移到第二個軸線處，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
桁架在滑移時不可避免的與滑軌產生摩擦力，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程中產生的應力越小。在結構自重一定的前提下，本工程通過減小摩擦系數的方式來達到摩擦力減小的目的，在桁架支座下安裝引軌道滑動平板滑輪小車，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，保證軌道在同一標高上。
4.3.2 桁架的滑移
桁架的滑移必需保證同步進行，防止桁架在滑移過程中產生應力。先進行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(xiàn)有誤差時應及時調整。在滑移的過程中，應全程監(jiān)測滑移是否同步，同步精度應控制在10mm以內，做到及時發(fā)現(xiàn)、及時調整。當局部桁架滑移倒位后，應及時安裝次桁架，保證結構整體穩(wěn)定性。
4.4 現(xiàn)場焊接工藝
根據現(xiàn)場焊接工作量大、施工面廣的特點，采用了CO2氣體保護半自動焊和手工焊相結合的焊接方法。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)點的焊接。鋼管相貫時，支管端部的相貫線焊縫位置沿支管周邊分為A（趾部）、B（側面）和C（根部）三個區(qū)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，采用全周角焊縫；
（2）當支管壁厚>6mm時，所夾銳角≥75°時，采用全周帶坡口的全熔透焊縫；
（3）當支管壁厚>6mm時，所夾銳角<75°時，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，可采用角焊縫），各區(qū)相接處坡口及焊縫應圓滑過渡；
（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
大跨度鋼結構空間桁架的制作和安裝的環(huán)節(jié)非常多，本文主要介紹了結構從深化設計、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
[1]
鋼結構設計規(guī)范 GB50017－2003，北京：中國計劃出版社，2003
[2] 鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范 GB50205－2001，北京：中國計劃出版社，2002
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[5]
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：科學出版社，1998
[7] 李和華. 鋼結構連接節(jié)點設計手冊，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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