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异形管桁架钢屋盖大跨度施工技术
摘要：钢管桁架是现代大跨度空间常见的结构形式之一，具有施工难度高、危险性大、现场安装技术要求高等特点。本文以山东济宁学院综合体育馆钢桁架屋盖项目工程为例，对其施工方案设计、施工模拟验算等进行了分析研究，并总结了管桁架结构施工技术要点，如卸荷顺序、桁架结构应力复核、变形验算与观测、安全与质量控制措施等，可为类似异形管桁架安装工程提供参考。
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1、工程概况
济宁学院附属高级中学新校区综合楼体育馆建设项目，位于山东省济宁市高新区。建筑平面尺寸为56m×33.2m，檐口高度12.0m。结构采取空间管桁架结构体系，支撑为上弦支撑形式。主桁架主材钢管材质均采用Q345B，其中最小管件规格为φ75.5×3.75，最大规格构件采用φ245×12。主桁架上弦采用次桁架连接，并布置H型钢保证其上弦整体性。该项目整体效果图及异形桁架三维空间轴侧图见图1。
图1综合楼体育馆钢桁架屋盖项目概况图
2、施工规划及特点
该单体主体结构施工阶段，提前做好钢桁架支座预埋件的预留。主体完成后先进行地下室外墙施工，随后再回填作业。待主体结构混凝土养护达到设计要求强度后再进行钢桁架屋盖结构施工。钢构件成品、半成品堆放位于综合楼体育馆北侧，便于现场施工，减少了钢构件二次倒运。综合体育馆钢结构施工特点如下：
(1）钢桁架跨度较大，且结构形式独特，需要制定专门的施工方案，保证各道工序协调有序进行。
(2）结构双向找坡，主桁架、次桁架标高控制精度要求高，给现场安装带来了较大难度。
(3）钢桁架安装阶段支座内力较大，给支座节点施工带来了难度；单榀桁架吊装施工过程，跨中变形较大，应采取有效的控制措施。
3、施工方案设计
为解决综合楼体育馆钢桁架屋盖施工过程支座反力大、变形大、精度控制要求高等问题，通过屋盖结构模型受力分析设置临时支撑胎架，保证现场施工的顺利进行。
3.1施工工艺流程
综合体育馆钢桁架屋盖施工从一端开始向另一端逐榀安装。次桁架要求与主桁架同步安装，保证主桁架平面外稳定性。支座完成安装后方可摘除吊钩，临时支撑布置与拆除过程应全过程监控关键部位应力、变形状态。
桁架安装工艺流程：布置第一榀支撑胎架，安装第一榀钢桁架，布置第二榀支撑胎架，安装第二榀钢桁架，……，安装第六榀钢桁架。
临时支撑胎架卸荷流程：拆除第六榀钢桁架，拆除第五榀钢桁架，……，拆除第一榀钢桁架。
3.2受力分析
正常使用阶段传力途径：金属屋面荷载，主次檩条，钢桁架，桁架支座，下部结构。
施工阶段传力途径：施工荷载及钢桁架自重，主桁架，临时支撑胎架及桁架支座，临时支撑及混凝土柱。
通过上述正常使用阶段和施工阶段的传力途径分析可以看出，施工阶段临时支撑承担了传力作用，施工过程中应监控临时支撑胎架卸荷来保证结构体系的强度、稳定性，保证其安全转换受力状态[1]。
3.3临时支撑胎架
本工程选用的临时支撑架体，布置于主桁架跨中位置，减小支座内力的同时，减小了跨中变形量。临时支撑架体由Q235、L125×8角钢组合拼装而成，架体平面尺寸为1.5m（宽）×1.5m（长）×1.5m（高）标准节（见图2）。
图2组合式临时支承体系
3.4施工过程模拟验算
3.4.1技术条件
钢桁架模型采用设计单位提供的计算模型进行施工模拟计算；临时支撑时，仅提供竖向支撑力；钢桁架与混凝土柱铰接连接；结构模型考虑自重工况；施工阶段取钢桁架自重的5%作为施工荷载，并考虑局部上人集中荷载的影响；施工荷载按照设计要求的合拢荷载安装，保证卸载阶段温度在合拢温度范围以内[2]。
3.4.2主桁架吊装验算
主桁架吊装过程选用Midas Gen进行杆件复核验算，并考虑吊装动力系数1.3，对构件强度、稳定性进行验算。经模型验算，结构吊装过程构件最大变形控制在1.97mm，满足规范要求；吊装过程构件应力为12.5MPa，满足规范设计强度要求；构件稳定性计算，应力比为0.06，满足规范要求[3]。
3.4.3临时支撑胎架验算
根据施工过程设置临时支撑胎架并进行整体计算，可得到其支座反力、最大应力、最大变形，计算结果见图3和表1。
图3杆管桁架安装流程图
表1结构安装过程支撑及桁架应力 下
根据表1统计，各施工阶段临时支撑胎架支座反力最大值为第4步，最大支座反力大小为84.0k N，本工程所使用的支架最大承载力为500k N，满足施工需求；各施工过程应力最大值为24.3MPa，满足钢结构标准Q345设计强度305MPa要求；位移最大为1.6mm，远小于L/200，满足钢结构设计标准附录B挠度允许值的要求。
3.4.4主桁架卸载验算
根据卸荷方案布置，对各卸荷步骤进行应力、变形验算复核，整个过程应力变化幅值控制在35MPa以内，变形量变化在10mm以内，其中最大变形量及应力变化出现在最后一步，结果见图4、图5及表2。
根据表2统计各阶段卸荷施工，应力最大值为55.2MPa，满足钢结构标准Q345设计强度305MPa的要求；位移最大值为11.6mm，小于L/200，满足钢结构设计标准附录B挠度允许值的要求。
4、施工过程控制要点
4.1临时支撑卸载条件
(1）按照焊接工艺评定结果进行焊接作业，保证焊接质量全部验收合格后方可卸荷施工[4,5]。
(2）钢结构焊接应全面检测，经过三方检测并出具合格检测报告后方可卸荷施工。
图4临时支撑卸载过程应力云图
图5临时支撑卸载过程位移变化
表2临时支撑卸载过程桁架变化
(3）对钢桁架标高、垂直度、轴线定位等进行复核，满足要求后方可卸荷施工。
(4）安装及卸荷过程均要求在经纬仪、全站仪进行坐标测量，准确无误后方可卸荷。
4.2卸载措施
(1）支撑胎架上部设置卸载装置，完成施工后可通过调节装置实现卸荷作业，保证施工安全。
(2）卸载作业应提前对人员进行作业培训，并进行模拟训练，达到要求后方可进场卸载施工。
(3）卸载应分步、分阶段进行，提前做好卸载位置标定，达到制定位置时应立即停止。
(4）卸载作业地面控制和高空巡视的管理人员、测量技术人员配备高音喇叭，随时进行信息传递。
(5）现场卸载作业应由专业人员统一指挥，并做好全过程变形、应力检测，并做好过程记录。
4.3变形观测
钢桁架屋盖测量应包括开始吊装到卸载完成全过程，对设计要求的观测点进行全过程观测[6]。
4.3.1平面测控
根据设计图纸及坐标，对各榀桁架轴线进行放线，并使用墨斗完成预埋件、临时支撑胎架地面投影的定位。
4.3.2标高控制
通过水准仪对现场测控点进行引测，并复核钢桁架安装标高是否准确无误；通过全站仪对各桁架及其临时支撑控制点进行标高观测，保证其精度。
4.3.3垂直度测量
通过全站仪进行主桁架垂直度观测。并使用墨斗对其投影弹线和挂铅锤进行垂直度复测，保证垂直度符合要求。
5、结语
通过设置临时支撑胎架和分步卸荷的方式，顺利完成了济宁学院附属高级中学综合体育馆—异形管桁架钢屋盖结构施工，整个施工过程钢桁架屋盖变形、应力观测无任何异常，并顺利通过了验收。该项目施工技术总结如下：
(1）单榀钢管桁架平面柔度较大，容易发生失稳，施工过程通过设置缆风绳、次桁架同步施工等措施，保证了单榀桁架安装的顺利进行。
(2）基于Midas Gen有限元对异形钢管桁架施工各步骤进行数值模拟，能够及时掌握钢桁架变形较大、应力变化较大部位，便于发现薄弱部位，并采取控制措施。
(3）施工数值模拟和现场施工存在一定的差异，应在有限元数值模拟的同时，进行现场测量监控，保障钢桁架施工顺利进行。
参考文献:
[1]陈海峰,刘晓伟,吴先杰,等大跨度空间管桁架分区连续累计卸载施工技术[J]施工技术,2017.46(15):34-37,53.
[2]建筑结构荷载规范: GB 50009-2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.
[3]钢结构设计标准: GB 50017-2017[S].北京:中国建筑工业出版社,2017.
[4]钢结构工程施工质量验收标准: GB 50205-2020[S].北京:中国计划出版社, 2020.
[5]钢结构焊接规范: GB 50661-2011[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.
[6]工程测量标准: GB 50026-2020[S]北京:中国计划出版社,2020.
文章来源:邓城林,文星,刘震华等.基于大跨度异形管桁架钢屋盖施工技术[J].安装,2023(08):70-72.
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2023-08-05
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