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大跨度钢桁架施工关键技术与质量管控研究

2025-07-20 84 上传者：管理员

摘要：研究围绕某项目中的超大跨度钢桁架结构施工展开，系统梳理了其设计理念与施工技术。结构形式创新性地将管桁架体系与框架-核心筒复合体系相结合，并采用双钢板混凝土核心筒提高整体抗侧刚度。在施工前阶段，基于有限元分析优化桁架预起拱参数，并提出“两侧分段吊装+中段整体提升”的合龙施工方案。通过BIM数字孪生与智能在线监测系统的深度应用，实现了合龙过程几何偏差及残余应力的毫米级可控，为类似超限大跨度钢结构工程提供了可复制的实施路径。

关键词：
大跨度钢桁架
框架-核心筒复合体系
质量管控
预起拱技术
高层建筑
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近年来,钢结构施工技术凭借其轻质高强､工厂化预制与现场快速安装等优势,在工业厂房､桥梁､大跨度公共建筑及高层建筑中得到广泛应用[1]｡钢材本身具有强度高､塑性和韧性好的特点,构件可在工厂车间中精确切割､焊接､喷丸及防腐处理,现场只需进行装配,显著缩短了施工周期并提高了工程质量｡同时,钢结构自重轻､易于运输和吊装,不仅降低了地基及下部结构的荷载,还有效节约了造价并减少了碳排放,契合绿色建筑与可持续发展的理念[2]｡

然而,大跨度钢结构施工依然面临诸多挑战｡其一,跨度体量巨大､重载集中,对施工设备､支撑体系及精度控制提出了极高要求;稍有不慎便可能在吊装或定位过程中导致构件摆动或偏移,从而影响整体几何精度和受力状况[3]｡其二,桁架与网架结构在拼装合龙处易产生残余应力与应力集中,若缺乏预应力､预起拱及合理合龙顺序等措施,容易埋下变形和疲劳破坏的隐患｡其三,海边及复杂场地中的耐腐､防火､隔音等附加性能需求,也对构件材料及构造做法提出了更高要求｡

本文以某项目Ⅱ区为研究对象,对大跨度钢结构的设计特色与施工关键技术展开深入探讨,重点在施工前通过有限元优化完成结构预起拱设计,结合严格的质量与安全管控措施,以及高效的装配工艺,提出了一套系统的施工前优化与现场实施策略,为同类超限大跨结构工程提供了可借鉴的技术路径｡

1、项目概况

某项目由Ⅰ区､Ⅱ区Ⅲ区三部分组成,其中,Ⅰ区和Ⅲ区为地上4层､地下1层的裙房建筑,总高19.45m,因层高适中且无超限结构,采用钢筋混凝土框架体系｡

Ⅱ区则为高层主楼,地上11层､地下1层,总高46.5m｡其核心筒主体结构为10层,第11层为设备层,两侧分别设有1号塔楼和2号塔楼｡第4层布置了一跨53.4m､宽51.5m的重载转运桁架,上部支撑6层钢结构,总自重荷载超过1.5万t;第6层以上两层结构形成一致的双层悬臂,最大悬挑宽度达8.25m｡

为消除各区之间因高度差异和建筑纵深过长带来的不均匀沉降与扭转风险,项目在Ⅰ区､Ⅱ区与Ⅲ区交界处设置了变形接头｡一方面,该接头可使各区独立沉降,避免互相影响;另一方面,可有效抑制整体结构的纵向扭转,提升使用安全性和结构性能｡

2、结构设计特色

某项目Ⅱ区具有三大核心技术:其一,管桁架体系在力学与装配间寻求平衡,通过高强螺栓+现场补焊与有限元优化相结合,使节点承载力提升15%､疲劳寿命延长;其二,框架-核心筒复合体系巧妙融合外围钢框架和中置双钢板混凝土剪力墙,相较传统结构抗侧刚度提升约30%,既节材又增加室内净高;其三,预起拱与合龙顺序采用“分段预拱-两侧吊装-中段整体提升”策略,结合实时监测,确保合龙精度达毫米级,从源头上消除挠度､变形与残余应力隐患｡

2.1管桁架体系与节点配置

主桁架采用三角受力管桁架体系,弦杆与腹杆通过高强螺栓连接,节点区辅以现场补焊,兼顾装配效率与力学性能｡设计阶段利用有限元模拟优化节点构造,降低应力集中,提升节点承载力15%｡为适应海边高湿､高盐的环境腐蚀,节点板选用耐候铸钢件,并经盐雾及疲劳试验验证,大幅增强了抗疲劳性能和长期耐久性｡

2.2框架-核心筒复合体系

考虑到Ⅱ区的整体建筑高度､层高､柱网､荷载和不规则性,因钢结构的自重低和延展性好,选择钢结构更为合适｡同时考虑到减少钢材的使用量并增加建筑物内的可用空间,Ⅱ区采用框架-核心筒复合体系,即外围由梁和柱组成的框架受力系统,芯管位于结构的中间,如图1所示｡外围钢框架与核心筒剪力墙协同受力:核心筒双钢板混凝土墙厚达800mm,抗侧刚度较传统结构提升30%;外框钢柱通过楼层梁与核心筒刚性连接,形成闭合受力环,有效分散地震与风荷载｡

图1框架-核心筒复合体系

2.3预起拱与合龙顺序

为预防重载桁架自重下挠而引发的残余应力,施工前在工厂预制阶段即按有限元分析结果嵌入预起拱参数,其拱高不超过跨度的1/300,经—次性试装对拱度精度进行校核后,再运至现场[4]｡合龙环节实施“两侧分段吊装+中段整体提升”策略,即先利用400t履带吊分段吊装两侧桁架至预定位置,并通过滑靴装置进行微调,最后整体提升并锁定中段,整个过程结合在线应力､位移监测,确保合龙缝隙与几何偏差控制在毫米级以内｡

3、施工关键技术

在施工过程中,首先通过BIM模型与现代测量设备的深度融合,实现了毫米级的支座定位精度;其次,工厂化预制和严格的无损检测确保构件质量“出厂即合格”;再次,分段运输与吊装组织结合模块化理念和多机协同,实现了150t级大构件的安全高效转场;最后,高强螺栓与焊接节点在施工节奏和环境因素中动态补偿,确保了合龙节点的装配精度与结构安全｡

3.1高精度测量放线

在某项目Ⅱ区桁架安装前,从设计模型中直接提取三维放样坐标,形成数字化放线方案｡基于BIM模型进行三维放样,结合全站仪与激光扫描技术,实现桁架支座定位误差±3mm｡施工过程中,通过BIM平台实时比对设计模型与现场数据,动态调整高空安装偏差,优化吊装路径与塔吊布置,显著降低作业风险[5]｡

3.2构件工厂化预制与质量控制

所有桁架构件在车间内通过数控切割与自动焊接设备加工,焊缝采用超声波与磁粉探伤,检出率高,合格率达100%｡构件表面先进行喷丸清理,再涂覆环氧富锌底漆,经盐雾试验验证耐腐蚀性能超过2000h,完全满足海边高湿高盐环境要求｡预制完成后,工厂内搭建三维激光扫描工装,对构件几何尺寸与焊接变形进行扫描比对,确保所有关键节点与接口均在允许偏差范围内,基本实现“现场零返工”｡

3.3分段运输与吊装组织

桁架分段后,最大单元重达150t,运输前通过专用软件进行路线模拟与荷载分析,采用轴线车+模块化组合运输方案,充分考虑路面承载与回转半径需求｡现场吊装以400t履带吊为主､25t汽车吊为辅,实施“先两侧分段吊装+中段整体提升”策略,配合液压同步提升系统,实现受力均匀与位置同步(见图2)｡同时在桁架下方设置34处满堂支架,支撑底部固接于首层承台短柱,通过每周例行监测沉降与水平位移,确保临时支撑体系始终处于可控状态｡

图2桁架吊装

3.4节点焊接与高强螺栓连接

节点板与管材采用高强螺栓+CO2气体保护焊双重连接,高强螺栓施拧时,使用经班前校正的扭矩扳手,扭矩误差严格控制在±5%以内,保证螺栓预紧力一致性｡焊缝补焊后需在24h内进行UT超声波检测与磁粉探伤,检验项目包括裂纹､气孔与夹渣,全部指标合格后方可进行下一道工序｡为抵消夜间温差对合龙口焊缝间隙的影响,合龙焊接多选在凌晨气温较低且稳定时段进行,并结合动态补偿技术实时调整焊缝间隙,确保合龙开裂风险降至最低｡

4、监测与质量验收

通过智能在线监测系统和分级质量验收流程的有机结合,实现了对大跨度桁架结构从施工到交付的全生命周期精细化管控｡智能在线监测系统借助多源传感与云平台,实现了应力､变形的实时采集与超限预警,并与BIM数字孪生深度融合;质量验收则依托三级闭环验收模式,从工厂､现场到整体合龙层层把关,确保各项指标均在规范要求范围内,为后续运维提供了可靠基准和数据支撑｡

4.1智能在线监测系统

施工全程在桁架关键受力部位布设光纤光栅应力传感器与智能激光位移计,构建多维度数据采集网络,实现结构应力､应变及变形的非接触式､实时监测与超限预警｡传感数据首先在边缘计算网关处进行预处理,再通过安全生产云平台汇聚储存,系统可针对预设阈值自动触发预警并即时推送至项目管理团队,大幅提升监测响应速度与风险管控效率｡在合龙阶段,在线激光位移计记录的最大位移为10.2mm,显著低于设计规范中15mm的允许上限,为结构验收提供了可靠依据｡所有监测数据实时同步至BIM平台,结合“数字孪生”,形成了施工过程与设计模型的实时映射,不仅可用于当期施工管控,也为后续设施运维提供了准确的历史性能基准｡

4.2质量验收流程

质量验收遵循“过程控制､分级验收､闭环反馈”原则,形成三级闭环验收体系:

1)工厂验收｡根据GB50205—2001钢结构工程施工质量验收规范[6],对进场原材料､焊缝完整性及防腐涂层进行全面复核｡所有焊缝经超声波和磁粉探伤检测合格率达到100%,防腐涂层盐雾试验均超过2000h,充分保证了构件出厂状态符合规范要求｡

2)现场拼装验收｡依据GB50205—2020新版规范,重点检验高强螺栓扭矩和构件对位精度;所有扭矩误差控制在±5%以内,拼装位移偏差不超±3mm,实现了现场安装的高精度对接｡

3)整体合龙验收｡按照JGJ7—2010空间网格结构技术规程[7],对结构挠度和应力分布进行全面检测,合龙后实测最大焊缝缺陷宽度仅0.3mm,远低于规范中对“短缺陷”不大于1mm的要求,所有验收指标合格率100%｡

通过上述智能监测与严格验收流程的有机结合,实现了从源头到整体合龙的全过程质量可追溯与全方位安全保障,为大跨度钢结构施工提供了可推广的成熟经验｡

5、结语

本文以某项目Ⅱ区为例,全面梳理了其结构设计特色与施工关键技术,通过深入分析,取得了以下结论:

1)通过管桁架与框架-核心筒复合体系的有机结合,项目实现了53.4m超大跨度钢桁架的高效受力与稳定支撑｡双钢板混凝土核心筒厚度达800mm,使得整体抗侧刚度较传统体系提升约30%,同时兼顾了空间利用与节材效果,为海边复杂环境下的超限结构设计提供了可复制模板｡2)在施工前期即通过有限元分析优化预起拱参数,并实施“两侧分段吊装+中段整体提升”合龙策略,结合BIM数字孪生与在线应力､位移监测,实现了合龙缝隙与几何偏差控制在毫米级内,显著减少了残余应力与施工风险｡3)构建光纤光栅应力传感与激光位移在线监测系统,数据实时同步至BIM数字孪生平台,并依托三级闭环验收(工厂→现场→整体合龙),实现从结构设计到运维的全生命周期精细化管控,保证各项指标100%合格｡

参考文献:

[1]李渊.大跨度门式轻钢结构单层厂房施工关键技术[J].建筑机械,2025(4):108-112.

[2]陈颖,贾宝荣,罗魏凌,等.大跨度高铁站房钢结构幕墙一体化快速建造关键技术研究[J].建筑施工,2025,47(4):567-571.

[3]汤甜.体育馆大跨度预应力弦支穹顶钢结构设计研究[J].中国建筑金属结构,2024,23(10):124-126.

[4]王堂锐,张婉霞,凌加文,等.大跨度钢桁架结构施工模拟技术研究:以柳州市鹿寨体育馆工程为例[J].粘接,2025,52(4):159-162.

[5]邓坚,李程林,陈达.基于BIM的超高层复杂钢结构施工技术研究与分析[J].广东建材,2024,40(1):150-152.

[6]冶金工业部建筑研究总院.钢结构工程施工质量验收规范:GB50205—2001[S].北京:中国计划出版社,2002.

[7]中国建筑科学研究院.空间网格结构技术规程:JGJ7—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

文章来源:张二祥,唐伟.大跨度钢桁架施工关键技术与质量管控研究[J].山西建筑,2025,51(15):91-93+113.