浅析大跨度桁架结构的施工

引言

近年来，大跨度结构不仅在体育建筑中得到了广泛应用，而且在各种商用建筑(如超级市场、货栈和仓库)中的应用日益广泛，大跨度结构在我国建筑结构中的应用也越来越多，如我局在武昌火车站改扩建工程中总长度为245・8m西站房，在苏州火车站无站台柱雨棚屋面及主站房和高架候车室屋面均采用了纵横钢桁架结构体系，除了在这些领域继续广泛应用外，还出现了一些超大型结构，如新加坡章楦机场机库，大阪国际机场候机厅；另外还有轻型大跨结构，如人行天桥和起重机结构；其他特殊用途的结构，如天线桅杆和航天发射架等。在这些工程中，平面桁架系网架能够展示其结构的优美造型，流畅的线条，更易于实现设计师对建筑艺术的追求，得到了人们的青睐。但在施工过程中往往由于结构跨度大，导致施工难度大，因此对方案的设计及施工要求也越来越高。现对一些施工中的方法作如下浅述：

2施工方法的选择

大跨度空间结构的施工安装基本上两大类，即高空拼装和地面拼装后起吊。高空拼装即解决如何在高空有效施工的问题，而后一种则强调应采用的机具和工艺。

传统大跨度结构的施工方法一般有：高空散装法、分条或分块安装法、高空滑移法、整体吊装法、整体提升法、整体顶升法等。而现代大跨度结构因为体型复杂，且大量使用新材料、新技术，传统安装方法往往不能顺利完成任务，有时甚至无法完成任务。通过大量的工程实践，国内外涌现出许多具有创新性的施工技术，如高空曲线滑移技术、网壳结构折叠展开式整体提升技术、滑架法施工技术等。现代大跨度结构的安装方法往往是几种基本方法的巧妙组合或者再创造。同时由于机械设备、计算理论和计算机技术的快速发展，为大跨度结构安装方法的创新提供了有力支持，使得大跨度安装的方式更趋于多元化。

3杆件的选择

3.1杆件材料选择：

桁架多采用的钢材为Q235和Q345，截面形式主要有圆管、单角钢、双角钢、H型钢、方管等。目前国内应用最广泛的是圆钢管和双角钢杆件。

3.2杆件截面要求：

（1）在施工时要对杆件的截面进行有效选择，圆钢不宜小于48mm×3mm，角钢不宜小于L45mm×3mm或L56mm×36mm×3mm，

（2）在选择截面时，应避免最大截面弦杆与最小截面腹杆同交于一个节点

（3）桁架结构所选截面规格不宜太多，以方便加工与安装

（4）杆件宜选用壁厚较薄的截面，以便获得较大的回转半径，有利于压杆稳定

（5）选用市场常供的钢型号

（6）考虑杆件材料负公差的影响，宜留有适当余地

4 节点的设计与构造

4.1节点设计的要求：

安全可靠，传力明确简洁；构造简单，制作方便，安装方便；用钢量少，造价低；构造合理，使各节点的受力状态符合设计计算假定，以免产生附加的偏心力矩。

4.2节点的连接形式：

（1）一是螺栓连接：即在屋面梁上翼缘或支座上直接开圆孔，桁架端部连接板上椭圆孔，一般采用M16的普通螺栓连接；二是焊接连接：即桁架端部连接板直接坐落在屋面梁上翼缘或支座上，采用人工现场焊接，采用四面围焊，焊缝高度一般为8mm。

（2）焊接连接：

结构构件对接焊缝按要求，为全熔透焊缝，应达到2级焊缝要求。现场焊接采用手工电弧焊，焊工持证并具有多年检验，现场要对焊工进行针对性培训、交底，焊机、焊条烘箱、砂轮磨光机、碳弧气刨要配备充足。

焊接前：应烘焙焊条，并将坡口内，外壁15―20mm范围内仔细清理。除去油、锈、污物，检查坡口角度、钝边、间隙是否符合，该桁架采用腹杆与弦杆直接焊接的相贯节点，弦杆截面贯通，腹杆焊接于弦杆之上，主管与支管连接呈T、Y、K等相贯节点形式，支管端为马鞍形曲线，该曲线及坡口在厂内由数控多轴自动马鞍形曲线管子切割机一次完成。

焊接时，摆动幅度要小，并根据工艺评定文件要求，进行多道、多层焊接，严格清除焊道与焊层的焊渣、夹渣、氧化物。

同一条焊缝应连续施焊一次完成，不能一次完成的，应预热后再施焊。焊接时，采用对称焊接，变形大的部位先焊，焊接顺序不能集中，在节点间间隔跳开焊接。每个节点采用对称分布施焊，严格控制层间温度。平衡热量减少变形，如桁架三个拼接点，由中间向两端施焊，先同时施焊至弦杆，再焊接杆、斜杆，将结构焊接变形及焊后残余应力降至最低。

设计要求的二级焊缝和相贯节点全熔透焊缝，进行超声波探伤检验，对不符合要求的，根据缺陷的位置、深度，用砂轮打磨或碳弧气刨清除缺陷，有裂纹时，先在裂纹两端钻裂孔，并清除裂纹两端各50mm长的母材。焊接修补的预热温度比同条件焊接预热高25°―50°C，返修焊接部位要一次完成。同一部位，焊补不超过2次。返工后应再次进行探伤试验，确认合格。

（3）螺栓连接：

永久螺栓的螺栓头和螺母的下面应放置平垫圈，螺母下的垫圈不宜多余2个，螺栓头下的垫圈不宜少于1个；螺栓头与螺母应与结构构件的表面及垫圈密贴；对于倾斜面的螺栓连接，应采用斜垫片垫平，使螺母和螺栓的头部支承面垂直与螺杆，避免紧固螺栓时螺杆收到弯曲力；永久螺栓与锚固螺栓应根据施工图纸中的设计规定，采用有放松装置的螺母或弹簧垫圈；使用的螺栓等级和材质应符合施工图纸的要求。

（4）螺栓球节点：

螺栓球连接由螺栓、钢球、螺钉（或销子）、套筒和锥头（或封板）等零件组成。它具有节点适应性强，标准化程度高，安装运输方便等特点。它有利于桁架的的标准化设计和工业化生产，提高了工作效率，还可以与多根杆件相连，节点没有偏心，受力良好。它的缺点就是构造复杂，机械加工量大。在工程中得到了广泛的应用。

5吊装构件

5.1整体提升：

对于大跨度的桁架结构，由于其构件大，重量大，在吊装时通常考虑的是双机抬吊法，在施工过程中，要对桁架两侧进行加固，否则可能会由于在转动就位时产生侧向的水平弯矩，因而导致构件的侧向失稳。如果采用单机跨中整体吊装法施工，由于应用了平衡梁，在该桁架中多处垂直受力，从而避免了桁架中产生水平应力的趋向，因此可以省去许多的加固措施。

5.2整体顶升

与整体提升不同顶升是将起重设备直接放在桁架的支座下面，起重设备一般采用大吨位的千斤顶。这种吊装方法通常适用于四点或六点支承桁架，在顶升过程中每根柱子都集中了很大的荷载，因此为了安全起见，施工的额定负荷能力需乘以折减系数。由于它可以把屋面板、檩条、吊顶以及通风、电气设备提前装好，因而也减少了很多施工费用，也得到了很多的应用。

6涂装施工及抗震设计：

6.1涂装规范：

为贯彻和执行国家安全生产的方针政策和法规，保障建筑涂装施工作业安全，防止施工作业事故发生，在涂装施工时必须遵守《中华人民共和国安全生产法》、《建设工程安全生产管理条例》、《建筑涂饰工程施工及验收规程》（JGJ/T29 - 2003）和《涂装作业安全规程 安全管理通则》（GB7691 - 2003）等有关法律法规，结合国家建设部的行业标准《建筑涂饰工程施工及验收规程》（JGJ/T29 - 2003）和国家标准《涂装作业安全规程 安全管理通则》（GB7691 - 2003）。

在完成结构的基本拼装后，对钢管上损坏的涂装层和焊接接头处，采用打磨机，除锈至st3级，再进行涂装防锈漆。涂装完成后，使用测厚仪检查，并目视手摸检查，颜色、外观（表面平整，无明显凹陷，粘结牢固，无粉化松散、乳突）要符合规范要求。

6.2抗震设计：

空间结构由于其自重轻、刚度好，所以受到的震害要小于其他类型的结构，但从其他国家和地区的经验来看，有几点是必须注意的：

（1） 要特别注意支承部分的设计和施工，相当多的地震是由于支座螺栓或地基的失效造成的

（2） 保持屋盖吊顶和悬吊物的抗震性，避免其塌落而影响整个桁架结构的使用。

7结语

桁架同网架比，杆件较少，节点美观，不会出现较大的球节点，利用大跨度空间桁架结构，可以建造出各种体态轻盈的大跨度结构，在公共民用建筑中，尤其是在大型会展和体育场馆建设中，有着广泛推广应用的发展前景。