大跨度大截面H型钢桁架结构的组装工法详述.docx
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大跨度大截面H型钢桁架结构的组装工法详述.docx
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大跨度大截面H型钢桁架结构的组装工法详述
大跨度大截面H型钢桁架结构的组装工法
1.前言
目前,公共建筑的大跨度空间结构、超高层建筑的转换层结构和大跨度重型钢结构厂房等大都选用大跨度的H型钢桁架结构,它既能增大建筑结构的空间,承载大载荷,又能保证整个建筑结构的安全使用功能,目前已在建筑钢结构和桁架式桥梁钢结构工程中广泛应用。
在现有技术中,大跨度大截面H型钢桁架结构的组装方式主要有两种:
第一种采用热轧的H型钢作为上弦梁和下弦梁,并在桁架的上弦梁和下弦梁之间设置热轧的H型钢作为斜腹杆,这种类型的大跨度H型钢桁架结构制造虽然简单,但热轧的H型钢的腹板和翼缘板的厚度较薄、宽度较窄,无法满足现有大跨度、大截面和大重量桁架结构承载的需求。
第二种采用厚钢板经过焊接组装成焊接H型钢作为桁架的上弦梁、下弦梁和异性H型钢梁的斜腹杆,组合为桁架结构;此种结构形式应用较多,但这种组装方式主要依靠人工和简单的定位工具完成,加工制造的大跨度桁架梁变形大,精度不高,且生产效率低。
针对上述大跨度大截面H型钢桁架结构组装的不足之处,本工法提供了一种利用胎模架组装大跨度大截面H型钢桁架结构的组装工法,利用该胎膜架制造的H型钢桁结构变形小、精度高而且可以批量生产。
该工法的成功实施,为今后类似工程的制造提供了成套技术和施工经验,具有广泛的推广应用价值,可为钢结构制造单位创造良好的经济效益和社会效益。
本工法关键技术于2009年12月通过中国冶金科工集团公司组织的科技成果鉴定,其关键技术水平达到国内先进水平。
在开发工法过程中申请了两项专利技术,现已授权,本工法在多项工程中实施应用,取得了一定的经济效益和社会效益。
其中应用于xxx市国际会展中心钢结构工程,该工程在2006年获得了中国建筑金属结构协会的钢结构金奖,在2006年度还荣获xxx市“巴渝杯”优质结构工程奖。
同时应用于xxx市微电子工业厂房等钢结构工程。
该工程荣获2009年度建设工程“鲁班奖”。
2.工法特点
2.1采用钢板经过焊接组装成H型钢上弦梁、H型钢下弦梁和H型钢(含异形)斜腹杆,通过H型钢与H型钢之间的焊接连接形成整体的钢桁架结构,保证桁架结构的承压强度和空间稳定性达到设计和规范的要求。
2.2H型钢桁架结构的组装采用了一种新型的桁架梁装配胎膜架,使用该装配胎模架装配时,H型钢桁架结构组装精度高,操作简单,生产效率高,适用于钢桁架结构的批量生产。
2.3对异形(蛇形)腹杆的H型钢桁架的组装技术:
固定桁架的上、下弦焊接H型钢主杆,再将异形斜杆的腹板定位在桁架的上、下弦H型钢上,下部用胎架支撑,最后将斜杆的翼缘板组装到异形斜杆的腹板上焊接,该组装方法不仅减少了斜杆的翼缘板组装焊缝的数量,保证了焊缝拼接位置的错开,提高了桁架结构的整体组装质量。
2.4本工法采用预测控制变形和矫正变形相结合的工艺,以预控变形(预起拱)为主,从工艺上保证了组装质量,减少对桁架结构成品变形的矫正。
2.5通过调整装配胎模架中的加压柱的位置,满足不同桁架结构高度的要求,以达到组装不同规格的大跨度、大截面、大承载桁架结构的目的。
该装配胎架采用固定式和活动式,活动式装配胎模可调节高度和长度。
2.6在该装配胎模架中还设有垂直压紧装置,将待组装的桁架置于组装工作平台上时,将压紧板压在桁架上,压紧板的两端通过螺栓连接在支撑台上,通过垂直压紧装置将桁架结构在垂直方向上定位,避免了焊接时在垂直方向发生变形。
3.适用范围
本工法适用于各种规格、材质的大跨度大截面H型钢桁架结构的制作和组装。
4.工艺原理
图4-1大跨度H型钢桁架结构示意图
采用钢板经过下料、组装、焊接成H型钢作为钢桁架结构的上弦梁和下弦梁,将组焊好的上弦梁、下弦梁及异(蛇形)形腹杆腹板放置到装配胎膜架上对应的上、下弦梁垫板和腹杆垫板上,其中下弦梁靠在固定挡板上,用千斤顶对另一端上弦梁施压,再将蛇形斜腹杆的腹板分别与上弦梁和下弦梁进行组装焊接,将压制好的异形腹杆的直板翼缘和圆弧形翼缘板部分,分别放置在异形腹板对应的直线段和弧形段上,并分别与直板和圆弧型翼缘板进行焊接,就实现对大跨度H型钢桁架结构的装配。
5.施工工艺流程及操作要点:
5.1制造工艺流程图
图5.1-1施工工艺流程图
5.2H型钢桁架结构主梁的加工下料
5.2.1上、下弦梁翼缘板下料
由于翼缘板长度随跨度而定,一般较长。
其宽度都较窄,下料前,先把钢板组焊(V型坡口或X型坡口)拼接成长板,采用数控多头切割机同时下料,保证宽度方向几何尺寸,减少因切割引起翼缘板的侧弯变形,在长度方向要考虑一定的收缩余量。
5.2.2上、下弦梁腹板下料
对于腹板来说,其宽度一般比翼缘板较宽,有的焊接H型钢是变截面的和变厚度的,下料时,先把钢板组焊(V型坡口或X型坡口)拼接成长板进行切割,如果是变截面的,要认真排板,保证切割宽度方向成净料,长度方向有余量。
腹板下料时,对要求预起拱的焊接H型钢,要按照设计和规范要求,对腹板进行予起拱量的控制。
5.3斜腹杆的翼缘板和腹板的组装成形
5.3.1斜腹杆的腹板组装
钢桁架梁斜(蛇形)腹杆的腹板是弧形板与直线型板的组合结构形式。
按异性斜腹杆中腹板的宽度尺寸进行切割,切割成直线段和弧形段(或直线段加弧形段),将切割下的直线段和弧形段钢板按图5.3-1蛇形结构组装,并焊接成蛇形腹板(按照降低损耗,减少焊缝来下料)。
图5.3-1蛇形腹杆的腹板下料及拼接示意图
5.3.2斜腹杆的翼缘板加工
按照异性斜腹杆的翼缘板的宽度尺寸进行切割下料,切割成直板,采用卷板机或压力机将斜腹杆的翼缘板卷弯压制成弧形翼缘板(V型的弧线板或者一个直线段带弧形加直线段)。
图5.3-2蛇形腹杆翼缘板下料分段示意图
5.4H型钢桁架梁上、下弦梁的组装
5.4.1焊接H型钢梁组装
根据H型钢梁截面尺寸大小,大于400mm的焊接H型钢梁可以在H型钢组立机上进行组装。
截面尺寸小于400mm的焊接H型钢梁的组装可以按照图5.4-1进行卧式组对;组对胎具应预先找平,胎具每2m左右布置一个组对点,先将腹板置于胎具上,调整好尺寸,然后将翼板置于胎具上,检查翼腹板组对尺寸和彼此的垂直度,点焊成型。
图5.4-1上、下弦梁组对平台示意图
按照焊接H型钢梁的设计要求,上、下翼板与腹板连接处采用K型熔透焊,H型钢梁的纵向焊缝采用埋弧自动焊进行船形位置焊接。
5.4.2H型钢梁的焊接
(1)H型钢梁的焊接采用CO2气体保护焊或手工电弧焊打底,埋弧自动焊船形位置的施焊方法。
(2)焊接工艺参数应参照工艺评定确定的数据,不得随意更改。
(3)焊接顺序:
正面打底焊一道,填充焊接一道;反面碳弧气刨清根,反面打底、填充焊接、盖面焊;正面填充焊接、盖面焊。
具体施焊时还要根据实际焊缝高度和坡口形式,确定焊接填充的次数,构件要多次翻面,减少构件产生的焊接变形。
5.4.3矫正
(1)焊接H型钢梁焊接后容易产生变形、翼缘板与腹板不垂直,发生角变形,一般采用机械矫正及火焰加热矫正的方法矫正。
(2)机械矫正
焊接H型钢的矫正在翼缘矫直机上进行,矫正前,应清扫构件上的一切杂物,与压辊接触的焊缝焊点修磨平整。
使用翼缘矫直机矫正时,注意矫正机的使用范围内。
如:
翼缘板最大厚度≤80mm;翼缘板宽度=180~800㎜;腹板厚度≤60mm;腹高>400mm以上的焊接H型钢,要在能够矫正该规格的翼缘矫直机上进行。
焊接H型钢经矫正后,检查梁的拱度、侧弯和扭曲情况,根据实测结果,合理调校梁的拱度变形,侧弯变形及翼缘板的波浪变形;达到要求后,定尺组焊加劲板。
图5.4-2上、下弦梁劲板组对示意图
5.5H型钢桁架梁的组装胎模架
根据H型钢桁架结构梁的结构特点,采用胎膜架装配法。
5.5.1装配胎膜架平台的设计要求
(1)胎具上有足够的强度和刚性;
(2)胎具应便于对工件的装、卸、定位等装配操作;
(3)胎具上应画出中心线、位置线、边缘线等基准线,以便于找正和检验;
(4)较大尺寸的装配胎具应安置在相当坚固的基础上,以避免基础下沉导致胎具变形。
5.5.2装配胎膜架平台的使用功能
桁架梁组装的装配胎模架,包括一长方形工作平台和沿工作平台的长度方向等距离设置的多个水平压紧装置(图中仅画出三个水平压紧装置);水平压紧装置包括设置在工作平台一侧的可移动的加压柱,在加压柱的顶部设置伸向工作平台上表面的千斤顶,在工作平台的另一侧顶部固定设有挡板。
图5.5-1钢桁架梁结构组装胎膜架
图5.5-2胎膜架垂直方向防变形措施
使用时,只需将待组装的焊接H型钢架梁置于工作平台上、且位于千斤顶和挡板之间,通过千斤顶水平向桁架梁施压,并将其位置固定。
本实施例中,在相邻的两个水平压紧装置之间设有垂直压紧装置,垂直压紧装置包括设置在工作平台两侧的支撑台和横向设置在工作平台上的压紧板,压紧板的两端通过螺栓与支撑台连接。
使用时,只需将待组装的桁架梁置于工作平台上,将压紧板压在桁架梁上,压紧板的两端通过螺栓连接在支撑台上,通过垂直压紧装置将桁架梁在垂直方向上定位,避免了焊接时在垂直方向发生变形。
5.6H型钢桁架结构的组装方法
将焊接H型上弦梁、下弦梁和异形(蛇形)斜腹杆在装配胎膜架上进行组装;
5.6.1检测装胚胎模架钢平台上表面的平直度和水平度。
5.6.2将上、下弦梁垫板、腹杆垫板放在工作平台上,再将斜腹杆的腹板平放在工作平台,垫板垫在蛇形斜腹杆中的腹板下,再将上弦梁和下弦梁分别放置在蛇形斜腹杆的两侧,其中下弦梁靠在固定挡板上,用千斤顶对另上弦梁施压,再将蛇形斜腹杆分别与上弦梁和下弦梁进行组装焊接。
图5.6-1大跨度H型钢桁梁装配示意图
5.6.3将5.3节中所述的直板和圆弧形翼缘板分别设置在腹板对应的直线段和弧形段上,并将腹杆腹板分别与直板和圆弧型翼缘板进行组装焊接。
该装配方法是异形腹杆的H型钢桁架的组装技术,减少组对焊缝数量,保证焊缝错开,提高了大跨度桁架的整体组装质量。
图5.6-2大跨度H型钢桁架梁装配示意图
5.6.4在该装配胎模架中还设有垂直压紧装置,将待组装的桁架梁置于工作平台上时,将压紧板压在桁架梁上,压紧板的两端通过螺栓连接在支撑台上,通过垂直压紧装置将桁架梁在垂直方向上定位,避免了焊接时在垂直方向发生变形。
采用预测变形和矫形相结合的工艺,以预控变形为主,从工艺上控制制造质量,减少了制造成品的变形。
图5.6-3胎膜架垂直方向防变形措施
本实施例中,焊接H型上弦梁和下弦梁上钻有连接孔,通过在连接孔内安装螺栓可将焊接H型上弦梁和下弦梁与其它连接件进行连接。
该装配方法还可以通过调整装配胎模架中的加压柱的位置以适应不同钢桁架结构高度的要求,以达到制造不同规格的大跨度、大截面、大承载钢桁架结构的目的。
该装配胎采用固定式和活动式,活动式装配胎模可调节高矮、长短。
操作简单,制造精度高,适用于批量大的桁架梁生产,且生产效率高。
5.7大跨度大截面H型钢桁架的起拱度控制技术
5.7.1起拱值的确定
根据规范及设计的要求H型钢桁架结构必须进行制作预起拱,起拱形式采用弧线起拱方式,根据桁架跨度和设计要求,确定最大起拱值,考虑到取消约束后桁架起拱会发生回弹,故在实际起拱时应按最大起拱值加回弹量进行起拱,回弹后才能保证在起拱误差范围内。
由于桁架制造采用分段制作,如果起拱值控制不佳,将影响到现场组装的整体质量。
5.7.2起拱度的控制
根据桁架起拱值控制好胎模架上的卡板位置,采取多点控制,通过控制桁架上下主弦的拱度来达到起拱的目的,在每个节点位置均设置控制卡板,并将端头固定牢靠(先将一头固定牢靠,另一端随起拱的弧度位置的移动而改变并重新固定)。
在卡板位置各设置一个千斤顶,当主弦杆通过自身挠度无法达到起拱要求,并到达卡板控制位置时,就通过在后一节点千斤顶反向施力,如弧形效果不好,可进行火焰烘烤,烘烤位置在两个节点间;待上下弦达到起拱要求后再进行异形(蛇形)斜腹杆的装配。
5.8钢桁架结构的焊接
大跨度大截面H型钢桁架结构总装完成后,桁架结构的上、下弦梁与斜腹杆两端的贴角焊缝,斜腹杆的翼缘板和腹板的对接焊缝,均可采用CO2气体保护焊或手工电弧焊,并严格按照焊接工艺评定确定的焊接参数进行施焊,施焊时,根据不同的焊缝高度和坡口形式,确定焊接的层数,为了减小桁架结构的焊接变形,采用对称焊接。
焊接完成后,按照设计和规范要求,对探伤焊缝进行无损检测,达到要求再进行下道工序。
5.9钢桁架结构预拼装
(1)大跨度H型钢桁架结构在运输方面受到限制,因构件太长无法整体运输,大多采取工厂分段,分段制作完毕后要进行现场预拼装,拼装合格后方可允许出厂。
本实例H型钢桁梁跨度36m,分两段制造。
分段示意图如下
图5.9-1H型钢桁梁分段图示意图
36米跨的H型钢桁架梁存在翼缘板、腹板宽度和厚度变化的情况,制造时翼缘板必须保证外表面平整,腹板必须保证钢板中心线对齐。
图5.9-2工厂预拼装节点示意图
(2)H型钢桁架结构梁预拼装采用螺栓连接,通过螺栓的穿孔率控制H型钢桁梁的预拼装精度。
预拼装达到要求后,依照相关的参数进行桁架制造;如未达到要求,应立即复核其桁架的几何尺寸及起拱数值,并进行调校达到设计和规范的要求,并作好记录。
具体见图5.9-2。
(3)变截面H型钢桁架结构梁有斜腹杆和竖杆的组装示图见图5.9-3。
图5.9-3带有斜腹杆和竖杆的H型钢桁架组装示图
6.材料与设备
以一条生产流水线为例,所需机具如下:
序号
设备名称
规格型号
数量
备注
1
H型钢组立机
B=200~1000mm
H=500~2000mm
1
2
H型钢矫正机
H=500~3000mm
翼板δ≤80mm,
宽度B=200~800mm
1
3
H型钢桁架组装胎具
长L=27000mm
宽B=3000mm
1
自制
可调
4
H型钢焊接胎架
L=27000
2
5
H型钢切割机
B=1500mm
1
6
硅整流自动焊机
ZX7-500
6
7
直流埋弧自动焊机
MZ-1000
2
8
二氧化碳气体保护焊机
NR-500
14
9
半自动切割机
CZ-30
4
10
摇壁钻床
Z-3040
1
11
桥式吊车
32~50t
2
7.质量控制
7.1质量控制规范与标准
《热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差》GB709-88
《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001
《高层民用建筑钢结构技术规程》 JGJ99-88
《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002
《焊接H型钢》YB3301-02
《钢结构设计规范》GB50017-2003
《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》GB11345-89
《焊接H型截面钢制产品质量标准》Q/ZJG-012-2004
7.2质量控制措施
(1)大跨度大截面H型钢桁架制造采用胎模装配法分段组装,组装质量要求高,施工中采取针对性的质量保证措施和先进的管理方法。
(2)H型钢桁架梁为中厚板,焊接质量要求高,其所有对接焊缝均为一级,焊接H型钢T型缝为二级,焊接工艺较复杂,施工难度大。
(3)通过H型钢桁架几何尺寸的控制,严格控制桁架的起拱度,在焊接过程中做好防止焊接变形措施.
(4)钢桁架结构的制作质量符合现行国家标准(《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205)。
8.安全措施
8.1拼接后的钢板较长,在翻板时应用翻板勾子并根据起吊板重量选用翻板勾子的吨位和数量,可与扁担配合使用。
8.2H型钢桁架结构梁立面堆放时,应用斜支撑固定牢固,严防倾倒。
9.环保措施
9.1在工程施工过程中,严格遵守国家和地方下达的有关环保法律法规和规章,加强对施工燃油、工程材料、设备、生产生活垃圾的控制管理,遵守防火及废弃物处理的规章制度。
9.2构配件加工期间加强油漆作业的环境保护、人员防护措施。
9.3施工期间无油污、无烟尘、无噪音,有利于保护劳动者身体健康,营造和谐友好的施工环境。
10.效益分析
大跨度大截面H型钢桁架结构的组装工法,在某国际会展览中心桁架工程,某微电子工业园厂房屋面H型钢桁架结构工程和某广电大厦H型钢桁架结构工程中得以应用,形成了两个授权专利:
一种大跨度H型钢桁架梁的组装方法(发明专利),一种适用于桁架梁组装的装配胎膜架(实用新型专利),总结了大跨度H型钢桁架结构的制造新工艺。
也为今后类似工程提供了成套技术和施工经验,具有广泛的推广应用价值,可为施工单位创造良好的经济效益和社会效益。
通过几个工程的应用共创造经济效益28.4万元,确保了工程的工期和质量。
其中:
(1)xxx西永微电子工业厂房H型钢桁架采用该组装工法进行分段组装,满足了业主的要求,提前了工程吊装工期9天,节约机械台班费用:
9天×0.8×2万元=14.4万元。
(2)xxx会展中心H型钢桁架钢结构采用该组装工法,节约工程费用8.5万元。
(3)xxx广电大厦H型钢桁架钢结构工程采用该组装工法进行分段组装,节约工程费用5.5万元。
11.应用实例
11.1xxx国际会展中心钢结构工程
xxx国际会议中心展览中心16米、32米平台主桁架梁钢结构和会议中心屋面H型钢桁架结构。
地点:
xxx市南岸区,开竣工时间2004年4月—2005年3月。
该组装工法应用于xxx会展中心钢结构工程,该工程H型钢桁架最大跨度36米,最大截面高度2.75米,桁架28榀,最大重量约31.886吨,安装高度是16米和32米。
11.2xxx广电大厦钢结构工程
xxx广电大厦演播厅和音乐厅变截面桁架式钢结构工程,地点:
江北区冉家坝,开竣工时间2005年4月—2005年9月。
该工法应用于该钢结构工程,该工程的H型钢桁架跨度49.558米,最大截面高度4.5米,桁架5榀,最大重量47.807吨,安装高度28米。
11.3xxx西永微电子工业厂房钢结构工程
地点:
沙坪坝区微电子工业园区,开竣工时间:
2007年8月-2008年12月。
该工法应用于xxx西永微电子工业园厂房钢结构工程:
该工程H型钢桁架跨度88.8米,最大截面高度6米,桁架17榀,单榀最大重量约88吨,屋面桁架的吊装高度27.2米。
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