北京体育馆大跨度桁架空中对接施工技术总结

连接体大跨度桁架空中对接施工技术1工程概况连接体是连接资格赛馆与决赛馆之间的观众集散广场，东西长60米，南北进深38.9米，面积达2334平方米，能容纳近万人，是目前北京最大的室外有顶无柱空间广场，是奥运比赛期间的观众集散广场。连接体钢结构部分是由5榀钢桁架、次梁及C型镀锌檩条构成。单榀桁架自重约30吨，跨度59.750米的倒三角型管桁架，一端支承于资格赛馆柱顶并悬挑7.5米,上弦宽度为1.84米、高度2.1米（1-37轴）；另一端支承于决赛馆梁顶,室外地面至檐口高度为21.5米，上弦宽度2.3米、高度2.6米（2-1轴）。详见下图主要材料：两根上弦主杆由Φ325×10、Φ325×14、Φ325×16无缝钢管对接而成，中间水平腹杆由Φ89×3、Φ70×3无缝钢管组成；一根下弦主杆由Φ402×14、Φ402×16无缝钢管对接而成，中间腹杆由Φ146×10、Φ133×8、Φ121×6无缝钢管组成。桁架钢管均采用轧制无缝钢管(材质为Q345B级钢、20#)，除注明外钢板和型钢均采用Q235B钢。2安装施工控制点(1)根据施工需要及材料限制，需对节点进行合理的深化设计；(2)连接体钢管桁架跨度大，总长为67.250米又是倒三角型变截面钢管桁架，桁架仅一点与支座连接，高空临时固定难，连接处焊缝质量控制难，是整个工程控制的关键。3施工前控制3.1钢材原材料论证对连接体钢管伸长率的市场材料不能满足设计20%的要求，经专家论证，针对现场钢材具体所使用的部位、及杆件受力情况分析，采用相应材质的无缝钢管代替，并对桁架钢管壁厚市场无法满足设计要求进行了调整。3.2厂内加工、制作质量控制要求，(1)半成品本工程加工厂家在杭州，“2008”工程指挥部要求钢结构原材料取样复试率为100%见证，加工、制作、焊接质量全过程严格按规范要求执行，无损检测量应大于规范要求，钢材半成品出场时资料齐全，为满足以上要求必须派专业钢结构质检人员和监理质检人员住厂监督。(2)住厂监督员主要任务是负责所有进场原材料取样、封样运到北京金冶检测中心复试，同时金冶检测中心也派专业人员住厂与施工方、监理，负责所有在现场加工制作过程中无损检测抽样工作。(3)为把好奥运工程质量关，施工方与监理、冶金院共同针对射击馆工程钢结构原材料情况，制定了原材料取样见证试验计划，对钢结构成品、半成品焊缝制定了无损检测方案，连接体钢结构一级焊缝、二级焊缝的第三方超声波探伤检查。由三方住厂监督员监督实施。(4)检测内容：检测内容包括一级熔透焊缝和二级熔透焊缝检测比例：经监督总站、监理、业主、施工方研究,根据奥运08指挥部办公室精神及参照其它奥运场馆工程决定，工厂制作焊缝检测比例为5%；现场组装焊缝检测比例为10%。第三方检测均在自检合格的基础上进行，检测位置由监理指定。3.3连接体方案专家论证本工程连接体钢桁架安装方案经专家论证后确定为：吊装时考虑挠度变形及结构刚度问题，采用分两段吊装，中间采用搭设塔吊标准节作为临时支点的施工方法。其中3-E轴桁架（北面第一榀）正下方5.5米标高处，连廊已经施工完毕，采用双机抬吊，中间搭设钢管操作架用于人员焊接操作，待钢结构焊接完毕全部可以受力后再松勾的方案施工。3.4施工前的深化设计深化设计的内容主要有：结构深化设计、加工图设计、节点设计(1)加工图设计主要是：材料清单、下料图表、零件加工详图、钢管桁架分段详图、构件组装图等的加工图设计相关资料。确保设计的先进性、安全性、经济性、工艺性、质量控制能力等。(2)节点设计包括杆件相贯面设计、支座设计等，本工程将连接体屋面桁架弦杆弯折处进行了优化，将原来直接弯折设计方法改为焊接方法，将支座处进行了保温加固处理，确保节点设计的工艺性、安全性、和制作加工、安装的方便，主要拼装节点细化设计方案须经焊接工艺试验，模型试验，验证节点的强度满足设计要求，并通过工艺试验评定，确定焊接工艺参数，手工焊第一层打底焊条J506直径3.2mm、电流（Ａ）70—110、电压（Ｖ）18—22、焊接速度5—15cm/min，第二层以上焊条为J506直径4.0mm、焊接电流（Ａ）120—160、电压（Ｖ）20—24、焊接速度5—15cm/min。(3)所有二次深化设计必须经监理、设计单位、认可后才能用于生产制作。4施工过程控制4.1安装方案的选择(1)为了满足设计对桁架挠度及结构刚度的要求，本工程桁架吊装分两段进行，中间利用塔吊标准节支撑对接。分段示意图如下：桁架分段示意图(2)本工程钢桁架结构采用工厂内进行预拼装，运至工地后，在连接体内地面拼装，70T汽车吊配合分段安装，利用JL150型塔吊标准节在中部对接位置设置临时支撑。(3)桁架安装前，由1-37轴向2-1轴方向下弦第五个节点位置搭设临时支撑，临时支撑采用JL150型塔吊基础节、底盘、压重（四块约20吨）及标准节（四节）组成。（见桁架安装平面布置图）(4)3-E轴桁架因正下方5.5米标高处，建有连接资格赛馆与决赛馆混凝土连廊宽6米，而砼连廊无法承受来自塔吊标准节及桁架的重量，此榀桁架采用双机分段吊装，空中对接后吊车不松钩直接焊接，并设4.5m×6.0m脚手架操作平台，满足焊工操作，桁架对接焊缝及腹杆焊接完成并自然冷却后，桁架两侧缆风绳设置到位，吊机方可松钩。4.2桁架吊装工况分析及机械选择连接体钢结构共5榀桁架，单榀桁架自重约30吨，东西长67.25米的倒三角型管桁架，一端支承于资格赛馆柱顶并悬挑7.5米,上弦宽度为1.84米、高度2.1米（1-37轴）；另一端支承于决赛馆梁顶,室外地面至檐口高度为21.5米，上弦宽度2.3米、高度2.6米（2-1轴）。考虑3－E轴桁架吊机空中滞留时间长，并综合考虑安装高度，在选择吊机时主要考虑吊机的起吊性能、起吊重量和起吊高度。3－E轴桁架吊装选用QY70K汽车起重机,其它桁架吊装选用QY50A汽车起重机。4.3桁架安装拼接过程控制安装顺序安装由北向南逐渐安装，分段安装先安装靠资格赛馆第一段，再安装靠决赛馆第二段，见桁架安装平面图安装顺序：定位放线（桁架位置）→支座处钢板与支座预埋件焊接→支座处橡胶垫→安装桁架支座架→吊装第一段桁架（靠资格赛馆方向）→定位校正合格→桁架与支座（资格赛馆处）接焊→桁架上悬两侧拉缆风绳临时固定→吊装第二段（决赛馆方向）桁架→桁架端部加支架→同上资格赛馆桁架安装程序。具体安装步骤和方法连接体钢管桁架总长为67.250米,为倒三角型变截面钢管桁架，支座底板与埋件之间还设有橡胶垫，桁架与支座的连接又靠螺栓连接，支座形式不利于安装结构稳定，高空临时固定性能差，具体支座详图如下：(1)施工步骤一先安装3－E轴，在桁架对接处搭设脚手架，脚手架桁架上弦处设千斤顶，便于桁架的安装，桁架的吊装采用双机分段吊装。吊装工作开始前，吊机应进行试运转，桁架吊装前应进行试吊，才可进行正式吊装。桁架就位后临时固定前，应检查连接牢固和稳定情况，校正桁架位置正确和桁架安全可靠时，将起升卷筒制动锁住，吊车不松勾。桁架安装过程中，为了确保桁架对接及起拱高度，采用经纬仪、水准仪进行吊装全过程监控。在保证对接成功并满足设计起拱高度120mm时，利用临时支撑设置千斤顶固定桁架。此时，配合吊装的汽车吊仍处在工作状态。待弦杆的对接焊缝及中部腹杆安装完成，并自然冷却后，桁架两侧缆风绳设置到位牢固稳定后，吊机方可松钩。焊接工作完成24小时后，对焊缝进行无损超声波探伤检测。检测合格即可松动千斤顶，并对桁架起拱高度进行复测，均符合设计及规范要求。上图为连接体第一品桁架安装。(2)施工步骤二3-D轴桁架位置中间承重胎架搭设，承重胎架采用塔吊的标准节，承重胎架四周搭设脚手架操作平台。(3)施工步骤三进行3-D轴桁架的分段桁架的吊装。(4)施工步骤四对3-D轴分段桁架第一段就位校正，所有连接件焊接完毕，桁架支座与对接处下弦设有千斤顶，在桁架两侧缆风绳，使第一段（靠资格馆处）有一个稳定的体系后，进行3-D轴（靠决赛馆一侧）分段桁架第二段的吊装，由于第二段倒三角型桁架截面大，就位后支座处先加设临时支架，分段桁架一和分段桁架二在中间调节钢架上进行合拢对接。在对接处有塔吊标准节承重胎架，不用吊机长时间滞留。(5)施工步骤五第二榀桁架安装校正合格后，尽快安装连接两榀桁架之间的垂直支撑以及系杆使两榀桁架保持稳定的体系。(6)施工步骤六进行塔吊标准移位至3-C轴桁架中部下弦杆对接处。(7)施工步骤七采用相同方法，进行3-C轴桁架安装。(8)施工步骤八同样方法进行余下3-B、3-A轴桁架和各桁架之间垂直支撑的安装。安装过程技术措施(1)桁架组装拼接采用胎架定位固定和调整，各节点和几何尺寸采用经纬仪、水准仪、钢卷尺控制，电焊采用手工电弧焊，严格按规定要求的工艺电焊和检测。桁架设计起拱高度120mm，在拼装过程必须严格控制。(2)桁架拼装好，由吊机配合安装调整就位后，再安装固定支撑系统，使整榀桁架形成稳定体系。桁架拼装控制要点(1)拼装前所有杆件、胎架及其配件必须经检验合格后才能使用。拼接在专用胎架上进行，上、下弦主杆应可进行上、下、左、右调节和固定。腹杆可在调整过程中逐步就位。调整时先用经纬仪辅以钢卷尺调整并固定平面投影坐标位置，然后用水准仪按坐标高低控制调整各控制节点的高差，然后用划线、定位模板、及相贯面确定节点位置，如此反复调整每个控制节点至准确后，再进行点焊固定，待点焊定位节点复核正确后即可正式施焊（调整节点坐标时，应考虑焊接变形的影响）。(2)桁架拼装要点①由于本工程为相贯线焊接节点，所以各节点定位需支架胎架进行固定和千斤顶调准。②先布置下弦杆，然后进行下弦杆初步就位，待腹杆与下弦杆调整准确后进行点焊就位。③点焊时应注意按焊接工艺文件执行，焊工必须按规定培训取证上岗，确保平焊、立焊、仰焊满足规定要求。④严格控制焊接变形，确保焊接环境。（风、雨、温度、湿度等）4.4现场焊接施工组织焊接方法及焊接材料要求钢管桁架组装焊接采用手工电弧焊(相贯焊缝)，焊材对构件焊接接头的性能起着决定性的作用。焊材的选择主要考虑焊接方法、焊接母材和焊接性能要求决定。根据工程焊接量大、要求高的特点，结构焊接接点位置，现场焊接施工采用手工焊的焊接方法，焊接材料根据结构钢材的材质，按下表选择：母材材质手工焊20#、Q2355BE4303Q345BE5016结构主要节点焊接技术方法(1)本工程桁架60多米长，采购的钢管的长度一般均不足12M，所以本工程主次桁架杆件均需对接，桁架分段吊装处钢管也需对接，对接方式如下图(2)对焊缝为熔透焊缝,焊缝质量等级为一级，焊缝焊好24小时后进行100%的超声波无损探伤,评定等级二级。(3)弦管与腹管相贯焊缝为三级焊缝。(4)支座等加劲板、节点板的连接为贴角焊缝，焊缝质量等级为三级。(5)钢管的相贯面节点焊接，采用部分焊透的组合焊接。外观质量标准符合二级。容许在内侧的2～3mm不焊透，但需在外侧增加3mm角焊缝，根部设有剖口。焊缝由两侧的部分熔透焊缝过渡到角焊缝，焊缝尺寸为1.5倍支管壁厚。加劲板、节点板的连接为贴角焊缝，焊缝质量等级为三级。结构焊接顺序要求焊接施工顺序对焊接变形及焊后残余应力有很大影响，在焊接时为尽量减少结构焊接后的变形和焊后残余应力，结构焊接应尽量实行对称焊接，让结构受热点在整个平面内对称、均匀分布，避免结构因受热不均匀而产生扭曲和较大焊后残余应力。(1)总体原则:任一平面(空间)安排双数焊工进行对称施焊,为最大限度地避免焊接应力导致构件变形,应先施焊完整个结构节点的打底焊,再施焊整个结构节点的填充焊,最后施焊节点的盖面焊,使各层应力有一个自由释放的过程。具体先以结构中部为始点，安排双数焊工往两端对称对竖腹管进行打底焊，再以结构中部为始点安排双数焊工往两端焊接水平腹杆。施焊完打底焊后再重复以上顺序对结构进行填充焊，填充完成后重复以上顺序对结构进行盖面焊。(2)在施焊前要求焊工先检查胎架是否对结构进行了有效定位，结构两端支座处临时支架是否有牢固，并且做好防风、抗雨、保温等各项焊前准备工作，在施焊过程中尽可能使用一种焊接方法进行施焊，以减少焊接能量不同引起的附加焊接应力。现场焊接的技术措施(1)必要时现场将搭设临时工棚和高空临时防风雨棚,以改善因风、雨等自然环境所造成的影响。(2)提供必要的胎架、模具，选用适当的电焊机、碳弧气刨、稳压器及焊接辅助装置如干燥箱、保温筒、测温仪、加热设备等，确保焊接所需的装备完整，能满足质量保证的需要，焊前焊条必须烘干处理。(3)桁架拼接电焊由胎架保证其几何对中及接口稳定，应严禁雨天和环境不利于焊接质量时施焊。(4)为了保证桁架几何尺寸的正确，每榀桁架应多人同时电焊，并每个接口应二人同时对称施焊，以减少焊接变形。4.5焊接施工准备及要求焊接环境焊接场地环境必须要满足以下条件：钢板表面温度≥0℃，相对湿度≤80%，风速≤10M/S（手工电弧焊）。对焊工的要求因桁架系统在设计、构造上有其特殊性，在施工前的技术难点的控制中已对桁架结构各构件的现场拼接接点进行细化设计，并进行焊接工艺评定试验，现场对焊接工艺及节点构造的可行性进行验证。验证焊接接头的强度满足设计要求，确定焊接工艺参数，即焊接电流、电压、焊接速度等一系列工艺参数，使焊工按照此参数进行施焊，确保焊接的质量。(1)施焊时应严格控制线能量（≤45KJ/CM）和最高层间温度（≤350℃）；(2)焊工应按照工艺规程中所指定的焊接参数，焊接施焊方向，焊接顺序等进行施焊；应严格按照施工图纸上所规定的焊脚高度进行焊接，对于桁架的焊缝施焊，原则上要求对称同时进行。(3)焊接