复杂空间铸钢节点钢结构施工方法管桁架八角楼高空拼装柱脚限位

****新馆*****复杂空间钢结构施工【摘要】采用铸钢节点实现多管相交的空间结构体系制作与安装施工【关键词】钢结构铸钢件空间定位铸钢节点焊接变形矫正柱脚限位异型组合截面梁1、工程概况及特点1.1概述****新馆系国际建筑大师****先生的封笔作品，****在其中三个最大的空间设计上打破苏州民居方方正正的传统，将它设计成八角大厅（简称八角楼）。大厅的屋顶具有一种奇妙的几何效果，玻璃屋顶与石屋顶相互映衬；其中绘画厅有8个石材屋面，中央大厅共有12个石材屋面，均有1个采光玻璃顶屋面，众多屋面高低错落，别具一格；而大厅的屋面结构为高低错落的空间管桁架结构体系。1.2管桁架结构体系特点和难点（1）八角楼具有复杂的造型，钢铸件节点伸出多个接头，节点是一个复杂的三维体（见节点三维图），每个铸钢节点的安装精度都直接影响到与之相连的若干个管件，安装过程中须控制累计误差并及时的进行铸钢件之间相对位置的协调和修正，制作安装测控难度大。（2）主结构节点为8根大直径厚壁钢管汇交，管材为Φ219*22mm和Φ168*22mm无缝钢管；节点外形复杂，相贯交汇技术难度大。（3）焊接变形大矫正难：主桁架采用圆管+T型钢组合截面，焊接变形大，矫正困难；（4）焊接难：铸钢节点需要与相连的管件组对并等强焊接，焊缝大多为高空全位置焊接，焊接的质量控制是控制的重点。空间结构中一个典型节点的三维模型：2、空间结构的制作2.1根据复杂空间结构特点的分析确定制作思路，克服安装测控难度。八角楼空间形状复杂，节点众多，首先从结构特点入手，确定空间结构的制作、拼装思路。在图纸和节点深化过程中，技术人员采用Tekle-xsteel公司开发的钢结构实体模型软件xsteel，将钢结构（包括相关专业）的信息生成三维模型，深化精度为0.1mm；通过整合的3D及2D的Database物件导向功能，将三维空间结构用2D图面清晰、完整的表达出来。再将空间结构转换成多个平面结构（化整为片），其他构件制作成标准散片，采用散装对接，如（图一）示意；其中主控桁架简化成两榀带有铸钢节点的控制面（控制桁架1、2），如（图二）示意。2.2克服钢管交汇技术难度的节点制作施工主结构节点深化设计将相贯交汇优化为铸钢节点（1）主结构节点为8根大直径厚壁钢管交汇，相贯焊接难以成型和保证质量，经深化设计分析比较，采用铸钢节点。（2）采用三维CAD将相交管件的空间位置及预留长度按照实样进行建模，并获得相关参数。改进制作工艺保证铸钢节点质量1、模型制作要点（见图三）（1）在CAD建模和取得相关参数后，制作铸钢件节点模型。（2）采用干燥的红松制作整体实样，支管采用抽芯模结构，装配时先将尺寸线按角度或用样板将具体位置确定，通过测量弦长调整到位后固定。（3）木模制作过程中，全部几何尺寸、拔模斜度等，必须按图检验做好记录，并经质检员、工艺员对实物复核、签字后方可投产。2、浇筑要点（1）采用底注式浇注系统，直浇道、横浇道、内浇道采用耐火砖管。型腔表面涂锆英粉涂料二遍，用煤油喷枪辅助烘干，以获得较高的外表质量。（2）为减少铸件收缩阻力，降低铸造应力，防止裂纹的产生，在砂芯中间放草绳等退让性材料，提高退让性。3、热处理工艺（1）为提高和改善材料的力学性能，铸件进行正火热处理，以均匀钢的化学成分和组织，细化晶粒。（2）经加工和热处理后，铸钢件节点材料特性。本工程的铸钢节点采用的材料是参照德国规范DIN7182中的铸钢材料GS-20Mn5，与其连接的钢管是定量加工的Q345B无缝钢管，铸钢节点壁厚40mm，钢管材料规格为：Φ219*22mm、Φ168*22mm。铸钢节点材料的化学成分见表一，经设计认定符合要求。表一铸钢节点材料化学成分C(%)Si(%)Mn(%)P(%)S(%)Cr(%)Mo(%)Ni(%)0.15～0.118≤0.601.0～1.3≤0.020≤0.0200.30≤0.150.402.3克服高空拼装技术难点的主要措施平面定位八角楼的八根钢柱尺寸为Φ219*22，用钢板在地上铺设水平的操作平台，以八角楼中心点为原点，通过经纬仪在平台上出放出每个柱脚的中心线，并用墨线做好标记，采用Φ168*10mm做为定位钢管（钢柱内径为Φ175mm），将其根据设计尺寸在平台上精确定位。钢柱定位如图四所示：铸钢节点空间定位（见图四-1）（1）八角楼空间形状复杂，如何将三维铸钢件安装到正确的空间设计位置，保证各个管口的空间位置的准确，是第一个需要解决的实际困难。（2）通过对空间结构的分析，虽然铸钢件管头、夹角很多，但在平面投影上只有正交的XY方向，用墨线将铸件管口的中线分出，在正交方向上设置一对线锤对准地面上的轴网控制线。（3）铸件节点设计标高在实体内部，节点中心标高控制无法实现，通过计算得出管口顶面的标高值，作为标高控制依据（见图三），标高的微调依靠临时支撑柱底部的液压千斤顶。组合截面的热校正克服矫正难点八角楼主梁均为圆管+T型钢的组合截面，断面异型，圆管与T型钢的连接采用自动埋弧焊接，焊接后变形量高达40~60mm。尝试了多种防变形措施，最终采用火焰矫正法，在变形方向100mm宽的三角形范围内加热，多人同时操作，加热间距控制在500mm左右，保证热影响区的连贯性，因材质采用低合金钢Q345B，禁止水冷，温度回到环境温度后，钢梁水平度均可以达到±3mm以内，火焰矫正如图五所示：2.4保证铸钢节点与管件组对等强焊接措施组对等强焊接概况和材料要点(1)材质：铸钢件材质为GS-20Mn5，壁厚40mm；钢管材质为Q345B，壁厚22mm。(2)焊口形式与数量：焊缝坡口形式为戴内衬管V型坡口，共8个焊口，4个管径219mm，壁厚22mm；4个管径168mm，壁厚22mm。(3)焊接方法：采用手工电弧焊接和二氧化碳保护焊。(4)焊接材料：本次焊接使用的焊材为E5015Φ3.2~Φ4.0焊条，焊条在高温烘干箱中烘干焊接前烘培至300℃~350℃；焊条烘干次数不得超过两次。E5015熔敷金属化学成分见表二：，其化学成分均与铸钢件化学成分适用。表二E5015熔敷金属化学成分CMnSiSP0.120.900.600.0350.035组对等强焊接措施(1)铸钢节点焊前预热热源采用氧—乙炔中性火焰，预热范围沿焊缝中心两侧各100mm以内进行全方位均匀加热，当预热温度、范围达到预定值后，恒温20~30分钟，温度测试离坡口80~100mm处进行，采用红外线测温仪感应测温。预热温度：铸钢件控制在230℃左右；22mm壁厚钢管控制在200℃度左右。(2)根部（封底）焊接由于本工程使用的铸钢件接头处带有与铸件连为一体的管内垫板，故根部焊接只需注意垫板与无缝钢管的坡口部分的熔合，并确保焊肉介于3.0~3.5mm之间及可。3、八角楼现场安装施工控制要点3.1保证控制桁架精确的限位设计桁架工厂预拼装、焊接完成后，因“控制桁架”体型较大，无法整榀运输，将其一分为两，为保证其在安装现场精确组装，在桁架上采用角钢(L100x10)斜杆限死对角线尺寸，用M20无隙定位螺栓（Φ20孔）。如图六所示：3.2现场拼装措施因场地条件限制，只能将“控制桁架”平放在混凝土地面上进行组装，因铸钢件腿的原因，桁架面比地面高出约500mm，用脚手钢管、扣件搭设简易龙门架悬挂倒链葫芦，用水平仪将桁架管上表面的水平度控制在±5mm以内，并用角钢（L50*5）临时点焊固定；管口组装根据工厂内设置连接耳板（正交方向各设一副），保证管口间隙和杜绝错口情况的发生（如图七所示），并在“控制桁架”上设置剪刀撑和其他临时限位措施，防止焊接过程中节点收缩引起构件外形尺寸的走样。3.3结构安装施工的柱脚限位措施将轴线放置于二次找平的预埋钢板上，用Φ168x10mm钢管作为圆管柱脚的限位装置（柱脚钢管Φ219x22mm），理论误差不超过±3.5mm；当“控制桁架1”的钢管柱脚套牢限位管后，立即用经纬仪配合线垂将桁架的垂直度校正到位并与脚手支撑架点焊固定，并做好揽风绳的设置，桁架的就位又快又准，大大加快了安装进度，如图八所示：4、工程体会（1）****几个大厅结构形式复杂，在图纸和节点深化过程中，采用钢结构实体模型软件Xsteel，将三维空间结构清晰、完整的表达出来，这是做好工程的前提。（2）在接受工程项目后从制作到安装的设想均经过技术部门详细的技术方案论证