大跨度穹頂鋼結(jié)構(gòu)的制作與安裝

長春市雙陽水泥廠石灰石預(yù)均化庫屋蓋為大跨度穹頂鋼結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)平面技影為正18邊形(通稱圓庫),對角線軸距(直徑)86.616m,中央矢高27.6m,是目前國內(nèi)已竣工的跨度最大的穹頂鋼結(jié)構(gòu)之一(圖6-14-1)。 該工程在設(shè)計(jì)中首次采用型鋼管結(jié)構(gòu)無節(jié)點(diǎn)板桁架,扭剪型高強(qiáng)螺栓拼接的安裝方式。該工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn),計(jì)算用鋼量指標(biāo)為49kg/m2。

由于結(jié)構(gòu)新穎,設(shè)計(jì)中采用了新技術(shù)、新工藝,對結(jié)構(gòu)制作安裝提出了很高的要求,其制作精度和安裝偏差的要求已高于國家現(xiàn)行施工及驗(yàn)收的規(guī)定。

1.大跨度穹頂鋼結(jié)構(gòu)的制作方案確定

由于雙陽水泥廠地處偏僻山區(qū),構(gòu)件超重超長,長途裝運(yùn)不便,通過方案論證和費(fèi)用測算,確定采用現(xiàn)場制作方案。設(shè)計(jì)單位提出,這樣大跨度的鋼結(jié)構(gòu),其溫度收縮會(huì)引起結(jié)構(gòu)較大變形。為確保安裝順利,制作和安裝時(shí)的溫度應(yīng)相差不多,這就需要跨年安裝。通過反復(fù)論證,認(rèn)為只有采取有效措施,控制和補(bǔ)償溫度收縮,當(dāng)年制作當(dāng)年安裝才是最優(yōu)方案。

由于結(jié)構(gòu)跨度大,國內(nèi)又無先例,設(shè)計(jì)單位在圖紙說明中提出宜進(jìn)行整體預(yù)試裝。認(rèn)為只要采用精密的加工技術(shù)和先進(jìn)的測試手段,保證各構(gòu)件尺寸精度,采用不進(jìn)行整體預(yù)試裝,直接進(jìn)行安裝的方案,是有把握的。

2.鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)與鋪設(shè)

鋼平臺(tái)是構(gòu)件制作的重要保證條件,在分析圖紙的基礎(chǔ)上,確定了鋼穹頂制作需要放1/18面積(即一個(gè)三角單元體)平面大樣和半跨立面大樣。為此設(shè)計(jì)了與放大樣相適應(yīng)的多邊形鋼平臺(tái),在最大限度上減少了平臺(tái)占地面積和鋪設(shè)費(fèi)用。

平臺(tái)鋪設(shè)時(shí)采用了有效措施防止沉降,保證其平整度誤差在2mm內(nèi)。

3.機(jī)具設(shè)備現(xiàn)場制作

機(jī)具設(shè)備現(xiàn)場制作配備了大噸位汽車式起重機(jī)用以移送和翻轉(zhuǎn)構(gòu)件,配備了交、直流電焊機(jī)用于焊接和電弧氣刨,以及齊全的切割下料、調(diào)直、鉆孔設(shè)備,還配置了超聲波探傷儀用于焊縫探傷。

為確保放樣制作的尺寸和角度精確,配備了鋼卷尺、鋼板尺、游標(biāo)卡尺、萬能角度尺、游標(biāo)量角器、塞尺和寬度角尺等測量工具,并對鋼卷尺進(jìn)行了精密測定。

4.鋼結(jié)構(gòu)制作的技術(shù)難點(diǎn)

由于結(jié)構(gòu)全部為封閉尺寸,螺栓連接,對構(gòu)件制作精度要求非常高。經(jīng)過技術(shù)論證,認(rèn)定要達(dá)到制作的精度要求,主要的技術(shù)難點(diǎn)是:

1.尺寸精度控制:這個(gè)問題貫穿于施工全過程,包括放樣、下料、組對、焊接等各道工序。

2.控制焊接收縮和焊接變形:焊接收縮主要指沿構(gòu)件(管件)長度方向的收縮;焊接變形指由焊接應(yīng)力引起的各類變形,包括線變形、角變形和彎曲變形。

3.鋼管腹桿的相貫線加工。

針對上述3個(gè)技術(shù)難點(diǎn),采取了一系列技術(shù)措施來保證制作的精度。

5.放樣

所有構(gòu)件在鋼平臺(tái)上按投影幾何原理放1︰1足尺大樣,放樣工具采用紅外線測距儀、經(jīng)精密校驗(yàn)的鋼尺和拉力計(jì),先用校驗(yàn)過的鋼尺結(jié)合拉力計(jì),根據(jù)圖紙放出所需要的大樣,然后用紅外線測距儀對大樣誤差再進(jìn)行校正。

用此方法,半跨鋼架大樣用紅外線測距儀測定的誤差為+1mm,不需調(diào)整就滿足了設(shè)計(jì)要求。

所用鋼尺須經(jīng)精密校驗(yàn)。因50m鋼尺出廠時(shí)誤差±10mm均在合格范圍內(nèi),而用于本工程鋼結(jié)構(gòu)制作是無法保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精度的。在用鋼尺進(jìn)行精密測量時(shí),可根據(jù)校驗(yàn)時(shí)給定的每把鋼尺的尺長改正方程式和溫度,進(jìn)行改正。

經(jīng)反復(fù)測定證明,連接成一體的鋼平面能克服伸縮阻力而與鋼尺具有同樣的溫度變化系數(shù)。根據(jù)這個(gè)結(jié)論,放于鋼平臺(tái)上的大樣不必因溫度變化進(jìn)行修正。

6.下料

下料前對型鋼進(jìn)行校正,以冷校為主,輔以熱校正,由于工字鋼長而且重,為此制作了螺旋千斤頂校正支架和平行進(jìn)給支架,以提高工效和作業(yè)質(zhì)量。下料時(shí),由于受溫度、焊接工藝、焊縫形式等諸多因素影響,為保證構(gòu)件制作精度,需精確地預(yù)留焊接收縮余量,為此采取的措施是:在制作同型號的第一個(gè)構(gòu)件時(shí),先留足理論收縮量,再加長10~20mm,待焊接收縮結(jié)束后,測定出實(shí)際收縮量,割去多余部分(注意應(yīng)盡量保證在同一條件下加工)。

7.鉆孔

構(gòu)件中所有高強(qiáng)螺栓的群孔采用鉆模鉆孔;連接板的孔采用配鉆法、疊鉆法加工;工字鋼翼緣、環(huán)向托架及焊接實(shí)腹鋼梁的螺栓孔在構(gòu)件組對焊接結(jié)束后,再以端部為基準(zhǔn)劃線鉆孔,以避免組合誤差和焊接收縮變形影響孔位。

鋼架GJ4與中心GJ5連接的弧形板采用雙圓環(huán)夾緊后同時(shí)配鉆徑向孔方法,將外環(huán)切割成GJ4的端板,切割板后產(chǎn)生了一定曲率變化,然后以內(nèi)環(huán)為胎膜對其進(jìn)行二次校形,使其在安裝時(shí)兩圓弧得以很好吻合。

8.鋼管相貫線加工

主鋼架內(nèi)環(huán)向的托架中,由于腹桿設(shè)計(jì)采用鋼管,且無連接板,施工中需對正斜兩鋼管相貫線進(jìn)行加工。 鋼管的相貫線切割在國外有專用設(shè)備,據(jù)了解,國內(nèi)的仿形切割機(jī)只能作平面仿形切割,而對象鋼管相貫這樣的空間曲線無能為力。為此,先把相貫線展開在平面上,用鐵皮做出樣板,再把樣板圈起套在鋼管上畫線,切割成形后觀察吻合程度,再反復(fù)修整樣板,直至達(dá)到精度要求。

9.組對、焊接

為確保構(gòu)件在鋼平臺(tái)上的組對精度,每天班前測量鋼平臺(tái)的沉降,對不均勻沉降超過精度要求的部位,進(jìn)行改正。固定桿件采用固定拉板,頂緊螺栓、平臺(tái)墊板、墊塊構(gòu)成整體胎具。組對鋼架時(shí),GJ1~GJ4同時(shí)進(jìn)行,各端部法蘭板精確定位,并用卡具成對卡緊,各桿件用專用墊塊墊平,保證各桿間軸線匯交點(diǎn)位置正確。

焊接除GJ5的焊接H形鋼采用自動(dòng)焊,G08A焊絲,其余根據(jù)現(xiàn)場施工特點(diǎn)采用手工電弧焊,其中對接焊縫采用電孤氣刨清根技術(shù),對接焊縫進(jìn)行100%的一次超聲波探傷,結(jié)果達(dá)到了二級焊縫的設(shè)計(jì)要求。

10.防止焊接變形和減小焊接應(yīng)力的具體措施

防止焊接變形和減小焊接應(yīng)力的具體措施在鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中,焊件的焊縫和熱影響區(qū),由于不斷受到焊接熱循環(huán)的作用,在焊件內(nèi)部產(chǎn)生焊接應(yīng)力和焊接變形。由于本工程鋼結(jié)構(gòu)全部栓接,且大部分是封閉尺寸,任何微小變形都可能影響安裝質(zhì)量,故應(yīng)采取有效措施防止焊接變形。

防止變形主要采取以下措施:

對稱焊接,同時(shí)焊接。

選擇合理的施焊順序,如分中逐步退步法、逆焊法和多層同速焊接法。

采取臨時(shí)加固措施。

采用反變形法施焊。

以上方法根據(jù)各構(gòu)件特點(diǎn),或同時(shí)采用或部分采用,下以環(huán)梁和鋼桁架為例作簡要說明。

1.外環(huán)梁為焊接實(shí)腹工字梁,其主要變形傾向?yàn)橐砭壈逑騼?nèi)翻轉(zhuǎn)和沿梁長度方向彎曲,嚴(yán)重者可發(fā)生扭

曲變形。為防止翼緣板變形,在鋼梁焊接前先做一個(gè)1m長的同截面變形試件,實(shí)測其變形值,然后根據(jù)實(shí)測值做出反變形試件,再焊接測量反變形效果,得出修正值,根據(jù)修正后的變形值再對整批構(gòu)件做出反變形,然后再組對施焊。為防止鋼梁彎曲、扭曲,采用雙人同時(shí)以同手法、同電流、同速度進(jìn)行對稱焊接,焊接的走行方向采取分中逐步退焊法,然后兩側(cè)同時(shí)挑焊加勁肋立縫,走行方向如下:

→ → → ← ← ←

6 4 2 1 3 5

按上述方向焊接實(shí)測除個(gè)別殘余變形少量超要求,需校正外,絕大多數(shù)滿足要求,不需校正。

2.為防止鋼桁架焊接變形,采取以下措施:鋼桁架采取平面組對,立起焊接,以防止側(cè)彎。上弦節(jié)點(diǎn)先向下放置,每個(gè)節(jié)點(diǎn)1人,多人同時(shí)焊接。然后翻轉(zhuǎn)再焊接下弦節(jié)點(diǎn),焊接時(shí)兩端上下弦之間由于有一桿懸浮,采用反正絲桿頂緊,防止內(nèi)彎。

11.吊裝方案的確定

吊裝前提出了4套吊裝方案,對比分析見表6-14-1。

對比分析后確定方案4為最佳方案。

12.庫中心臨時(shí)支撐搭架的設(shè)置

選用塔高為24.5m的輸電鐵塔作為庫中心臨時(shí)支架固定GJ5,GJ5的軸心采用激光經(jīng)緯儀測定,塔基采用獨(dú)立樁基礎(chǔ),塔頂部設(shè)4000mm×4000mm的鋼平臺(tái),GJ5座落在3臺(tái)50t千斤頂之上并呈120°角,用9塊250mm×600mm×30mm鋼板螺栓連接固定GJ5,在吊裝過程中呈可調(diào)狀態(tài)(圖6-14-2)。

13.地面拼裝三角單元體

1.地面放線后設(shè)置臨時(shí)支架,拼裝順序如下：

GJ1—GJ2—TJ2—TJ4—TJ1—TJ1B—TJ1—支撐與桿件SC5—SC4—SC3—SC2—SC1,其中SC1末端不作螺栓固定,待就位后再進(jìn)行聯(lián)結(jié),拼裝后逐步進(jìn)行檢測。

2.三角單元體地面拼裝及起吊順序(圖6-14-3)。

第一輪位置2~3軸、9~10軸、17~19軸;

第二輪位置4~5軸、11~13軸、20~21軸;

第三輪位置7~8軸、5~16軸、22~23軸。

其中第一輪拼裝及吊裝,開由于場地限制,第三個(gè)三角單元體分兩段組拼,待每輪前兩個(gè)三角單元體吊裝就位后進(jìn)行地面對接,再行起吊就位。

14.試起吊就位

地面組拼后會(huì)同設(shè)計(jì)、建設(shè)單位的工程技術(shù)人員對拼裝質(zhì)量、幾何尺寸進(jìn)行嚴(yán)格檢查,起吊時(shí)用4臺(tái)車分別位于三角單元體兩側(cè)進(jìn)行微調(diào)就位,試穿高強(qiáng)螺栓,確認(rèn)就位角度和幾何尺寸準(zhǔn)確,試吊成功。

15.吊裝方案實(shí)施

正式吊裝時(shí),8臺(tái)吊車分別就位于2~3軸,9~10軸三角單元體的兩側(cè),同時(shí)起吊至預(yù)定位置準(zhǔn)確就位后,先將三角單元體與周邊環(huán)梁連接,再連接上端中心鋼架GJ5配合高強(qiáng)螺栓進(jìn)行初擰,然后撤掉2~3軸和9~10軸下端的4臺(tái)吊車轉(zhuǎn)至17一19軸兩側(cè),將分段組拼的三角單元體連接后起吊就位,配穿螺栓后3個(gè)三角單元體同時(shí)進(jìn)行終擰。地面用2臺(tái)經(jīng)緯儀同時(shí)進(jìn)行檢測,保證終擰時(shí)GJ5的軸心垂直度和水平位移控制在允許范圍內(nèi),至此完成了第一輪3個(gè)單元體的吊裝,轉(zhuǎn)換順序見圖6-l4-3。

對于空跨三角單元體的吊裝,待9個(gè)三角單元體吊裝后進(jìn)行9個(gè)空跨的托架及支撐的吊裝。

高強(qiáng)度螺栓緊固順序同上,但均不宜進(jìn)行終擰,待全部螺栓配穿后由內(nèi)向外依次進(jìn)行終擰。

該工程采用的施工方法克服了傳統(tǒng)吊裝方法的弊病,確定的方案是以滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好、成本低、可

操作為原則,經(jīng)過可靠的技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證,選取最佳的結(jié)構(gòu)吊裝方案,即120°角吊裝方法,吊裝的穩(wěn)定性很好,保證了鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和安全,最大限度地減少了空中作業(yè)量。在高強(qiáng)度螺栓的緊擰中,采用手動(dòng)大搬手進(jìn)行初擰和終擰,取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。