球铰体系铸钢支座及巨型人字柱的空中定位安装技术.doc

球铰体系铸钢支座及巨型人字柱的空中定位安装技术 本文详细介绍了自行车馆工程球铰体系铸钢支座及巨型人字柱的空中定位安装技术，从质量、安全、工期、经济性等方面综合分析了其应用效果。一 概述*自行车馆圆形钢结构屋盖水平投影直径149.536m，钢网壳跨度133.06m，矢高14.69m，网壳厚度2.8m，顶标高35.29m，整个屋盖系统是由双层球面焊接球网壳、全封闭相贯线节点环形管桁架、24组向外倾斜15、高度10.35m的人字柱以及24组球铰可转动铸钢支座组成的组合结构体系。整个屋盖系统总重量约2000吨。 图1 钢结构外观图2 网壳主要外形尺寸示意图施工中为便于区分，将整个屋盖系统分为A、B、C三个区，其中：A区为焊接球网壳部分，B区为环梁系统，C区为人字柱和铸钢支座（如图3所示）。图3 屋盖系统分区图C区为人字柱和铸钢支座，是钢网壳的支撑系统。人字柱共24组，材质为Q345C，每组由两根100018的钢管相贯焊接而成，单根长度为12m，重量为5.3t。铸钢支座共24套，由于我国的铸钢节点标准尚未出台，本工程铸钢支座按德国标准DIN17182执行，材质为GS16Mn5N。每套铸钢支座总重量为8.8吨，由四个部件组成（见图4），各部件连接部位需要采用精密机加工。铸钢支座总重量200吨，人字柱总重量260吨。图4 人字柱与铸钢支座结构示意图及实体照片 铸钢支座的安装直径为126.282m，标高为7.2m，24个铸钢底座均匀分布在以建筑主体中心为圆点的圆周上。人字柱和铸钢支座就位后均沿环向向外倾斜15。铸钢支座底座与预埋板（规格：110090060）通过焊接固定。预埋板材质为Q345CZ15，焊缝要求为角焊缝。铸钢支座上部与人字柱连接方式为插接焊接，接头形式见图5，焊缝等级为一级全熔透焊缝。图5 铸钢支座与人字柱焊接连接示意图铸钢支座采取预先在预埋板上测量放线、设置定位挡板，将铸钢支座地面组装、整体吊装的方案安装。地面组装避免了逐件安装时在倾斜状态下难以调整、不便操作的问题。安装人字柱后，在地面胎具上将每组人字柱组成人字形整体吊装，下端与已经安装了的铸钢支座插接固定，调整就位后，点焊固定，上部用钢丝绳与混凝土结构拉结固定，最后完成焊缝焊接。地面组对后再吊装避免了两根人字柱之间相贯节点高空调整和高空焊接，便于保证其夹角精度，便于就位后测量定位。二、施工重点和难点1铸钢支座单件重量达8.8吨，为球铰可转动体系，需要在向外倾斜15的预埋件上一次性安装就位，定位和安装调整的难度大。2铸钢支座精确定位的关键在于底座与预埋件准确连接。由于其就位位置不能与场馆中心点通视，需要利用外控法设置二级控制网进行定位。确保测量精度直接影响到后续铸钢支座、人字柱及上部环梁系统的安装，是施工重点之一。3人字柱每组重量达10.6吨，外形尺寸19m12m，安装定位后与水平面的夹角为69.495。需要在倾斜状态下实现空中定位，同时要实现与铸钢支座的精确对接，安装精度要求高。4人字柱材质为Q345C、铸钢支座材质为GS16Mn5N、预埋板材质为Q345C-Z15。所以，铸钢支座与人字柱的焊缝、铸钢支座与预埋板的焊缝均为异种材料焊缝，并且构件规格大，预埋板壁厚达60，焊接位置作业极不方便，铸钢支座与人字柱焊缝厚度大、长度大，需要连续施焊完成。三 施工工艺1铸钢支座安装铸钢支座每套重量8.8吨，由四个部件组成，为球铰可转动体系，安装在标高为7m，沿径向向外倾斜15的预埋件上。安装质量和精度直接影响到整个屋盖体系的安装精度。安装工艺要点如下：1.1 由于铸钢支座位置与极坐标中心点不能通视，在7m平台上建立2级平面控制网，共由9个控制点组成。1.2 用全站仪在预埋件上放出铸钢支座中心控制点和控制轴线，根据控制轴线放出控制边线并焊接定位板。图6 铸钢支座底座中心线示意图图7 铸钢支座底座安装定位挡板1.3 将铸钢支座各部件在地面组成整体，用50吨汽车吊吊装就位，通过定位板初步定位，再用千斤顶和倒链进行精确调整，准确就位后与预埋件点焊。为防止倾覆，在外侧用木方支垫，并用钢丝绳将支座上部与内侧混凝土结构拉紧。1.4 焊接铸钢支座底座与预埋板的焊缝，焊前预热、焊接过程中火焰加热以保证层间温度，焊后用玻璃丝绵包裹保温。 图8 铸钢支座在地面组装 图9 预先设置定位挡板,将铸钢支座整体吊装到位 图10 将铸钢支座与预埋件焊接牢固 图11 焊后保温2人字柱安装人字柱由两根长度为12米，规格为100018的钢管相贯连接而成，每组重量10.6吨。下端与铸钢支座插接后焊接连接，上端与1200环梁相贯焊接。安装时需要在倾斜状态下实现空中定位，安装工艺要点如下：2.1 在地面定型胎具上组对人字柱，用套模（1200）检查相贯口，焊接相贯焊缝。为防止结构变形，在人字柱要不设置支撑。2.2 根据电脑放样，在水平胎架组拼时以柱的下端面为基准，在距人字柱下端面10.05m的位置上安装观测点，并在混凝土楼面上放出其投影点。2.3 用50吨汽车吊吊装人字柱，下部与铸钢支座插接连接，上部用钢丝绳加倒链临时固定。2.4 在距安装位置约5m处设立测量站，用经纬仪校正地面投影点与人字柱控制标记点，当从不同方向观测标记点与投影点均在同一竖直面上时说明人字柱就位准确。2.5 调整就位后锁紧临时拉索，待安装完至少三组人字柱后开始焊接人字柱与铸钢支座对接焊缝。焊前预热，由两名焊工同时对称施焊，焊后采用玻璃丝绵包裹保温。该焊缝焊接量相当大，两名焊工焊接10个小时才完成。 图12 在地面组装人字柱 图13 吊装人字柱图14 人字柱与铸钢支座焊接四 技术保证措施1测量技术保证措施测量前首先在计算机中利用AutoCAD放样，计算出构件的准确坐标和构件上观测点的投影坐标等。现场建立二级测量控制网共设置9个点，控制网建立后经过分包单位、总包单位复核无误后再投入使用。2铸钢支座承载力试验在上海同济大学对一套铸钢支座进行了非破坏性足尺试验。检验铸钢支座节点在实际荷载作用条件下的承载性能，并考察人字柱与铸钢节点的连接性能。具体试验要求如下：2.1 两侧人字柱短管同时受拉，每侧拉力值不低于1200kN；2.2 两侧人字柱短管同时受压，每侧压力值不低于2900kN；2.3 人字柱短管一侧受压、一侧受拉，压力值不低于2900kN，拉力值不低于1200kN；2.4 两侧人字柱短管同时受压、但压力值不等，一侧压力值不低于3380kN，另一侧压力值不低于2290kN。试验荷载为使用状态下最大荷载的1.6倍。根据试验结果，最大应力为138MPa，结果为合格。 图15 试验照片 图16 铸钢支座有限元模型 图17 铸钢支座应力图3焊接技术保证措施铸钢支座预埋板焊缝、铸钢支座人字柱焊缝均为异种材质焊缝。焊接前对铸钢支座人字柱焊缝进行了焊接工艺评定来指导现场焊接。用铸钢支座足尺试验时底座与试验装置之间的焊接工艺来指导现场铸钢支座与预埋板的焊接。五 质量控制措施1安装精度保证措施：施工前利用计算机AutoCAD进行电脑放样，精确计算构件就位坐标点，保证测量控制点的准确。人字柱、铸钢支座就位位置与地面倾斜，通过优化方案也简化了测量工作的难度。同时，控制网建立后经过分包单位、总包单位复核无误后再投入使用。保证了测量精度。2人字柱拼装、铸钢支座组装均在地面及定型胎具进行，避免高空作业的不便，易于保证拼装精度。地面组装减少了空中姿态调整的工作量，降低了不利因素的影响。 3现场施工本着样板引路的原则进行，通过样板施工发现工艺存在的问题，进而完善施工工艺，确认无误后在大规模展开施工。4铸钢支座与预埋件、人字柱的焊缝均为异种材料焊缝，且焊接量大，焊接前根据焊接工艺评定编制焊接作业指导书，认真对焊工交底。焊接过程中严格按要求执行。焊前预热、焊后保温、并且保证层间温度。组织好焊工，保证连续焊接，一次完成。焊后按要求进行外观检查和超声波探伤。六 安全措施1铸钢支座与人字柱就位后均为向外倾斜15，在铸钢支座调整到位后外侧用木方支撑，内侧则用钢丝绳与混凝土结构拉结。2人字柱就位后与铸钢支座点焊固定，上部用三道钢丝绳与混凝土结构拉结，防止倾倒。3施工前仔细计算所需钢丝绳、倒链的规格，施工中使用复合要求的设备。七 施工体会 铸钢支座和巨型人字柱是整个屋面巨型钢网壳结构的支撑体系,其安装的精度以及连接的质量对于结构的安全起着关键的作用。我们针对确保连接质量和安装精度两大目标进行了充分的方案论证，制定了一系列可靠的技术措施，比如在7m平台处建立了2级控制网，消除了原控制网不能通视带来的影响；由于铸钢支座和人字柱重量大，空中调整位置的难度极大，我们采取了在地面组拼，整体吊装的方法，降低了空中精确定位的难度；对于预埋板、铸钢支座和人字柱之间异型材料焊接问题，我们进行了专项工艺评定，编制了焊接工艺书，并经过了足尺样板的检验，确保了焊接工艺的可靠性；施工过程中我们加强了试验检验，对铸钢支座的承载力进行了检测，对焊缝的质量也进行了100%超声波探伤检验。通过这些技术措施的贯彻落实，我们真正做到了“事前有研讨、事中有控制、事后有检验”，使铸钢支座和人字柱的安装质量完全达到了预定的目标，为下一步环梁的顺利安装以及确保钢结构屋盖的整体安装质量奠定了坚实的基础。