屋顶大跨度下悬索钢梁施工.doc

屋顶大跨度下悬索钢梁施工

江苏省苏中建设集团股份有限公司 顾明春

中科院研究生院中关村教学楼工程系2002年度北京市“十佳”优秀设计作品之一，工程位于北京市海淀区中关村南一条3号。该工程由南、北两栋楼组成，两楼之间为中庭。中庭的东、西立面分别采用点式玻璃幕墙和半隐框玻璃幕墙，顶部为可翻转的折线形玻璃天窗。大楼东入口顶部设有面积144m2、挑幅达4.8m的悬挑钢结构雨蓬。雨蓬的所有荷载均传递至一根跨度为29.034m的下悬索钢梁（该梁跨中无支点）。此外，该梁还承担了另一侧面积达180m2的玻璃天窗屋面荷载的一半。经计算，作用在该梁上的荷载组合值达15.662KN/m，跨中最大弯矩值1469KN·m，考虑的基本风压值为0.35KN/m2。该梁距地高度22.10m，梁体自重84.6KN。
一、大梁设计
大梁采用Q235钢板焊接而成，截面为H700×450×16×25，上下翼缘板均厚25mm，腹板厚16mm，加劲板厚14mm。加劲板沿梁全长布置，间距1.8m，在梁端适当加密。大梁弯矩由上弦承受，下弦钢绞线控制跨中扰度。钢绞线预张拉55KN力，可抵抗弯矩110KN·m。计算后得出的大梁总扰度为148m，梁身预起拱83.7mm用以抵消自重扰度，实际扰度为64.3m。该梁形式见下图：

二、大梁施工
1、工厂预焊
因本工程施工现场场地狭小，不具备现场下料及施焊条件，且现场施焊难以保证焊接质量，故采用了先工厂预焊，再运至现场组装焊接的方法（即“整装后焊”法），将整根钢梁分为对称两段，运至现场后再组焊和吊装。
①、焊接工艺选择
上下翼缘板及腹板采用“手工电弧焊”45°对接法接长，上下翼缘板与腹板间采用“埋弧自动焊”T形连接。45°对接及T型连接的焊缝均为全熔透V形坡焊缝。手工电弧焊采用E43型焊条，埋弧自动焊采用H08A型焊丝和相应焊剂。“H”形钢梁在焊接时，预先对上下两个翼板进行反变形处理，腹板的上、下端须开成坡口状，同时必须采取对称施焊，焊接顺序见下图：

工厂预焊的关键在于防止产生不可校正的热变形，以及因较大收缩变形产生的焊接内应力。可以通过下述几种方法控制焊后构件变形：
a、 严格按照“手工电板焊”和“埋弧自动焊”工艺规定的参数以及焊接顺序进行焊接，尽量采用对称施焊。
b、 预先采用“反变形”措施控制角变形。焊接反变形参考值按中华人民共和国行业标准《建筑钢结构焊接规程》附录五选用。
c、 放样下料时放足电焊后的收缩余量。焊接收缩余量值按中华人民共和国行业标准《建筑钢结构焊接规程》附录六选用。
d、 在台座上施焊，利用刚性固定法控制焊接变形。
②、零部件加工方法
a、 钢板采用喷砂除锈，气割下料。
b、 焊接坡口用气体切割，并辅以铣边处理，以满足焊接工艺要求。
c、 钢板下料、边缘处理，并经“冷矫法”矫正后方可施焊。焊完后检查构件的变形情况，并可再次使用“冷矫法”矫正。
③、工厂预焊注意事项
因钢板的厚度较厚（分别为14mm、16mm和25mm），在施焊过程中还应做到：
a、 在约束焊道（即台座）上连续施焊时中途不能停顿。否则应在继续施焊时对已焊的焊缝进行预热处理。
b、 多层焊时，必须将前一道焊缝表面清理干净再继续施焊。
2、出厂质量检查和构件吊运
本工程钢梁出厂前进行了如下质量检查：
①、尺寸和外观检查。
②、加工精度检查。
③、焊缝的外观检查和无损探伤检查，其中：
a、 焊缝外观检查：无“焊透、漏焊及超标准的夹渣、气孔”等情况，焊缝外观良好，无须补焊；
b 焊缝外观检查：采用超声波探伤检查，抽检数为焊缝总数的30％，检验结果符合要求。
经以上检查，该钢梁各项指标均符合规范要求，准予出厂。
因该钢梁总长达27.795m，工厂预焊时将其分为两截，每截长度接近13.9m，须用加长型载重汽车运输。为了保证钢梁的扰度不受影响，且不因吊装致其变形或翘曲，在每截钢梁的下翼缘板底设置了两个吊点，并在上翼缘板顶设置了一个吊点。吊装简图如下：

钢梁采用“立放”运输，即：下翼缘有立杆的一面朝上，上翼缘面朝下，梁下垫100＊100@1000方木，梁间用软木隔开、垫牢，以免运输时相互挤压和碰撞。
3、现场安装
钢梁运至现场后，在现场地面完成组装和焊接，再吊至屋顶安装就位，调整好扰度、轴线、标高后穿不锈钢钢丝绳并张拉，钢梁安装即告完成。
①、现场组装和焊接
本工程钢梁由A、B两截对接组焊而成。接口处形式如下图：

因现场场地狭小，不具备设置地胎模的条件，且为了满足要求钢梁翻转要求（将上下翼缘面方向对调，与运输时上下翼缘面的方向刚好相反），现场须在靠近钢梁就位处设置钢管脚手架，在钢管脚手架上完成方向翻转。此时须借助激光经纬仪调整脚手架上各钢管的标高，将A、B两截钢梁的轴线对中，梁中预起拱83.7mm以抵消钢梁自重扰度（钢梁在下料时此值已预留）。
②、吊装就位
钢梁经组焊后总长27.795m，自重8.46t，须采用“两机抬吊”或“单机起吊”安装就位。因现场场地狭小，且为节省机械台班费用，本工程采用了“单机起吊”方式。采用的起重机为“KATO-50t”汽车吊，各项技术参数均能满足起吊要求。
4、参数调整及悬索安装
钢梁吊装就位后，在其下部搭设满堂钢管脚手架系统，借助千斤顶、经纬仪、水准仪等进行各项技术参数调整及不锈钢下悬索的安装。利用千斤顶和水准仪调整梁身各段标高，使之符合设计要求；利用千斤顶和经纬仪使其精确就位。
当钢梁精确就位后，在铰支座端塞入φ78销钉，固定端则与柱顶预埋钢板焊牢。随后将预先准备好的锈钢钢索（1×19，公称直径φ16.0）穿入梁下φ114×5.0无缝钢管立杆内。不锈钢钢索在梁铰支座端采用专用不锈钢索头，在梁固定端采用专用不锈钢钢索张紧头。不锈钢钢索的张拉采用YC60型张拉千斤顶及相应设备，采用一次超张拉值103％σcon法施工。张拉前应记录不锈钢钢索的原始长度，张拉时应缓慢加压。当张拉压力值达到2.5MPa时停止加压，调整千斤顶的位置，并继续分级加压，直至达到设计要求的张拉力值。
三、施工小结
本工程施工现场场地狭小，钢梁的长度较长，吊装高度亦较高，施工具有一定的难度。而采用上述方法完成的钢梁，各项技术参数、施工质量等都能够得到有效保证，施工时间更是大大缩短，由此也节省了一定的工程造价，符合我国建筑工业化、施工机械化及工厂化的总体发展方向，有效提高了劳动生产率，具有一定的推广价值。该工程己被评为北京市2003年度建筑工程长城杯金奖。