大跨度空间钢结构高空合拢技术

郑小军 蒋晓洪

（中国五冶集团有限公司 四川成都 610107）

1 工程概况

某博物馆为大型综合性博物馆，项目占地面积为38119m2，建筑面积为49157m2。

图1 建筑整体效果图

图2 钢结构整体效果图

地上四层，地下一层，地下局部设有夹层，采用钢筋混凝土筒体-钢桁架-钢筋混凝土框架组成的混合结构体系，建筑高度31.2m。

二层设有局部悬挑桁架；三层楼面以上由四个钢筋混凝土筒体支承八榀主钢桁架形成的屋盖钢结构，主钢桁架净跨度约40m，外挑约15～17m。主桁架材质为Q420B，钢桁架最大高度9.1m。

核心筒共计有四个，采用型钢混凝土结构，核心筒钢柱采用口400×400×50箱型钢骨柱，材质Q345B，钢骨柱外裹C40混凝土。

钢屋盖总重量约7800t，采用地面整体拼装，4个核心筒顶设置32台350吨千斤顶计算机控制液压整体提升的施工方式，桁架提升到设计标高位置后，连接桁架上、下弦及桁架腹杆，提升合拢焊接口160道，分布在4个核心筒周围，材质为Q420B，截面最大为口1100×400×70×70。

图3 施工效果图

图4 施工实照

2 大跨度钢结构合拢技术

大跨度空间钢结构体系的复杂性，同时结构平面尺度、跨度和工程量很大，一方面结构安装的时间长，大幅度的温度变化将在结构中引起很大的内力和变形。另一方面，安装误差的存在，会导致误差的累计，须采用对称安装、分块安装等措施消除，否则将对结构产生较大的附加应力。因此，为控制施工过程的变形，减少结构安装过程中的安装应力、焊接内应力和温度应力等，在安装过程中，一般采用分块或分区段安装法，即先将各分段构件在高空依次拼接为若干个对称、均匀布置的独立板块或区段，最后将各独立板块或区段连成一个整体，即为合拢。

3 合拢关键技术

大跨度钢结构在施工过程中结合钢结构特点、现场空间平面具体布置、吊装资源及其性能参数等，确定总体施工工艺方案。本文针对南充博物馆钢结构合拢施工技术进行探究：

3.1 合拢路线的选择

确定合拢线时，结合结构本身的受力和变形、钢结构的整体安装顺序和主桁架（或主钢梁）的安装分段情况，尽可能减少合拢点的数量，以方便施工，减少合拢时的人员、设备及其它资源的投入，并确保施工过程的安全，保证工程质量。

（1）焊接分区

屋盖提升完成后，先同时进行分区一、分区三核心筒合拢焊接，完成后再进行分区二、分区四核心筒合拢焊接。

图5 合拢分区图

图6 合拢顺序图

（2）各分区焊接顺序

各分区先焊接核心筒内侧两个面合拢节点（编号1、2），再焊接桁架悬挑侧核心筒两个面合拢节点（编号3、4）。

（3）合拢节点焊接顺序

屋盖提升完成后，先焊接桁架下弦杆（1）焊缝高度的40%，再焊接腹杆（2）焊缝高度的40%，最后焊接上弦杆（3）焊缝高度的40%，再按照1→2→3的顺序依次焊接焊缝高度剩余的60%。

图7 合拢节点焊接顺序

（4）合拢节点构件焊接顺序

桁架合拢节点均为箱型截面，板厚70mm，焊接位置有平焊、立焊、仰焊，采用CO2气体保护焊（GMAW）打底、填充、盖面。焊接时，采用多层多道错位焊接技术，CO2气体保护焊（GMAW）每一层的厚度为3～5mm，接头不在一个平面内，通常错位50mm以上。焊接前要求预热到150℃，并在焊后用石棉保温12h以上（见图8～9）。

杆件焊接时采用对称焊接，先焊接1焊缝高度的40%，再对称焊接2焊缝高度的40%，之后焊接3焊缝高度的40%，最后再按照1→2→3的顺序依次焊接焊缝高度剩余的60%。

3.2 合拢温度的选择

对于大跨度结构，在确定结构的初始温度时，①需要结合当地气象条件，使初始温度接近年平均气温，使可进行施工的天数较多；②要考虑施工进度计划与可能出现的变化，预留一定的允许温度偏差范围；③结构合拢温度尽量设定在结构可能达到的最高温度与最低温度之间，使结构受力比较合理。本工程钢结构合拢温度设定在20℃±2℃。

图8 多层多道焊接示意图

图9 构件焊接顺序示意图

3.3 合拢时间控制

合拢温度可在设计要求的温度范围内选取，合拢时间应根据温度监测资料、气象信息资料及天气情况来确定，尽量安排在夜间温度相对稳定的时间段及后半夜进行，减小合拢过程中合拢口出现过大的温度应力。施工时，先根据气象台提供的实时气象监测资料提前进行温度监测，然后根据温度监测结果和收集的气象资料，确定初步的合拢时间。初步合拢时间确定后，各相关人员准备就位，准备进行合拢。同时继续进行严格的温度监测，待温度达到设计要求时，统一指挥，即刻进行合拢。

3.4 合拢段安装工艺

合拢段安装具体要求如下：

（1）控制合拢时合拢口的间隙，减少合拢口的焊接量，以确保焊接质量，实际操作中可能无法满足预定的条件，可调整合拢段，先焊一端的坡口间隙。

（2）严格控制合拢口的错边量，减少应力集中。

（3）合拢段安装就位后，除要求的合拢口暂不焊接连接，其它接口部位及时焊接完毕，以提高结构的整体稳定性。

（4）为确保合拢口在施工过程中因温度变化而自由伸缩，合拢口采用钢码板搭接连接。

（5）尽量选择与合拢时相近的温度条件下或低于该温度的条件下安装合拢段，以方便合拢段的就位。

4 结束语

为减少结构施工过程附加应力，确保结构使用过程中安全的主要技术，大跨度空间钢结构的合拢技术将会更加引起广泛的重视；本文通过对该博物馆钢结构合拢技术的总结、研究，期望能对今后大跨度钢结构合拢技术研究起到借鉴的作用，并能指导实际工程，使得大跨度钢结构施工更加安全、高效和经济。