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上海钢结构车间深度解析首都机场T3B航站楼大跨度双曲面钢网架

编辑:上海金祠钢结构有限公司时间:2018-05-31

上海机场T3B航站楼工程屋盖为958m×775m大跨度双曲面抽空三角锥混合节点网架结构 , 上海钢结构车间网架施工面积14.1万平方,焊接球节点6843个,螺栓球节点5616个,网架用钢量8571吨。为配合屋顶边缘的曲线造型以及和内部屋顶的连接过渡,沿整体网架周边设置了边桁架。网壳和边桁架杆件均采用空心圆管,边桁架采用焊接球节点或相贯节点。在航站楼的指廊和主体连接处,设置了一道(伸缩缝)温度缝,将整个航站楼屋顶钢网架分为三部分:即指廊、主体和翼部
整体网架由124根梭形钢管柱做为支撑,钢管柱网36m×41.569m,柱顶标高18.480m~37.795m,支座形式根据网架受力的不同及钢柱的分布情况共分五种:内柱柱顶、斜边柱柱顶、直边柱柱顶、带滑动支座的内柱和带滑动支座的边柱。
采用该施工技术在确保施工质量的前提下,网架总施工工期108天,大大缩短了网架施工工期,在金属屋面和幕墙施工完毕后,网架挠度值仍在设计允许范围内,得到甲方、设计、监理的一致认可。
二、关键技术施工方法及创新点
1、施工方法
整体网架由内部网架和边桁架组成,边桁架首先安装,然后内部网架跟进安装,为了减少高空散拼工作量和网架累计误差,边桁架采取在地面拼装、地面验收的施工方法,以每个柱距为一段,采用吊机进行分段吊装,高空就位。内部曲面网架为螺栓球杆连接和焊接球杆连接相结合,采用高空散拼的安装方法。
1.1边桁架施工
边桁架为焊接球杆节点,截面单元为梯形。根据主体结构的构造形式及桁架支座布置情况,在地面上依据每榀桁架的外形尺寸,提前搭设胎架,桁架在胎架上完成节点定位和拼装焊接工作,在吊装前完成成型后尺寸、焊缝外观及内部探伤检查等工作。
1.1.1边桁架施工工艺流程(见图3)
1.1.2 边桁架施工方法
(1) 拼装胎架定位、制作
胎架拼装场地必须平整、坚实,下铺150mm厚的碎石,上铺100mm厚混凝土,然后根据桁架的宽度铺设两路12~16mm厚通长钢板,相邻两钢板间点焊牢固,并在钢板四周钉设钢管桩与钢板连牢,以防钢板松动。
在拼装钢板上用墨斗弹出桁架纵向控制中线,该中线必须用经纬仪放出,为防止钢板松动,应在中线两端地面上钉上控制桩,以便随时复核中线是否移动。然后在控制中线两侧钢板上根据边桁架的宽度分别在拼装钢板上用墨斗弹出两排纵向球杆中线,在中线上选定一基准点,按边桁架深化图上各下弦球节点间尺寸和坐标,在中线上放出各下弦球节点的中点十字线,并根据下弦球的直径放出球的边缘控制点。同时,在拼装场地附近非影响区设立一水准点,以便控制各球的高程。
根据钢板上放出的焊接球节点定位线制作胎架,每个胎架的下部,设置四根带可调高度的U托支架,U托顶面为12mm厚钢平板,即形成一个胎架,胎架中心对准下弦球节点的中心,用水平尺调整钢板平整度,调平后将U托与顶部的钢板点焊牢固。
(2) 边桁架拼装、定位焊
拼装从桁架的中部开始,按照地面钢板上放出的下弦球节点位置定位下弦球,然后采用一球两杆,一杆一球的拼装顺序,依次将桁架焊接球和下弦杆一一对应连接,对好位置后点焊固定,然后再依次拼装立杆和斜腹杆、上弦焊、接球杆单元。待一个截面单元拼装完,复核无误后方可进入下一截面单元施工,整体定位焊拼装完后,复核球、杆规格,测量桁架几何尺寸、节点相对标高。
(3) 边桁架焊接
定位焊完成后的各项检查均合格后方可根据焊接作业指导书进行球杆全焊接工作,焊接起弧应在钢管底部中心线左侧20~30mm处,引弧不得在球、杆上,以防烧伤母材。圆管的焊接在不同部位要采取不同的运条手法和焊接电流,以保证铁水不流失和避免咬肉,使焊缝成型美观饱满。焊接过程中随时清理焊渣及药皮,焊接顺序由中间向两端扩展,严禁同一根杆两端同时施焊。在整个拼装过程中,测量人员要随时对胎架的位置和尺寸进行复核。
(4) 焊缝检查
焊接作业完成后,将焊渣清理干净,24小时后且焊缝冷却到环境温度,进行外观检查。外观检查须填写焊缝外观检查记录表,外观不合格的焊缝必须进行缺陷部位的打磨、补焊或返工重焊。
焊缝外观检查合格后,打磨焊缝区域,进行100% 的自检探伤检查,在自检探伤合格的基础上,报请监理单位和第三方探伤单位进行第三方探伤检查,探伤不合格焊缝重新返修,返修时缺陷位置两端各加50mm清除范围,用碳弧气刨对缺陷位置进行清理,然后再按焊接工艺进行补焊,对补焊后的焊缝重新进行外观检查和探伤检查。
(5) 油漆涂补
焊缝探伤合格后应尽快进行油漆的涂补工作,在球、杆焊接部位,将焊缝及探伤范围内的油污打磨、清理干净,使用同品种油漆,及时进行底漆和中间漆的补刷,并进行油漆外观检查及厚度检测。其中补漆还包括杆件在搬运和桁架拼装过程中的磕碰部位。
(6) 边桁架吊装
涂装完后的油漆经外观及测厚合格,漆膜硬度满足吊装要求后即可吊装。根据单榀桁架重量选择相应吊装机械,主要采用150T行走式履带吊,四点吊装,吊点位置吊装前必须经过计算,以确保吊装过程中桁架不变形。桁架吊装过程中应采取相应的措施,避免碰撞吊机和建筑物,在场内铺设吊机等大型机械的临时道路,布设吊机进出场的路线。
1.2 内部网架施工
内部网架多为螺栓球节点和焊接球节点相结合,采用高空散拼的安装方法。提前搭设满堂红脚手架,上面铺设工作平台,在工作平台上搭设胎架对下弦焊接球节点进行定位,依照结构外形特点提前划分施工单元和各单元施工顺序,最终整体合拢。
1.2.1 内部网架施工方法
(1)内网架胎架制作
根据图纸在网架作业面上放出胎架的定位线,进行胎架制作、调平。由于网壳结构主要以焊接球节点和螺栓球节点相结合,在安装网壳放线时尽量以焊接球节点的定位点来进行网壳的定位放线。根据球标高,利用水准仪调整胎架标高,并在胎架上部钢板上放出球的平面位置线。
(2) 下弦球、杆安装
根据安装图的杆件与球的编号进行组对安装,下弦焊接球依据胎架上放出的球位置线,反复调整,直到球节点准确就位,就位后先垫平垫实下弦球的安装平面,焊接球节点先把杆件与焊接球点焊定位,螺栓球节点把下弦杆与球连接并一次拧紧到位。
(3)腹杆与上、下弦球的安装
腹杆与上弦球应形成一个向下的三角锥,螺栓球节点腹杆与上弦球的连接必须一次拧紧到位,焊接球节点上弦球与腹杆先点焊,然后调整腹杆与下弦球的位置,待正确后点腹杆与下弦球。腹杆与下弦螺栓球的连接不能一次拧紧到位或焊死(焊接杆应先定位焊),主要是为安装上弦杆起松口作用。
(4) 上弦杆的安装
上弦杆安装顺序由内向外发展,上弦杆组装时,如发现放入有困难时,可适当松动腹杆与下弦球,待上弦杆放入后,上弦杆与上弦球的拧紧应与腹杆和下弦球拧紧依次进行。
用以上方法一榀一榀递进安装,焊接工作完成后,进行焊缝外观检查和内部探伤检查,检查方法及要求同边桁架焊缝检查。安装过程中随时复测定位球节点的坐标位置和网格尺寸以确保整体安装精度,对于偏移超过允许偏差的球节点,利用千斤顶、倒链、电动葫芦等进行调整,同时根据调整后的测量数据,在安装下个单元时进行反误差的调整,确保网架安装整体尺寸精度达到设计及规范要求。
(5) 单元网架安装验收
拼装单元安装完成后,进行焊缝外观和探伤检查、螺栓紧固检查、拼装精度检查、节点坐标复测、结构表观质量检查,合格后报请监理验收。
(6) 网架合拢施工
合拢施工是网架施工重点,网架螺栓球节点和焊接球节点相结合更增加了准确合拢的难度。在网架大面积施工时,由于安装误差、温度变形、焊接变形等等都可能导致最后按设计图纸下料加工的杆件无法安装上去。因此在合拢施工时主要采取以下措施和施工步骤。
a 合拢温度:
合拢的温度主要结合当地的气候温度,在网架设计的平均使用温度下进行合拢施工。同时合拢施工时为了避免阳光暴晒、昼夜温差等带来的温度变形,合拢施工安排在早上太阳没有出来或者中午屋顶网壳温度均匀后进行,避免由于阳光带来的温差影响。设计要求合拢温度为建筑物使用的平均温度,因此网壳的合拢温度宜在15~20℃之间,合拢施工需在此温度段内全部合拢连接完毕。
b 合拢施工技术措施:
合拢前测量:整个屋顶桁架安装完后,根据设计计算的温度下,利用全站仪对合拢线上的每个球进行重新测量,确定出每个球安装的X、Y、Z三维坐标。
矫正施工(标高调整、水平误差调整):将实际测量的合拢线上每个球节点的三维坐标与设计的三维标进行核对,利用千斤顶等进行标高矫正施工,保证两边网壳挠度一致;同时采用倒链对个别节点的水平位置进行调整。
矫正后测量:网壳各球节点根据测量数据矫正后,再利用全站仪在计算合拢施工温度下对合拢线上每个球进行测量,测出每个球节点的三维坐标值。
合拢线上杆件下料加工:根据矫正后测量出的各球节点的三维坐标值和设计值进行对比;计算出每根杆件的合拢施工时的长度并与设计长度对比。在不影响杆件的质量前提下,在现场根据合拢时的杆件长度进行杆件加工。
在合拢温度下,需有足够焊工在规定的时间和温度下同时施工,将整体网架在整条合拢线上同时合拢。合拢时,安装焊接杆件时先焊一端再焊另一端,不能两端同时焊接,以消除由焊接产生的装配应力。在合拢前应对参加合拢焊接的焊工进行合拢施工的培训,明确操作规程、操作要点,同时进行模拟演练,使焊工在合拢焊接时的焊接速度能基本一致。
(7) 下挠值测量
网架支撑拆除前后应测量挠度值(包括网架结构自重的挠度和屋面施工完成后的挠度),所测的挠度值不应超过相应设计值的1.15倍,实测的挠度曲线应存档。依据《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205 - 2001)的规定,跨度在24米以上的钢网架结构测量下弦中央一点及各向下弦跨度的四等分点。
2、技术创新点
(1)将958m×775m网架结构分为内部网架和边桁架分别进行施工,边桁架采用在地面胎架上拼装、地面验收的方法,保证了桁架拼装质量,减少了高空作业量和脚手架用量。
(2) 边桁架高空就位和内网架交错施工后,边桁架和内部网架同时划分在各拼装单元,按拼装单元验收,逐单元拆除支撑脚手架,加速材料周转。
(3) 针对结构外形采用合理的拼装顺序,使整体网架安装误差大部分消除在各拼装单元内,充分利用结构变形缝的特点,变形缝单元最后收口拼装,消除网架剩余拼装误差,保证最终顺利合拢。
(4)拼装方法简单快捷,内部网架搭胎架精确控制球节点坐标位置,既能保证网架双曲面外形,又能确保安装质量。
(5) 施工速度快,14.1万m2的钢管柱支撑大跨度双曲面异形网架,总体施工日期108天,可大大缩短了整体工期。
(6) 适用范围广,不受施工面积和支撑形式的限制,受环境因素影响小,可持续施工。
三、保证质量措施
3.1 焊接质量保证措施
钢网架焊接球数量多,焊接节点连接形式和相贯形式多样,现场焊接球杆节点焊缝等级均为二级以上焊缝,焊接量大、焊接节点复杂、技术难度大、质量要求高。网架支座处多为厚板焊接,且多为一级焊缝,重点要防止厚板构件的层状撕裂、裂纹、未焊透等缺陷。所以焊接质量是关系到整体网架结构安全的重要因素。
3.1.1焊接工艺要求
(1) 施焊前焊工应检查焊接部位的组装和表面清理的质量,特别是经过现场处理的坡口,用角向磨光机进行认真打磨,清除铁锈、油污及各种附着物,不得在正式施焊前粗糙作业给焊接施工带来气孔增生、夹渣等先期缺陷。
(2) 焊工使用的焊条必须放于保温桶内,随取随用。烘干后的低氢型焊条在大气中放置时间超过4小时,应重新烘干,焊条重复烘干次数不宜超过2次,受潮焊条不能使用。
(3) 焊工严格按焊接作业指导书或工艺卡规定的工艺方法、参数和措施进行焊接,当遇到焊接作业准备条件、环境条件及焊接技术措施不符合焊接作业指导书要求时,应要求焊接技术负责人采取相应整改措施,必要时应拒绝施焊。
(4) 钢管厚度大于6mm时,杆件焊接端必须开坡口,并在管口内加衬管以利于焊透,实现焊缝与钢管的等强连接,衬管长度不小于4mm
(5) 定位焊也必须由持相应合格证的焊工施焊,所用焊接材料应与正式施焊相同。定位焊焊缝应与最终焊缝有相同的质量要求。
(6) 雨天焊接无有效遮挡措施必须停止焊接,手工电弧焊风速超过8m/s、气体保护电弧焊超过2m/s时,应设防风棚或采取其它防风措施。
(7) 为防止焊接变形对于对称截面的构件,宜采用对称于构件中和轴的顺序焊接。
(8) 严禁在焊缝以外的母材上随意打火、引弧。
(9) 焊接作业过程中需随时观察构件收缩变形情况,定位焊接完成后,由测量人员进行节点位置复测,确认无误后,方可进行焊缝全焊接。
3.1.2 焊接质量要求
(1) 焊缝外观质量要求
焊缝表面不得有裂纹、焊瘤等缺陷。一级、二级焊缝不得有表面气孔、夹渣、弧坑裂纹、电弧擦伤等缺陷,且一级焊缝不得有咬边、未焊满、根部收缩等缺陷。焊缝外观应均匀、致密,与母材表面匀顺过渡,同一焊缝的焊脚高度要均匀一致。
(2) 焊缝内部缺陷检验
设计要求全焊透的一、二级焊缝应采用超声波探伤进行内部缺陷的检验,焊接球节点网架焊缝、螺栓球节点网架焊缝及圆管T、 K、Y 形节点相贯线焊缝,其内部缺陷分级及探伤方法应分别符合国家现行标准《焊接球节点钢网架焊缝超声波探伤方法及质量分级法》JBJ/T3034.1、《螺栓球节点钢网架焊缝超声波探伤方法及质量分级法》JBJ/T3034.2、《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81 的规定。一级、二级焊缝内部探伤质量等级及缺陷分级应符合(表1)的规定。
表1 一、二级焊缝质量等级及缺陷分级
焊缝质量等级
一级
二级
内部缺陷
超声波探伤
评定等级


检验等级
B级
B级
探伤比例
100%
20%
内部缺陷
射线探伤
评定等级


检验等级
AB级
AB级
探伤比例
100%
20%
注: 探伤比例的计数方法应按以下原则确定: (1)对工厂制作焊缝,应按每条焊缝计算百分比,且探伤长度应不小于200mm,当焊缝长度不足200mm时,应对整条焊缝进行探;(2)对现场安装焊缝,应按同一类型、同一施焊条件的焊缝条数计算百分比,探伤长度应不小于200mm,并应不少于1条焊缝。
3.2 拼装质量保证措施
3.2.1 拼装工艺要求:
(1) 拼装前对使用的材料进行核对,杆件不允许存在超过规定的弯曲,确保球杆使用准确,减少不必要的返工。
(2)拼装过程中测量人员要随时对定位胎架进行校核,胎架定位由工长和测量人员亲自监督。
(4)施工过程中的质量检查是网架施工的质量控制重点,对于网架工程螺栓杆和焊接杆相结合,杆件长度不合适,无法正常安装是比较常见的问题,所以节点的定位检查必须由专人负责,检查合格后才能开始拼装,拼装完一个节点重新校核。
(5)焊接球杆节点定位焊后必须进行检查,复核杆件规格、型号和节点位置,依据钢管壁厚,严格控制球和杆的间隙保持在2-6mm之间,超出这个范围容易出现焊不透或者焊缝宽度过大,影响连接质量。现场需要接管时,严格控制接管位置和接管长度,接管焊缝达到一级焊缝质量要求。
(6)拼装过程随时检查螺栓的紧固情况,尤其是螺栓杆与上弦球的紧固,由于施工过程不利于施力,该部位容易出现螺栓拧不紧的问题。
(7)已安装完成的网壳表面应清洁、完整、不损伤、不凹陷、不错装、对号准确,发现错装及时更换。
(8) 钢网架挠度测量尤为重要,网架施工需进行以下几次挠度检查:网架安装验收合格,拆除支顶前的挠度测量;支顶拆除后,网架在结构自重影响下挠度测量;屋面施工完成后,网架加载后的挠度测量。
3.2.2整体拼装质量要求
整体网架结构安装完成后,依据《网架结构工程质量检验评定标准》(JGJ78-91)和《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001)进行验收,所有验收数据按规范中较严值取值。钢网架结构安装允许偏差应符合表2规定。
表2 钢网架结构安装的允许偏差(mm)
项 目
允许偏差
检验方法
网壳节点中心偏移
≤2.0
用全站仪和经纬仪实测
纵向、横向长度
L/2000,且不应小于30.0
-L/2000,且不应小于-30.0
用卷尺实测
支座中心偏差
L/3000,且不应大于30.0
用卷尺和经纬仪实测
周边支承网架相邻支座高差
L/400,且不应大于15.0
支座最大高差
30.0
用钢尺和水准仪实测
多点支承网架相邻支座高差
L1/800,且不应大于30.0
注:1、L为纵向、横向长度;2、L1为相邻支座间距;
3、网壳安装完成后其扰度值不应超过相应设计值的1.15倍。
四、直接经济效益和社会效益
4.1 经济效益分析
4.1.1 将整体网架结构分为内部网架和边桁架两部分,边桁架在地面胎架上拼装,整榀吊装,既保证了桁架拼装质量,也可加快施工速度,节省工期。
4.1.2 边桁架地面验收合格后,整榀高空吊装就位,只需在边桁架支座和边桁架中部搭设脚手架,减少了脚手架用量,节省脚手架租赁费用。
4.1.3 内部网架采用高空搭胎架的拼装方法,便于焊接球的高空就位,螺栓球节点组装成小型锥体,再与精确定位的焊接球节点相连,可极大的节省人工、机械、材料的投入,降低成本。
4.1.4 边桁架和内网架交错施工,待内部网架施工完后,边桁架和内部网架同时划分在各拼装单元,按拼装单元验收,逐单元拆除支撑脚手架,加速材料周转,节省工程费用。
4.2 社会效益分析
首次采用该施工技术的首都国际机场新航站楼T3B工程,自2005年7月11日第一榀地面拼装桁架吊装时,便引起了各大媒体与网站的关注,相关信息争相报道,被广泛称为“分子式吊装”。采用该施工技术在108天时间内即可完成14.1万平米大跨度、双曲面、异型结构的网架施工,刷新了同类工程的施工纪录,长城杯评审组、质量监督总站均给与了充分肯定,国际友人、国内同行专程参观、学习,提升了企业知名度,创造了良好的社会效益。