復雜空間鑄鋼節(jié)點鋼結(jié)構(gòu)施工方法管桁架八角樓高空拼裝柱腳限位

****新館*****復雜空間鋼結(jié)構(gòu)施工【摘要】采用鑄鋼節(jié)點實現(xiàn)多管相交的空間結(jié)構(gòu)體系制作與安裝施工【關鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)鑄鋼件空間定位鑄鋼節(jié)點焊接變形矯正柱腳限位異型組合截面梁1、工程概況及特點1.1概述****新館系國際建筑大師****先生的封筆作品，****在其中三個最大的空間設計上打破蘇州民居方方正正的傳統(tǒng)，將它設計成八角大廳（簡稱八角樓）。大廳的屋頂具有一種奇妙的幾何效果，玻璃屋頂與石屋頂相互映襯；其中繪畫廳有8個石材屋面，中央大廳共有12個石材屋面，均有1個采光玻璃頂屋面，眾多屋面高低錯落，別具一格；而大廳的屋面結(jié)構(gòu)為高低錯落的空間管桁架結(jié)構(gòu)體系。1.2管桁架結(jié)構(gòu)體系特點和難點（1）八角樓具有復雜的造型，鋼鑄件節(jié)點伸出多個接頭，節(jié)點是一個復雜的三維體（見節(jié)點三維圖），每個鑄鋼節(jié)點的安裝精度都直接影響到與之相連的若干個管件，安裝過程中須控制累計誤差并及時的進行鑄鋼件之間相對位置的協(xié)調(diào)和修正，制作安裝測控難度大。（2）主結(jié)構(gòu)節(jié)點為8根大直徑厚壁鋼管匯交，管材為Φ219*22mm和Φ168*22mm無縫鋼管；節(jié)點外形復雜，相貫交匯技術(shù)難度大。（3）焊接變形大矯正難：主桁架采用圓管+T型鋼組合截面，焊接變形大，矯正困難；（4）焊接難：鑄鋼節(jié)點需要與相連的管件組對并等強焊接，焊縫大多為高空全位置焊接，焊接的質(zhì)量控制是控制的重點?？臻g結(jié)構(gòu)中一個典型節(jié)點的三維模型：2、空間結(jié)構(gòu)的制作2.1根據(jù)復雜空間結(jié)構(gòu)特點的分析確定制作思路，克服安裝測控難度。八角樓空間形狀復雜，節(jié)點眾多，首先從結(jié)構(gòu)特點入手，確定空間結(jié)構(gòu)的制作、拼裝思路。在圖紙和節(jié)點深化過程中，技術(shù)人員采用Tekle-xsteel公司開發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)實體模型軟件xsteel，將鋼結(jié)構(gòu)（包括相關專業(yè)）的信息生成三維模型，深化精度為0.1mm；通過整合的3D及2D的Database物件導向功能，將三維空間結(jié)構(gòu)用2D圖面清晰、完整的表達出來。再將空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成多個平面結(jié)構(gòu)（化整為片），其他構(gòu)件制作成標準散片，采用散裝對接，如（圖一）示意；其中主控桁架簡化成兩榀帶有鑄鋼節(jié)點的控制面（控制桁架1、2），如（圖二）示意。2.2克服鋼管交匯技術(shù)難度的節(jié)點制作施工主結(jié)構(gòu)節(jié)點深化設計將相貫交匯優(yōu)化為鑄鋼節(jié)點（1）主結(jié)構(gòu)節(jié)點為8根大直徑厚壁鋼管交匯，相貫焊接難以成型和保證質(zhì)量，經(jīng)深化設計分析比較，采用鑄鋼節(jié)點。（2）采用三維CAD將相交管件的空間位置及預留長度按照實樣進行建模，并獲得相關參數(shù)。改進制作工藝保證鑄鋼節(jié)點質(zhì)量1、模型制作要點（見圖三）（1）在CAD建模和取得相關參數(shù)后，制作鑄鋼件節(jié)點模型。（2）采用干燥的紅松制作整體實樣，支管采用抽芯模結(jié)構(gòu)，裝配時先將尺寸線按角度或用樣板將具體位置確定，通過測量弦長調(diào)整到位后固定。（3）木模制作過程中，全部幾何尺寸、拔模斜度等，必須按圖檢驗做好記錄，并經(jīng)質(zhì)檢員、工藝員對實物復核、簽字后方可投產(chǎn)。2、澆筑要點（1）采用底注式澆注系統(tǒng)，直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道采用耐火磚管。型腔表面涂鋯英粉涂料二遍，用煤油噴槍輔助烘干，以獲得較高的外表質(zhì)量。（2）為減少鑄件收縮阻力，降低鑄造應力，防止裂紋的產(chǎn)生，在砂芯中間放草繩等退讓性材料，提高退讓性。3、熱處理工藝（1）為提高和改善材料的力學性能，鑄件進行正火熱處理，以均勻鋼的化學成分和組織，細化晶粒。（2）經(jīng)加工和熱處理后，鑄鋼件節(jié)點材料特性。本工程的鑄鋼節(jié)點采用的材料是參照德國規(guī)范DIN7182中的鑄鋼材料GS-20Mn5，與其連接的鋼管是定量加工的Q345B無縫鋼管，鑄鋼節(jié)點壁厚40mm，鋼管材料規(guī)格為：Φ219*22mm、Φ168*22mm。鑄鋼節(jié)點材料的化學成分見表一，經(jīng)設計認定符合要求。表一鑄鋼節(jié)點材料化學成分C(%)Si(%)Mn(%)P(%)S(%)Cr(%)Mo(%)Ni(%)0.15～0.118≤0.601.0～1.3≤0.020≤0.0200.30≤0.150.402.3克服高空拼裝技術(shù)難點的主要措施平面定位八角樓的八根鋼柱尺寸為Φ219*22，用鋼板在地上鋪設水平的操作平臺，以八角樓中心點為原點，通過經(jīng)緯儀在平臺上出放出每個柱腳的中心線，并用墨線做好標記，采用Φ168*10mm做為定位鋼管（鋼柱內(nèi)徑為Φ175mm），將其根據(jù)設計尺寸在平臺上精確定位。鋼柱定位如圖四所示：鑄鋼節(jié)點空間定位（見圖四-1）（1）八角樓空間形狀復雜，如何將三維鑄鋼件安裝到正確的空間設計位置，保證各個管口的空間位置的準確，是第一個需要解決的實際困難。（2）通過對空間結(jié)構(gòu)的分析，雖然鑄鋼件管頭、夾角很多，但在平面投影上只有正交的XY方向，用墨線將鑄件管口的中線分出，在正交方向上設置一對線錘對準地面上的軸網(wǎng)控制線。（3）鑄件節(jié)點設計標高在實體內(nèi)部，節(jié)點中心標高控制無法實現(xiàn)，通過計算得出管口頂面的標高值，作為標高控制依據(jù)（見圖三），標高的微調(diào)依靠臨時支撐柱底部的液壓千斤頂。組合截面的熱校正克服矯正難點八角樓主梁均為圓管+T型鋼的組合截面，斷面異型，圓管與T型鋼的連接采用自動埋弧焊接，焊接后變形量高達40~60mm。嘗試了多種防變形措施，最終采用火焰矯正法，在變形方向100mm寬的三角形范圍內(nèi)加熱，多人同時操作，加熱間距控制在500mm左右，保證熱影響區(qū)的連貫性，因材質(zhì)采用低合金鋼Q345B，禁止水冷，溫度回到環(huán)境溫度后，鋼梁水平度均可以達到±3mm以內(nèi)，火焰矯正如圖五所示：2.4保證鑄鋼節(jié)點與管件組對等強焊接措施組對等強焊接概況和材料要點(1)材質(zhì)：鑄鋼件材質(zhì)為GS-20Mn5，壁厚40mm；鋼管材質(zhì)為Q345B，壁厚22mm。(2)焊口形式與數(shù)量：焊縫坡口形式為戴內(nèi)襯管V型坡口，共8個焊口，4個管徑219mm，壁厚22mm；4個管徑168mm，壁厚22mm。(3)焊接方法：采用手工電弧焊接和二氧化碳保護焊。(4)焊接材料：本次焊接使用的焊材為E5015Φ3.2~Φ4.0焊條，焊條在高溫烘干箱中烘干焊接前烘培至300℃~350℃；焊條烘干次數(shù)不得超過兩次。E5015熔敷金屬化學成分見表二：，其化學成分均與鑄鋼件化學成分適用。表二E5015熔敷金屬化學成分CMnSiSP0.120.900.600.0350.035組對等強焊接措施(1)鑄鋼節(jié)點焊前預熱熱源采用氧—乙炔中性火焰，預熱范圍沿焊縫中心兩側(cè)各100mm以內(nèi)進行全方位均勻加熱，當預熱溫度、范圍達到預定值后，恒溫20~30分鐘，溫度測試離坡口80~100mm處進行，采用紅外線測溫儀感應測溫。預熱溫度：鑄鋼件控制在230℃左右；22mm壁厚鋼管控制在200℃度左右。(2)根部（封底）焊接由于本工程使用的鑄鋼件接頭處帶有與鑄件連為一體的管內(nèi)墊板，故根部焊接只需注意墊板與無縫鋼管的坡口部分的熔合，并確保焊肉介于3.0~3.5mm之間及可。3、八角樓現(xiàn)場安裝施工控制要點3.1保證控制桁架精確的限位設計桁架工廠預拼裝、焊接完成后，因“控制桁架”體型較大，無法整榀運輸，將其一分為兩，為保證其在安裝現(xiàn)場精確組裝，在桁架上采用角鋼(L100x10)斜桿限死對角線尺寸，用M20無隙定位螺栓（Φ20孔）。如圖六所示：3.2現(xiàn)場拼裝措施因場地條件限制，只能將“控制桁架”平放在混凝土地面上進行組裝，因鑄鋼件腿的原因，桁架面比地面高出約500mm，用腳手鋼管、扣件搭設簡易龍門架懸掛倒鏈葫蘆，用水平儀將桁架管上表面的水平度控制在±5mm以內(nèi)，并用角鋼（L50*5）臨時點焊固定；管口組裝根據(jù)工廠內(nèi)設置連接耳板（正交方向各設一副），保證管口間隙和杜絕錯口情況的發(fā)生（如圖七所示），并在“控制桁架”上設置剪刀撐和其他臨時限位措施，防止焊接過程中節(jié)點收縮引起構(gòu)件外形尺寸的走樣。3.3結(jié)構(gòu)安裝施工的柱腳限位措施將軸線放置于二次找平的預埋鋼板上，用Φ168x10mm鋼管作為圓管柱腳的限位裝置（柱腳鋼管Φ219x22mm），理論誤差不超過±3.5mm；當“控制桁架1”的鋼管柱腳套牢限位管后，立即用經(jīng)緯儀配合線垂將桁架的垂直度校正到位并與腳手支撐架點焊固定，并做好攬風繩的設置，桁架的就位又快又準，大大加快了安裝進度，如圖八所示：4、工程體會（1）****幾個大廳結(jié)構(gòu)形式復雜，在圖紙和節(jié)點深化過程中，采用鋼結(jié)構(gòu)實體模型軟件Xsteel，將三維空間結(jié)構(gòu)清晰、完整的表達出來，這是做好工程的前提。（2）在接受工程項目后從制作到安裝的設想均經(jīng)過技術(shù)部門詳細的技術(shù)方案論證