大跨度钢管桁架结构设计分析

大跨度钢管桁架结构设计分析
[摘要] 近些年来，随着经济的发展，钢产量的提升。

大跨度结构迅速发展，钢管结构以其力学性能优，造型适应性好，建筑表现力佳而越来越受到建筑师和结构师的青睐。

由于生产工艺及空间的要求，厂房的屋面也开始采用大跨度结构，钢管桁架屋面梁由于可以充分利用材料的特性，本文结合某工业厂房为例,对管桁架结构设计和施工进行了阐述，仅供同仁参考。

关键词：钢管桁架设计施工吊装
一、钢结构厂房设计的要点
1钢结构厂房设计采用的结构体系
钢结构厂房因为工艺布置的要求，一般都需要大空间，结构通常采用框架结构，在层数较多、工艺条件许可的情况下也可以采用框剪结构。

结构布置的原则是：尽量使柱网对称均匀布置，使房屋的刚度中心与质量中心相近，以减小房屋的空间扭转作用，结构体系要求简捷、规则、传力明确。

避免出现应力集中和变形突变的凹角和收缩，以及竖向变化过多的外挑和内收，力求沿竖向的刚度不突变或少突变。

由于多层厂房跨度方向尺寸较大，柱子少；而柱距方向尺寸较小，柱子多。

一般都是横向控制，使纵横向的抗震能力大致相同，不仅有利于抗震，也使设计更为经济合理。

2框架结构的节点设计
连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一，“三强”设计原则中有两条涉及到节点的设计.在结构分析前就应对节点的形式有充分思考与确定，最终设计的节点与结构分析模型应与使用形式完全一致.按传力特性不同，节点分刚接、铰接和半刚接.
节点设计主要包括以下内容：①焊接.对焊接焊缝的尺寸及形式等，规范有强制规定，应严格遵守，焊条的选用应和被连接金属材质适应，E43对应Q235，E50对应Q345，Q235与Q345连接时应该选择低强度的E43，而不是E50.焊接设计中不得任意加大焊缝，焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近.②栓接.普通螺栓抗剪性能差，可在次要结构部位使用.高强螺栓使用日益广泛，常用8.8级和10.9级两个强度等级，根据受力特点分承压型和磨擦型，两者计算方法不同，高强螺栓最小规格M12，常用M16~M24，超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用. ③连接板.可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm，然后验算净截面抗剪等. ④梁腹板.应验算栓孔处腹板的净截面抗剪，承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压. ⑤节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等，此外，还应尽可能使工人能方便地进行现场定位与临时固定.
⑥节点设计必须考虑制造厂的工艺水平，比如钢管连接节点的相贯线的切口需要
数控机床等设备才能完成.
二、工程概况
1、工程概况
该项目位于江苏省昆山市，为框排架结构，局部二层,一层为钢筋砼柱，钢结构屋面，局部二层为钢筋砼框架结构，独立承台桩基础。

由于该厂房的平面尺寸达到200mX120m,所以采用设置伸缩缝。

排架柱的柱距为6m。

钢屋面的最大跨度为48m（见图一），最终选用管桁架作为单榀钢屋架，，钢屋架与钢筋砼排架柱通过设置牛腿连接。

钢屋面的垂直支撑采用管桁架，已保证钢屋面的侧向稳定。

由于钢屋面的跨度较大，在制作加工时对管桁架的跨中按照进行L/500(L为屋架的跨度)预先起拱，以减小钢屋架的挠度。

2、钢结构设计
2.1主要结构材料：
钢管桁架屋面梁的上弦杆：φ219x10，下弦杆：φ203x10，斜腹杆：φ102x6,垂直腹杆：φ63x4.0，材质全部采用Q345B型钢材（屈服强度为345N/mm² ）
2.2计算荷载
荷载计算包括钢结构自重荷载、屋面板自重荷载、屋面活荷载、风荷载（左风和右风）。

2.3节点设计
节点焊接采用钢管相贯节点连接，焊缝为E50XX型，全熔透焊接。

采用T、Y、K钢管的相贯节点的验算公式进行验算。

由于圆钢管杆件具有截面各向等强、无弱轴、抗扭刚度大、密闭空间防锈性能较好等优点，但是由于相贯节点杆件和节点设计的独立性小，决定了杆件的节点性能。

三、结构设计
本工程属于某大型企业二期工程,要求室内大空间,根据建筑及工艺设备要求,
采用平面钢管桁架结构,桁架间距6 000,各榀桁架之间采用纵向支撑进行连接,结构计算采用钢结构设计程序3D3S计算,采用SAP2000软件进行复核。

本工程主桁架为平面拱形桁架,半径为24 m,上弦杆采用热轧无缝钢管*******,下弦杆采用热轧无缝钢管*******,腹杆采用两肢热轧无缝钢管******,上下弦杆垂直距离1 600 mm,跨度L=46.5 m;桁架跨度大,平面外刚度小,故各榀桁架间采用K形支撑系统以保证平面外稳定性,支撑横杆采用热轧无缝钢管******,两肢采用热轧无缝钢管76@4.0。

四、施工质量控制
3.1 原材料质量控制
本工程所使用的主要材料均采用Q235焊接钢管。

材料采购时选择信誉好、质量稳定的大企业生产的材料。

材料进厂后组织监理工程师、甲方代表、项目部质检人员对到货的材料进行初验,核对合格证书、炉号、规格品种、主要技术性能是否符合设计要求,对材料的外观和尺寸进行检查,要求表面无明显锈蚀、麻坑等缺陷。

根据GB 50205-2001钢结构工程施工质量验收规范的要求对材料进行抽样送检,经检测合格,监理工程师签字同意后方可进行下料加工。

焊接材料电焊条进场时要检查材料的质量证明书并对焊条进行外观检查,要求所有的焊条药皮应干燥牢固、完整、不能有裂纹、气孔及刻痕等。

3.2 加工制作质量控制
3.2.1 数控相贯线切割机加工
由于主材均采用圆钢管,腹杆与主管连接均为相贯连接,因此,腹杆端头必须加工成立体曲面,与上、下弦主管的相应位置立体曲率相吻合。

并且,为满足焊接要求,杆件端头边缘需按要求切割成一定的坡口角度,这靠人工是很难完成的,需用三维以上的数控切割机加工才能保证质量。

为了保证钢管材的加工质量,本工程所有钢管原材加工制作均在加工厂内进行;为满足运输和对接焊缝错开设置要求,将上、下弦杆分七段进行下料制作;经预拼装检验合格后,分七段制作;把各段运至现场,在现场进行正式组装焊接。

在确定杆件长度时考虑焊接收缩量,按JGJ 81-2002建筑钢结构焊接规程执行,各杆件每个接口的收缩为1 mm。

上、下弦杆曲率的加工在工厂内用中频数控弯管机进行弯管。

3.2.2 车间拼装质量控制
各构件出厂前应做预拼装检验,合格后方准出厂。

车间预拼装是检验杆件加工质量的最好办法。

预拼装在相应的拼装架和胎架上按照设计图纸要求进行整跨拼装。

车间预拼装完成后,项目部质检员及监理工程师到场共同验收,检查桁架的长度、高度、接口偏差、坡口间隙等是否满足钢结构工程施工质量验收规范要求。

预拼装后分为七段制作,做好组装顺序、编号等各项记录,便于运输和现场拼装。

3.2.3 现场组装、焊接质量控制
主桁架现场利用经验收合格的拼装架及专用胎具进行整体组装。

组装时,按预拼装中所做的各种记录和相同的拼装顺序及拼装工艺拼装主桁架。

组装中,应保证主桁架平面外的稳定性,保证主桁架的水平。

本工程钢管桁架部分节点均在现场焊接完成。

两段桁架之间上下弦采用对接焊缝,内加套管,焊接难度大,焊缝质量要求高,腹杆与弦杆采用角焊缝,支撑弦杆与腹杆采用角焊缝焊接,支撑与主桁架上下弦杆采用普通螺栓连接(主桁架与支撑相应位置均有连接板),弦杆连接及支撑形式见图2。

焊接质量是保证整个钢管桁架施工质量的关键。

焊接完成后,经外观检查、超声波探伤检测全部符合要求后,再进入下一道工序。

我们从以下几方面来控制焊接质量:1)桁架现场焊接对焊工的要求较高,必须由熟练操作技能并持有上岗证的焊工施焊,严禁无上岗证的焊工进场进行焊接作业。

2)现场使用的焊条必须有质量证明书,并按规定进行烘焙和保温,用时取出放在保温桶中,随用随取。

3)被焊部位表面必须干燥、清洁、无锈、无油脂、无油漆(可焊性好的底漆除外)等,坡口角度、钝边、间隙及错口量应经事先检查并符合设计及施工验收规范的有关要求。

4)桁架焊接时应先焊主管,弦管对接时先焊衬管,即衬管与母材管应贴紧且与母材点焊牢固;对接焊接时,第一道应封焊坡口内母材与衬管连接处,然后逐层逐道焊至填满坡口,逐层清渣焊好。

5)焊接应严格按照先焊中间节点,再向桁架两端节点扩展的施工顺序。

这样,桁架始终处于能够自由伸张的状态,可避免由于焊缝收缩向一端累积而引起桁架各节点的尺寸误差,同时,配合做好偏差预留值,能有效地控制焊接收缩时产生的内应力。

采用合理的焊接顺序,可杜绝或减少焊接变形、焊缝裂纹,有效提高焊接质量。

6)同一腹杆的两端不得同时施焊,应当在焊完一端并冷却后,再焊另一端。

焊接完成后,应按照GB 50205-2001钢结构工程施工质量验收规范验收焊缝。

本工程上下弦杆对接为二级焊缝,经无损检测单位检测,二级焊缝按20%探伤检测,合格率100%。

满足钢结构工程施工质量验收规范要求。

五、钢管主桁架吊装方案
本工程主桁架共47榀,每榀重4.9 t。

因施工现场场地内均有设施,可利用场地狭小,故现场纵向拼装,两侧柱脚(高6.88 m)先安装,其余五短弧形桁架现场组装完成后,采用两台25 t汽车吊,吊装至预定高度后,与两侧柱脚相应结点对接焊接,弦杆采用内套管做衬管,确保对接准确。

前三榀的吊装最为困难。

吊装方案见图3。

首先,现场组装三榀桁架(¹轴、º轴、»轴三榀,从¹轴开始)及¹轴五根抗风柱,同时安装两侧相应柱脚,两侧柱脚旁搭设6 m高可移动脚手架;相应支撑系统现场组装好。

正式吊装第一天,现场四台25 t(编号A,B,C,D),一台12 t汽车吊(用来吊装支撑),A,B两台起吊第一榀至相应位置,与柱脚对接安装,C,D两台吊车随后起吊第二榀至相应位置与柱脚对接安装,每榀桁架均系有缆风绳,焊接前调整桁架位置,保证每榀桁架位于同一平面,调整就位后,开始焊接,焊接完成后,吊车保持吊装状态;同时两组人员开始安装桁架间支撑,支撑先安装15
榀,对称安装,确保两榀桁架平面外的稳定性。

支撑安装完毕后,A,B两台汽车吊收工,调整位置。

A,B两台汽车吊开始吊装第三榀,同样方式,安装完第三榀,安装相应支撑,确保平面外稳定性和整体性。

A,B 两台汽车吊收工,吊装南侧五根抗风柱。

安装完毕后,采用两侧缆风绳微调,对桁架进行复校,待复校合格并经监理工程师检查签字,至此,前三榀主桁架吊装完毕。

后续吊装,按2 d三榀的施工进度,前一天拼装三榀,现场采用一台25 t汽车吊;次日吊装,现场采用两台25 t汽车吊、一台12 t汽车吊,按轴线顺序安装,吊装就位焊接完毕后,安装相应支撑。

同时安排人员将前面未安装支撑全部安装完毕。

所有操作人员都要服从指挥,应有专人观察缆风绳、钢索及其支垫等的工作情况,发现问题,应立即停止吊装作业,及时处理。

本工程钢管桁架为平面桁架,平面外稳定性较差,为保证空中安装的顺利进行,各项安全防护措施必须设置到位,以确保空中对接装、焊接工作的顺利进行。

六、结语
从本工程来看,钢管桁架的设计与施工,须紧密衔接,本工程在设计阶段与钢结构生产厂家紧密结合,在施工安装阶段,严密控制,施工质量均满足相应规范要求,获得了甲方及监理单位的一致认可。

参考文献:
[1] GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].
[2] GB 50205-2001,钢结构工程施工质量验收规范[S].。