主要研究报告

大跨度管桁架关键施工技术研究与应用

研究报告

中建一局集团建设发展有限公司

大跨度的建筑目前在我国的发展还不是很成熟，许多先进的技术我们还没有完全的掌握，就更没有办法做到很好的创造和设计，其实与其他形式的钢结构作用一样，设计大跨度钢结构，也是为了主要解决结构体系设计、构件设计及连接节点设计等方面的内容。但是与其他形式的钢结构不一样的是，大跨度的钢结构体系非线性影响十分突出，主要表现在很多安全控制因素上。在很多国家都有相关的规定来规范大跨度的建筑设计，但是从我国来看，我们的情况不容乐观，因为还没有很成熟的技术来支撑，不过我们一直在努力的实现着，努力的探索和创新着。从我国现在钢结构情况来看可简略的概括为以下三个方面：

（1）近些年来，大跨度空间钢结构施工的关键问题主要是仿真技术的应用。仿真技术可以模拟整个施工过程，了解施工过程的要点如构件受力情况，能够对施工中安全问题进行预测。在仿真工作中，需要把施工环节的安全因素考虑在内，以确保施工过程的顺利进行。采用仿真技术主要是仿真五个方面：第一是仿真大型构件的吊装过程；第二是仿真施工各个环节的具体工况；第三是仿真构件的预变形情况；第四是仿真构件的拼装过程；第五是仿真施工完成后相关部件的拆卸。在仿真技术应用过程中，对一些问题和施工过程中不太确定的环节要仔细分析，以便能够保证施工的准确度和安全性。

（2）对于计算手段方面，现代计算机技术已经能够解决比较基本的问题，也能有基本的分析能力，虽然现在钢结构的设计还处于一种原始的手算的状态，这样虽然给工程设计人员带来了方便，但是却限制了一些先进技术的应用和发展。这方面是我们欠缺的，需要补充和完善的。

为此，公司组成课题组，通过深入研究，大量运用BIM技术、仿真模拟技术、三维扫描技术、实时监测技术等手段，通过深化设计、模拟验算和实体试验，探索出了系统的、切实可行的综合技术，优质高效的解决了传统施工方法无法比拟

节点Mises应力云图弦杆Mises应力云图由计算可以看出，原有节点在不做处理的情况下，正常使用荷载条件下杆件会发生大面积屈服破坏，无法满足受力要求，无法达到安装精度要求。

1.2桁架杆件管壁局部加厚节点

根据上述计算结果，第一种优化方法采用对产生屈服破坏的杆件管壁进行局部加厚处理，具体做法如下：

主桁架方向节点次桁架方向节点节点区管壁加厚后，经有限元分析后节点区域构件基本无屈服，满足受力要求。由于管壁加厚后，圆管径厚比较小，卷管难度较大。

1.3球形节点

为避免桁架相贯节点处的应力集中，在桁架相贯节点处采用φ1100x50的钢球连接，具体做法如下：

主桁架方向节点次桁架方向节点节点区替换为球节点后，经有限元分析后节点区域构件基本无屈服，满足受力要求。由于部分节点区为避免杆件交叠，节点钢球需做到2000mm左右直径，影响结构整体布置。

1.4插板节点

主桁架方向节点次桁架方向节点节点区改为插板节点后，经有限元分析后节点区域构件基本无屈服，满足受力要求。改为插板节点后应力分配较均匀，加工难度较小。

通过对上述三种优化节点的受力分析对比，最终设计与业主方选定双向插板节点作为本工程施工用节点。

（2）高度30米独立支撑辅助安装体系设计

大型复杂球馆建筑通常设置有屋面管桁架，为满足在空间上的功能性需求。屋面管桁架具有跨度大、高度高、杆件多、体量大的特点；因此合理有效的支撑体系成为了桁架安装的一大难题。某工程采用高空散拼施工工艺，通过模拟计算分析支撑体系采用租赁式圆管钢支撑结构，所有支撑非采购加工，全部采用租赁形式，显著地节约了施工成本，提高了安装效率。

将支撑体系划分为五个部分，中间部分为独立支撑体系，东、南、西、北四个部分与周边结构进行连接形成独立支撑体系。

支撑体系3

Z H J1

支撑体系1

支撑体系2支撑体系4

支撑体系3

支撑体系平面分区图

在施工准备阶段，对支撑体系进行了全过程的仿真模拟分析，主要包括支撑

体系自身的稳定性以及应力变化，施工过程中荷载不断的增加对支撑体系稳定性及内应力变化的分析，以及桁架卸载时对支撑体系的影响，分步骤详细的进行了各阶段的受力情况。

2.1 支撑体系的设计

1 风荷载计算

支撑荷载主要包含X/Y 向风荷载，基本风压为0.3 kN/m2，支架最高高度为30m ，按规范取C 类地貌，钢构件的高度变化系数

0.88z μ=，体形系数为 1.3s μ=，风振系数 1.5z β=，则转化为作用于圆管撑上的线荷载大小为：

00.3 1.3 1.50.880.6090.32/s z z q D kN m

ωμβμ=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯=。 2 支撑体系整体受力分析

根据市场调研，综合考虑之后，选用可租赁到的规格为609*16的钢圆管支撑作为竖向支撑材料，选用HM488*300*11*18的型钢作为水平支撑材料，根据计算单根竖向圆管可承受50t 的竖向压力，承载力强，但由于支撑体系高度达到了30m ，因此考虑支撑体系的整体稳定性及侧向刚度问题，设置了三道水平钢梁以及局部增加水平及竖向剪刀撑解决上述问题，保证支撑体系的整体稳定性满足设计规范的要求。

采用有限元软件，考虑风荷载，吊装过程中荷载，整体安装荷载及卸载工况时的荷载取值，分步骤分阶段详细的计算了支撑体系自身的稳定性和安全性的验算，均满足设计规范要求。

中心区支撑体系计算 东西区支撑体系计算

南区支撑体系计算 北区支撑体系计算

3 支撑体系基础计算

本工程有三层地下室，其中中心区为人防区域，结构楼板设计给出荷载为

17 Φ530*22 Q345B 530 22 23 冷卷工厂加工

18 Φ530*28 Q345B 530 28 18 热卷+回火工厂加工

19 Φ610*24 Q345B 610 24 24 冷卷工厂加工

20 Φ610*28 Q345B 610 28 21 冷卷工厂加工

21 Φ610*35 Q345B 610 35 16 热卷+回火工厂加工

22 Φ630*24 Q345B 630 24 25 冷卷工厂加工

23 Φ630*32 Q345B 630 32 19 热卷+回火工厂加工

24 Φ660*25 Q345B 660 25 25 冷卷工厂加工

25 Φ660*35 Q345B 660 35 18 热卷+回火工厂加工

26 Φ720*30 Q345B 720 30 23 冷卷工厂加工

27 Φ720*35 Q345B 720 35 20 冷卷工厂加工

28 Φ720*36 Q345B 720 36 19 冷卷工厂加工

29 Φ762*30 Q345B 762 30 24 冷卷工厂加工

30 Φ762*35 Q345B 762 35 21 冷卷工厂加工

31 Φ800*80 Q345B 800 80 9 热压+回火工厂加工

32 Φ1200*80 Q345B 1200 80 14 热压+回火工厂加工

针对热卷超低径厚比的卷管，制定了详细的焊接工艺评定，本工程存在大量直径小而钢板厚的卷制钢管，最小径厚比达到了9（管径800壁厚80）如此小的径厚比，一是市场上难以找到满足这种高要求卷管能力的厂家，二是如此小的径厚比在冷卷或冷压时容易损伤钢板的机械性能，为了减小对母材的影响，本工程采用了热卷及热压的工艺。

鉴于整个卷管过程中涉及到钢板加热、卷管、焊接、回火，多个阶段对钢板进行加热，因此严格按既定的各工序工艺参数制作试件板，进行同参数同工艺的焊接工艺评定。最终工艺评定试验的各项数据均合格，证实为本项目制定的工艺参数切实

热卷管焊接工艺评定试件

热卷管加工制作流程：钢板进场检测---切割下料---电加热---预弯---成型---纵缝焊接---背衬焊接---回火---精整---校直---超声波探伤---标记出厂电加热：电加热时间约6-8小时，炉温为890-950摄氏度加热，卷圆完成后在空气中正常冷却至常温。回火温度为600-760度,时间控制在2～3.5min/mm,随后在空气中自然冷却至常温。