焊接技术·绝活

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焊接技术·绝活

辛亥革命博物馆钢结构施工技术

马才旺

 
[摘要]本文介绍辛亥革命博物馆钢结构施工技术,重点讲述钢柱、钢梁、大跨度悬挑钢桁架及折板钢架的安装,采用临时支撑体系和空中散拼结合的安装工艺,在结构组装完成后卸载(拆除临时支撑)。
[关键词]钢桁架折板钢架飞檐支撑卸载
1 工程概况
辛亥革命博物馆是为纪念辛亥革命·武昌首义100周年而兴建的一座专题博物馆。项目位于武汉市武昌区首义广场南侧,与武昌起义军政府旧址(红楼)、孙中山铜像、黄兴拜将台纪念碑、烈士祠牌坊等串联成首义广场炫目的文化符号。
辛亥革命博物馆共分四层,地下一层,层高5.4米;地上三层,层高分别为7.2米、7.2米和6.6米建筑总高度为22.5米。馆内设有1个序厅、5个基本陈列展厅和1个多功能展厅,集陈列展示、文物收藏、宣传教育与科学研究等功能于一体,是现有辛亥革命专题博物馆中展览规模最大、陈列科技含量最高、复原场景最多、参观导览系统最全的博物馆。
工程设计融合了中国传统建筑和现代手法,正面看,高台加大屋顶的架构,传承了中国建筑“双坡屋顶”和飞檐翘角的特质;从侧面看,三块几何形拼出“破土而出”的意象,颂扬了敢为人先的首义精神。
辛亥革命博物馆的建筑面积为22138M2(其中地下6154M2,地上15984M2)地下一层,地上三层,其结构采用钢筋混凝土框架(局部钢管混凝土柱)-钢骨混凝土剪力墙结构,伸至屋面的柱子采用钢管混凝土柱,三层、屋面为钢梁-混凝土楼板体系。三层至屋面是大跨度悬挑钢桁架结构,为V形对称的钢桁架,桁架悬挑跨度为38m,总重约610吨。桁架间设有纵向桁架支撑,桁架间楼板采用压型钢板组合楼盖,楼盖钢梁间设有水平支撑。V形中间部位室外空间两侧的建筑立面复杂,采用空间折板钢架,既作为外墙支撑骨架,又作为楼层竖向支撑结构。

1 工程特点
工程有26根钢管混凝土柱,且均伸至屋面,二层有49根钢骨混凝土梁,三层有256根钢梁,屋面有252根钢梁,在V形结构的东、西边两侧有2榀钢桁架,V形中间部位室外空间两侧有6个折板钢架区,此外尖头飞檐部分有四榀钢桁架。因此,钢构件的吊装是工程施工的重点。
2.1空中散拼量大
工程共有6榀钢桁架,6个折板钢架区,均采用空中散拼,杆件众多,空中作业量很大,对工期和安装精度提出了挑战。
2.2折板钢架的吊装难度大
V形中间部位室外空间两侧有6个折板钢架区,由多个空间面组成,造型复杂,安装时定位难度大。
2.3焊接量大
构件截面大,板厚,钢材的材质:Q235B、Q345B、Q390B、Q420C,主要构件的板厚为16mm、28mm、30mm、32mm、38mm、40mm、50mm等。大部分构件要进行多层多道焊,采用空中散拼,构件多,对接口多,因此焊接量大。
2.4钢结构与土建交叉施工
工程为组合结构,钢结构与土建交叉施工作业。土建施工的运输设备是塔吊,而钢结构的大部分构件的吊装也要使用塔吊,因此,塔吊使用的冲突也很突出。
2 施工技术
2.1安装总体思路分析
地下一层至二层为钢—混凝土组合结构,三层到屋面为钢结构。土建施工为钢结构施工提供作业面,同时又制约钢结构的施工。
钢结构施工的整体顺序:先安装V形对称结构东边(以下简称“东边”)的柱和梁,然后以此为支点来安装对称轴东边的桁架和折板钢架。东边施工完毕后,用同样的方法再安装对称轴西边(以下简称“西边”)的钢结构。
由于场地和吊装设备的限制,钢桁架和折板钢架采用空中散拼。此方法需要搭设大量的操作脚手架和局部承重脚手架。为了钢结构施工与土建施工能够实现良好配合,尽量减少冲突,加快工程工期,采用以下方法:
1)    在地下一层至二层的施工过程中,土建一旦能提供钢结构施工作业面,就立即安装相应的钢骨柱(在剪力墙中)和钢管混凝土柱,积极配合土建方施工,加快工程进度。
2)    两台塔吊大致分别对称布置在V形对称结构的对称轴两侧,为了尽量避免塔吊使用的冲突,土建先施工“东边”至二层,再施工“西边”。在土建施工“西边”时,“东边”的塔吊就归钢结构施工使用,从而避免塔吊使用的冲突。在二层混凝土强度达到75%后,可以进行二层及以上的钢结构的安装。
3)    钢桁架和折板钢架在结构的三层至屋面之间。脚手架的自重和承重的荷载,需要二层以下土建的支模架把荷载传至地面,因此,在钢构件安装完毕后,土建才能拆除相应区域的支模架,以确保施工过程中的结构安全。
4)    地下一层至二层的混凝土施工需要搭设满堂支模架,以满足混凝土梁与楼板的浇筑,梁与板达到75%强度后,在土建支模架的基础上直接搭设操作架和局部的承重架,以减少的脚手架的搭设量。
2.2钢柱、钢梁的安装顺序


先进行1号区域(东边)的钢柱、钢梁安装,然后安装1号区域(东边)的钢桁架、折板钢架。在土建方提供西边作业面后,再进行2号区域(西边)的钢柱、钢梁安装。
   3.3桁架的安装
   3.3.1      桁架的安装顺序

安装东边的钢柱、钢梁后,再进行东边HJ1安装,但为了给HJ2、HJ3的留出安装的作业面,从南至HJ3之间的HJ1部分先不安装。在西边桁架具有安装作业面后用同样的方法安装西边的HJ1,然后搭设操作架和承重架,接下来安装HJ2,在安装HJ2弦杆时,同时安装与内部结构相连接的钢梁,使结构形成稳定的空间受力体系。接下来安装HJ3,在安装HJ3弦杆时,同时安装HJ2、HJ3之间的连梁,使稳定的空间受力体系逐渐向“飞檐”部分延伸;之后安装两榀HJ1的“飞檐”部分,最后安装HJ4。桁架的安装顺序都是先安装下弦,焊接成整体后,再安装腹杆,只进行连接处螺栓的初拧,接下来再安装上弦,校正好腹杆和上弦后,最后进行焊接。

3.3.2      桁架安装具体分析
1)作业半径最大的构件为HJ1X-4,其重量为18吨,作业半径为23m,作业臂长需要大于30m

剪力墙中有钢骨柱,HJ1X-4由钢骨柱直接支撑和固定。
2)桁架分段后的构件最重的为22吨(即下图左边汽车吊吊装的构件HJ1S-5),其作业半径为14m,作业臂长约为30.0m

桁架穿过剪力墙,与钢柱牛腿刚接,与钢梁铰接。为了保证施工安全,桁架构件一旦能与内部结构的钢柱、钢梁连接,就立即连接,尤其是刚接节点,在校正好后,优先焊接牢固,使其形成稳定结构。桁架的自重作用在桁架结构上,而不是作用在承重脚手架上。尽量利用原有的结构来承载,减小临时支撑的负载。
3)飞檐部分的安装
第1步:安装HJ2下弦杆,把其与内部结构相连接的钢梁安装,然后安装HJ2腹杆、弦杆,最后立即把其与内部结构相连接的钢梁安装,使结构形成稳定的空间受力体系。
第2步:接下来用安装HJ2的方法同样安装HJ3,在安装HJ3弦杆之时,安装HJ2、HJ3之间的连梁,使稳定的空间受力体系逐渐向“飞檐”部分延伸。
第3、4步:安装HJ1的“飞檐”部分。
第5、6步:最后安装HJ4。
桁架的安装顺序都是:下弦→腹杆→上弦,即从下往上安装。如下图所示的第1~6步。

飞檐有部分构件在塔吊无法起重或无法覆盖的“盲区”,采用汽车吊QY50进行吊装。


3.4 折板钢架的安装
3.4.1      折板钢架的安装思路


安装顺序为安装A区,然后以A区为支点,安装B区。最后安装C区。C区先于飞檐部分安装,否则飞檐部分安装完毕后,C区将不易安装。安装每个区时,安装顺序是:与土建连接部分下弦杆下层腹杆中弦杆上层腹杆上弦杆。

在吊装前要进行工厂预拼装,折板结构为空间多平面结构,现场安装前要进行支撑构架和定位构架的详细模拟,确保现场安装定位的准确。折板构件不仅要保证轴线定位的准确,还应保证截面方向定位的准确,必要时需要辅以折板棱边的定位。
折板钢架空中散拼,与桁架一样,也需要搭设脚手架作为操作平台和局部的承重支撑架,形式与钢桁架的相同。
1)折板钢架A区安装具体分析

第一步:先把A区折板钢架的直立柱及其连梁和斜撑就位安装,然后再安装剪力墙和直立柱之间的联系结构,使其成为稳定的受力体系。

第二步:搭设A区折板钢架的下弦杆安装操作脚手架和承重脚手架,做好测量工作,在承重脚手架上打好下弦杆的就位标记,为其安装做好准备。下弦杆构件就位后,先做好校正工作,再将下弦杆焊成整体。焊接直立柱和A区下弦杆之间的连杆的对接口,使直立柱通过连杆来承受下弦杆的自重荷载,此时承重脚手架不再承受下弦杆的荷载(但承重脚手架先不拆除)。

第三步:安装下层腹杆。腹杆重量较小,用临时连接装置(如下图所示)把腹杆的下端固定住,且上端用工10a临时固定。


第四步:搭设承重脚手架,且操作架继续往上升。安装中弦杆时,立即安装其与内部结构(剪力墙、钢柱、直立柱等)的连梁,保证折板钢架的面外稳定。校正好后,对需要焊接的对接口进行施焊。为安装上层的构件做好准备。

 
第五步:用第三、四步的方法来安装上层构件,安装上层腹杆,上弦杆,安装内部结构与上弦的连梁安装固定,最后施焊,使A区折板钢架形成空间稳定的受力结构。
2)折板钢架B区安装具体分析

第一步:安装生根于钢-混凝土结构钢骨梁上斜腹杆,每根腹杆均临时连接装置进行固定,用工10a临时固定腹杆的高端,方法同A区。校正构件时,需要可以先搭设少量操作架(因大量操作架会妨碍杆件的就位),以保证施工安全。

第二步:搭设操作脚手架和承重脚手架,然后进行下弦杆的安装,下弦杆就位后,把内部结构与相连的连梁连接上,保证结构在施工过程中的安全。校正后,进行现场焊接。

第三步:按同样的方法,把斜腹杆和中弦杆进行安装,与内部结构相连,然后进行施焊,使之形成空间稳定的受力体系。

  
  第四步:操作架继续上升,安装上层腹杆,方法与下层腹杆相同。

第五步:操作架和承重架继续上升,安装上弦杆,与内部结构相连,最后进行施焊,即完成B区的所有安装。
在折板钢架支撑构架拆除前,与折板钢架相连的三层及屋面楼层钢梁,两端腹板应分别与框架柱和折板构架进行螺栓连接,待折板钢架支撑构架拆除后,进行三层及屋面楼层钢梁与柱刚接节点的翼缘焊接。
3)折板钢架C区安装分析

C区构件数量少,仅有5根,均与二层结构、剪力墙、三层结构相连,一旦有工作面进行安装即可。
 
3.5 卸载
飞檐部分桁架悬臂跨度比较大,在悬臂处设有临时支撑,在制作安装时预起拱,在安装完毕后进行卸载。

卸载点


卸载总体原则
在连廊安装完成,并完成所有的焊接工作,形成稳固的空间受力体系后,才开始对桁架结构进行卸载,卸载缓慢进行,以减少残余变形和残余应力,以防焊缝崩裂。
通过放置在可调支承装置多次循环微量下降进行卸载,同时对各监测点的数据进行读取,并同理论计算数据相比较,指导后续卸载过程,直至将整体结构卸载到位。
1 结语
辛亥革命博物馆钢柱、钢梁、大跨度悬挑钢桁架及折板钢架的安装,采用临时支撑体系和空中散拼结合的安装工艺,在结构组装完成后卸载(拆除临时支撑),卸载完成后进行了一个多月的监控,各项控制指标均符合规范和设计要求,确保了安装过程和卸载过程中的安装精度和结构稳定。
 
参考文献:
[1]中国建筑股份有限公司. GB50755-2012 钢结构工程施工规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012
[2]武汉建工股份有限公司. 辛亥革命博物馆工程钢结构安装安全专项方案
[作者简介]马才旺 武汉建工集团有限公司钢结构分公司正高职高级工程师、国际注册焊接工程师、英国皇家特许建造师、中国职工焊接技术协会理事、湖北省职工焊接技术协会副理事长、国家职业技能竞赛裁判、中国建筑金属结构协会钢结构分会专委会专家。



 
 
 
 来源:湖北焊协