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1、在级配砂石回填地基上拼装400t钢结构桁架施工技术江明山 唐小卫 屠伟（江苏省苏中建设集团股份有限公司中原分公司 ）摘 要：石家庄科技创业中试基地研发中心二期与一期在/轴，标高79.990m90.700m处为单臂钢结构桁架过廊关键词：石家庄科技创业中试基地研发中心 级配砂石回填地面 400t钢桁架过廊 1.工程概况1.1工程简介石家庄创业中试基地研发中心位于石家庄高新区黄河大道，主要用途为孵化器，建成后为高新技术企业提供科技开发平台，一期已于2009年建成。二期与一期在/轴，标高79.990m90.700m处通过单臂钢结构桁架过廊连接，过廊尺寸为16.118.110m，重约400t。钢结构桁架
2、施工方案经专家论证由高空拼装方案改为低位预拼装整体提升，因现场存在肥槽实际情况的限制，钢结构桁架拼装地基有两部分，分别为级配砂石回填地面和原状土（下称老土）地面。施工需着重解决可能因不同地基不均匀沉降以及桁架加工、安装引起的偏差。 图1 建筑效果图1.2施工场地布置图图2 拼装阶段施工场地布置图1.3施工准备1.3.1施工设备（1）S450L25塔吊（位置见图2）；（2）1台30t汽车吊；（3）4台NB-500KR二保焊机；（4）1台DZS-3水准仪，1台TPK3002LN全站仪；（5）2个3t3米长倒链，2台100t立式油压千斤顶，1台32t立式油压千斤顶，2个50t齿轮千斤顶，2个10t齿
3、轮千斤顶；1.3.2 拼装场地为了减少不均匀沉降对桁架拼装工程施工的影响，现对回填土种类进行选择，并确定拼装平台的布置方案：（1）如采用黏土回填，石家庄地区正值雨季，回填不易密实，沉降量过大,不能满足拼装精度要求。根据施工经验以及参考相关文献，在拼装区内回填采用人工级配砂石（见图3、图4），分层洒水夯实，最佳含水量控制在8%12%，在每层设置纯砂检测点，用环刀测定干砂质量密度，合格后方可进行下一层施工，每层压实系数不小于0.97。（2）回填完成后，将地面整平，铺200mm厚碎石垫层（夯实），在布置双H型钢梁的位置下铺30mm厚钢板，每边宽出钢梁300mm，按图3布置H型钢梁。 图3 现场拼装平
4、台平面图图4 现场拼装平台侧面图(3)计算过程a计算模型老土和级配砂石沉降计算见图5、图书图5 老土沉降计算图图6 级配砂石沉降计算图b荷载计算：根据业主提供的石家庄科技中心研发工程岩土工程勘察报告所示，拼装区域（钻孔点6）内岩土地质如下：新近沉积黄土状粉质粘土 h1=2.0m Es1=8.7Mpa 黄土状粉土 h2=1.1m Es2=11.6Mpa黄土状粉质粘土 h3=3.1m Es3=9.8Mpa粉质粘土 h4=2.1m Es4=11.8Mpa中粗砂（地基基础持力层） h5=14.0m Es5=22.0Mpa含卵石中粗砂 h6=14.0m Es6=32.0Mpa拼装平台自重：G碎石层=2.
5、20.218（7.7+8.42+2）10=2090.88KNGH型钢梁=0.0662(618+4（7.7+8.42+2）)10=282.48KNG钢垫板=0.023551(618+4（7.7+8.42+2）)10=50.4KN桁架自重G1=4000KNG= G碎石层+G钢垫板+GH型钢梁+ G1=6423.76KN拼装平台底面积A=18（7.7+8.42+2）=477P0=G/S=6423.76/477=13.47KN/Zn=b（2.5-0.4lnb）=18（2.5-0.4ln18）=24.19mc地基沉降计算：根据建筑地基基础设计规范GB50007-2011 l/b=1.472,Z1/b=0
6、.105, Z2/b=0.172, Z3/b=0.344, Z4/b=0.461，Z5/b=1.239, Z6/b=1.344查GB50007-2011附录K： 0=1.000, 1=0.998,2=0.994, 3=0.966, 4=0.935; 5=0.675, 6=0.645 A1=（1+0.998）2.0/2=1.998 A2=（0.998+0.994）1.1/2=1.096 A3=（0.994+0.966）3.1/2=3.038 A4=（0.966+0.935）2.1/2=1.996A5=（0.935+0.675）14/2=11.27A6=（0.675+0.645）1.89/2=1.
7、247Es=(1.998+1.096+3.038+1.996+11.27+1.247)/1.998/8.7+1.096/11.6+3.038/9.8+1.996/11.8+11.27/22+1.247/32=15.25Mpa查GB50007-2011表5.3.5得 s=0.39S老土=0.3913.47（20.998/8.7）+(3.10.994-20.998)/11.6+(6.20.966-3.10.994)/9.8+(8.30.935-6.20.966)/11.8+（22.30.675-8.30.935）/22+(24.190.645-22.30.675)/32=5.86mm；回填级配砂石
8、压缩模量 查建筑地基基础处理技术规范JGJ79-2002 ES=30Mpa 回填级配砂石底面宽2m,上部宽4.5m，取上下宽2m，做近似计算。Z/b=4.45/2=2.225，l/b=26.5/2=13.25 查GB50007-2011附录K：1=0.573、表5.3.5得 s=0.2 Zn= b（2.5-0.4lnb）=2（2.5-0.4ln2）=4.45m S级配砂石=0.213.474.450.573/30=0.23mm综上所述，在钢桁架在地面拼装时，悬挑端部起拱在设计图纸要求的L/200的基础上附加10mm，按线性起拱控制，端部起拱18000/200+10=100mm。2.加工厂内预拼
9、装2.1预拼装的目的此钢结构过廊共有6榀桁架需要进行预拼装，包括：GHJ-1(1轴桁架)、GHJ-2(3轴桁架)、GHJ-3(4轴桁架)、GHJ-4(O轴桁架)、标高+79.990米平面桁架、标高+90.700米平面桁架。通过在加工厂内的预拼装，消除制作误差、确定定位尺寸和相互间精确的位置关系。2.2预拼装过程地样平台应在放样前找平，地样上最大平面度误差应小于5。然后放出各杆件的轴线及交汇点，在各主要杆件上布置支撑点，支点的水平误差应小于3。各杆件均应以其中心（或轴线）为基准画出其构件边缘线，以便于拼装时的检查和定位，悬挑桁架按设计图纸要求在放地样时把起拱值加上，最大值在端部，各轴线的交汇点的
10、位置偏差应小于2。预拼装构件应控制基准，中心线明确标示，并与平台基准线和地面基准线一致。在胎架上预拼装全过程中，不得对构件动用火焰或机械等方式在胎架上直接进行修正、切割或使用重物压载、冲撞、捶击。现就桁架GHJ-1的预拼装进行说明：（1）按图号KJ-XB05 1轴及桁架GHJ-1 立面布置图，对1轴的一组构件进行整体预装配，包括带箱型直、不规则斜牛腿的十字主钢柱（构件编号KGZ3-3，此钢柱共分三段）、带箱型牛腿的箱型桁架小立柱（构件编号GHJ1L-14、GHJ1L-4）、带箱型直、不规则斜牛腿的箱型上中下弦水平梁构件（构件编号GHJ1L-2、GHJ1L-3、GHJ1L-5、GHJ1L-1）、
11、以及箱型斜撑梁（构件编号GHJ1L-6、GHJ1L-7、GHJ1L-8、GHJ1L-9、 GHJ1L-10、GHJ1L-11、GHJ1L-12、GHJ1L-13），车间放地样时按照图纸说明要求按跨度的1/200起拱（最大起拱值在悬挑的端部，此为结构预起拱），图中给出的是没加起拱值地样。车间加工制作构件时，中弦箱型梁（构件编号为GHJ1L-5、GHJ1L-3）上的斜牛腿先不组对焊接，整榀桁架预拼装时组对焊接，待焊接完成后整榀桁架再与地样复合。如下图7所示：图7 GHJ-1立面图（2）在地样平台上以图中的水平基准线和竖直基准线为基准摆放十字主钢柱（构件编号KGZ3-3）、箱型桁架小立柱（构件编号G
12、HJ1L-14、GHJ1L-4），箱型桁架的上中下弦杆（构件编号GHJ1L-2、HJ1L-3、GHJ1L-5、GHJ1L-1），箱型斜撑梁（构件编号GHJ1L-6、GHJ1L-7、GHJ1L-8、GHJ1L-9、 GHJ1L-10、GHJ1L-11、GHJ1L-12、GHJ1L-13）（3）各杆件摆放就位后，应调整其杆件的水平和垂直面，采用水平尺和线坠测量杆件两端的水平和垂直面的垂直度，当杆件存在扭曲但不超差时，应将其扭曲值均匀分配到两端面。每根杆件调整完成后应采取措施将其侧向、轴向及垂直方向固定，避免以后吊装其它部件时产生碰撞位移。（4） 上、中、下箱型水平梁杆件的预装：箱型梁预拼装应控制其
13、与柱子上牛腿的组对焊接口的错边量2，外端口与轴线的垂直度及地样检查线的偏差2，端口的水平、垂直面的偏差2，端口中心与地样轴线偏差2，调整后按照图纸要求对各接口位置的螺栓孔进行配钻，并用临时螺栓固定。（5）吊装就位箱型斜撑中间段：中间段预拼装前首先检查其最大外形尺寸并与水平箱型梁的上下牛腿外端口间距进行对比，当中间段尺寸偏大时应先进行修整至0-4偏差后再将斜撑吊装就位。检查其两端口与牛腿上下端口间隙及错变量，调整错边量控制在2。根据柱、梁上已经焊接好的牛腿位置调整箱型斜撑的位置，调好后将箱型斜牛腿点焊在中弦杆上，按照图纸要求对各接口位置的螺栓孔进行配钻，焊接定位耳板并用临时螺栓固定。（6）焊接各
14、杆件现场安装用定位板，并标注接口间永久性定位标记线。定位耳板螺栓孔与螺栓直径间隙为0.5。（7） 编号、拆除。杆件接口间打出钢印号并做好预拼装记录后拆除拼装构件，此榀桁架预拼装结束。另5榀桁架的预拼装略。3.现场拼装3.1桁架拼装精度及定位、标高控制3.1.1桁架拼装精度 拼装测量的精度要求很高，尤其是纵向长度和与其它钢结构连接处的细部节点。对于关键部位，要求任意点的点位测量误差不大于0.5mm；其余部位，要求任意点的点位测量误差不大于1.0mm。为保证测量精度，对于关键部位要采用归化法进行测设。为提高划线精度，采用钢针划线，划线宽度小于0.1mm。拼装结束后，要对拼装体的几何尺寸进行验收测量
15、，为最终提升安装提供依据。3.1.2桁架拼装的定位控制（1）复核已经安装完毕的钢柱牛腿尺寸与设计尺寸的偏差，如果偏差在拼装时进行调整。在已安装完毕的钢柱牛腿上，挂钢丝线，端部拴50kg钢垫块，垂至拼装作业区，作为辅助定位。（2）控制网的精度为量距1/40000，测角8，相邻两点间的距离误差1mm。在+79.990m楼层1轴，4轴交P轴处定点A1,B1（后视点）,记录坐标，在视野开阔处架设全站仪定点O1，投射到地面上三个点分别为A2,B2,C2（前视点,此三点为测量控制网），记录坐标，然后在A2、B2建站复测C2坐标，A2 、C2建站复测B2坐标，B2、C2建站复测A2坐标，复测无误后，在A2,
16、B2,C2三点控制范围内，自由建站点O2，测出地面标高处1轴，4轴交P轴的控制点A3,B3，并在主体上做标记，作为精确定位的依据。3.1.3拼装过程的标高控制（1）拼装平台搭设完成，在主楼内设标高控制点，平台统一标高，设计图纸要求悬挑端部按L /200进行预起拱，并附加老土部分10mm的预留量，在型钢垫梁上加设钢垫块辅以千斤顶进行起拱布置。（2）记录每次加载前和加载后的标高，待底面桁架拼装完成后，统一校对标高，然后在进行竖向构件的拼装。（3）钢构件拼装时，每天进行标高的复核，待加载完成后，测量观测周期可适当延长。标高偏差控制在2mm以内，超出范围的用100t立式油压千斤顶加钢垫块找平。3.2
17、桁架拼装起吊设备 (1)对照塔吊使用说明书，S450L25塔吊旋转半径（3249m）覆盖拼装区域内的起重量为7.6t12.5t。（2）桁架中的构件超出塔吊起重范围的，另租30t汽车吊，现场进行起吊，拼装作业。3.3 桁架施工顺序6榀桁架，分34轴和13轴两大部分进行拼装，具体顺序如下：（桁架标号详见图14 拼装效果图）（1）拼装34轴标高+79.990米平面桁架（2）拼装34轴GHJ-2,GHJ-3,GHJ-4的竖向钢构件（3）拼装34轴GHJ-2,GHJ-3,GHJ-4下弦与中弦梁间的斜梁（3）拼装34轴GHJ-2,GHJ-3,GHJ-4中弦梁（4）拼装34轴GHJ-2,GHJ-3,GHJ-
18、4上弦与中弦梁的斜梁（5）拼装34轴GHJ-2,GHJ-3,GHJ-4上弦梁（6）拼装34轴标高+90.700米平面桁架（7）拼装13轴标高+79.990米平面桁架（8）拼装13轴GHJ-1,GHJ-4的竖向钢构件（9）拼装13轴GHJ-1,GHJ-4下弦与中弦梁间的斜梁（10）拼装13轴GHJ-1,GHJ-4中弦梁（11）拼装13轴GHJ-1,GHJ-4上弦与中弦梁的斜梁（12）拼装13轴GHJ-1,GHJ-4上弦梁（13）拼装13轴标高+90.700米平面桁架构件拼装时对称加荷，防止因不均匀沉降，引起的拼装误差。3.4桁架构件校正3.4.1千斤顶校正安装构件就位后，用全站仪观测定位尺寸，偏
19、差过大时进行调整，调整时，在已固定的钢构件或者地面上焊接临时支座用于千斤顶受力点，待校正的钢构件亦焊接临时支座（亦可使用起吊环作为校正支座），两临时支座中间安放50t齿轮千斤顶，用于调整尺寸。 图8 千斤顶偏差校正 图9 千斤顶偏差校正3.4.2倒链校正 安装构件就位后，用全站仪观测定位尺寸，偏差过大时进行调整，调整时，将手拉倒链固定在已固定的钢构件或者地面上，用于手拉倒链的固定拉点，另一侧固定在需要校正的构件上，人工操作倒链，进行校正。图10 倒链校正偏差 3.5临时固定措施（1）构件安装使用临时螺栓固定，待校准后，逐一换成高强螺栓。并加钢丝绳进行固定。（2）GHJ-1,GHJ-2,GHJ-
20、3靠2期主楼的上，中弦水平梁构件为后装段，没有竖向箱型柱支撑，现场用双1604无缝钢管，中焊3mm厚缀板连接，做为上，中弦水平梁构件的临时支撑柱，临时支撑与水平箱型梁点焊固定。示意图如下： 图11 竖向临时支撑现场图（红色钢管） 图12临时支撑剖面图3.6钢结构的焊接及焊接变形控制措施3.6.1 焊接工艺由于本工程结构复杂、焊接量大，焊接是钢结构施工中的关键工序，为了更好地控制焊接变形和减小应力，达到确保焊接质量，保证安装精度的目的，钢桁架上、下弦主杆与主杆及柱撑与牛腿的对接X型双面坡口，下部仰焊，上部清根后焊接，全部对接焊缝进行超声波探伤。严格控制焊接顺序是保证整个构件焊接后尺寸精度的关键。
21、构件的焊接，是安装工作的重中之重，必须从组对、校正、复验、预留焊接收缩量、焊接定位、焊前防护、清理、焊接、焊后热调、质量检验等工序严格控制，确保接头焊后质量全面达到标准。3.6.2 焊接定位焊接定位对于焊接质量具有十分重要的影响。本次杆件焊接中采用了连接板预连接方法。正式焊接前，将定位焊处渣皮飞溅、雾状附着物仔细除去，定位焊起点与收弧处必须用角向磨光机修磨成缓坡状，且确认无未熔合、收缩孔等缺陷存在。3.6.3 对接焊焊缝焊接立柱、横梁、柱撑的对接口均为开坡口的熔透焊缝，熔透焊缝的焊接分为：打底焊、填充焊、盖面焊三个步骤。1）打底焊均为单道缝。打底层焊接时选用小直径电焊条，电流调节为约90A(2
22、.5mm)或120A(3.2mm),打底焊要保证焊透，避免焊缝出现未融合和气孔。控制焊缝厚度在2-3mm。对于间隙较大或缝宽超焊条直径2倍以上的焊缝，处理方法为在坡边侧采用小直径焊条逐渐堆垒缩小间隙（不得填充异物）。2）填充焊一般为多道焊，填充焊时可选择大的焊条，保证焊接填充效率，多道焊道内的焊接接头应至少错开30mm以上。同时，每道焊缝间的层间温度应控制在250-300之间。多道焊应注意防止焊道间出现未熔合。接头的阴角部分，使用2.5mm焊条，阳角部分使用3.2mm焊条；3）盖面焊接既有焊缝填充作用，又可以起到对前道焊缝重熔退火作用。盖面焊缝除应保证较好的焊缝内部质量外，还应保证良好的焊缝成
23、形，并控制焊缝余高在2-3mm范围内。3.6.4 对钢结构焊接变形的控制限制措施由于结构截面复杂，焊接时很容易产生焊接变形，为保证安装焊接中几何尺寸的精度和控制变形。在焊接中特采取以下措施：（1）在焊接口两侧设置定位码板，对可能变形的构件和部位提供看变形刚度，保证构件焊后尺寸保持不变；（2）根据对接口焊接变形趋势的分析，制定合理的焊接顺序，尽可能减小焊接变形量。（3）焊接之前预先向反向留出焊接收缩余量，该余量与焊接工艺方法有关，在及时调整变形与反变形时，可采用不同的焊接工艺方法；（4）用临时支撑、千斤顶、倒链及时调整变形；（5）在紧固件紧固完成后，进行焊接，限制变形。3.7成品保护措施（1）竖
24、向构件及斜梁构件断面均为箱型梁，拼装完成后，在一段时间内，不能安排钢桁架提升作业，故在构件底部留透水孔，防止雨水淤积在箱型梁中，锈蚀钢构件。在钢桁架整体提升前将透水孔进行封堵。（2）后连接构件的坡口及螺栓连接面用胶布进行包裹保护，避免锈蚀，影响后续焊接作业以及摩擦面的抗滑移系数。（3）本工程桁架焊缝均为一级焊缝，100%进行超声波探伤，检验合格后，进行防锈施工。（4）待桁架拼装结束，整体提升前，每周进行一次标高复测，发现拼装平台发生不均与沉降的，及时处理。 （5）拼装作业紧邻1期主楼（已投入使用），为避免焊接作业破坏一期玻璃幕墙，在一期建筑外立面（拼装影响范围内），满挂彩条布进行保护。 图13 拼装效果图4.结束语采用本施工技术的拼装平台以及拼装、焊接顺序，有效地避免了地基的不均匀沉降，减少了焊接变形，老土部分预留的10mm沉降量，在拼装完成后，进行了复测，最终沉降6mm，顺利完成了400t桁架过廊的拼装。图14 拼装完成图参考文献 1建筑地基基础设计规范 GB50007-20112建筑地基处理技术规范JGJ79-20023陈希哲 土力学地基基础.清华大学出版社4贾鹏程 钢结构焊接变形的预防和处理方法探讨 J. 山西建筑,2004(8)