****新館*****復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)施工【摘要】采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多管相交的空間結(jié)構(gòu)體系制作與安裝施工【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)鑄鋼件空間定位鑄鋼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(gè)最大的空間設(shè)計(jì)上打破蘇州民居方方正正的傳統(tǒng)，將它設(shè)計(jì)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(gè)石材屋面，中央大廳共有12個(gè)石材屋面，均有1個(gè)采光玻璃頂屋面，眾多屋面高低錯(cuò)落，別具一格；而大廳的屋面結(jié)構(gòu)為高低錯(cuò)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(diǎn)和難點(diǎn)（1）八角樓具有復(fù)雜的造型，鋼鑄件節(jié)點(diǎn)伸出多個(gè)接頭，節(jié)點(diǎn)是一個(gè)復(fù)雜的三維體（見節(jié)點(diǎn)三維圖），每個(gè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的安裝精度都直接影響到與之相連的若干個(gè)管件，安裝過程中須控制累計(jì)誤差并及時(shí)的進(jìn)行鑄鋼件之間相對(duì)位置的協(xié)調(diào)和修正，制作安裝測(cè)控難度大。（2）主結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)外形復(fù)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(diǎn)需要與相連的管件組對(duì)并等強(qiáng)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(diǎn)?？臻g結(jié)構(gòu)中一個(gè)典型節(jié)點(diǎn)的三維模型：2、空間結(jié)構(gòu)的制作2.1根據(jù)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析確定制作思路，克服安裝測(cè)控難度。八角樓空間形狀復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)眾多，首先從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手，確定空間結(jié)構(gòu)的制作、拼裝思路。在圖紙和節(jié)點(diǎn)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(shí)體模型軟件xsteel，將鋼結(jié)構(gòu)（包括相關(guān)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(dǎo)向功能，將三維空間結(jié)構(gòu)用2D圖面清晰、完整的表達(dá)出來。再將空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成多個(gè)平面結(jié)構(gòu)（化整為片），其他構(gòu)件制作成標(biāo)準(zhǔn)散片，采用散裝對(duì)接，如（圖一）示意；其中主控桁架簡化成兩榀帶有鑄鋼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)制作施工主結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)將相貫交匯優(yōu)化為鑄鋼節(jié)點(diǎn)（1）主結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)分析比較，采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)。（2）采用三維CAD將相交管件的空間位置及預(yù)留長度按照實(shí)樣進(jìn)行建模，并獲得相關(guān)參數(shù)。改進(jìn)制作工藝保證鑄鋼節(jié)點(diǎn)質(zhì)量1、模型制作要點(diǎn)（見圖三）（1）在CAD建模和取得相關(guān)參數(shù)后，制作鑄鋼件節(jié)點(diǎn)模型。（2）采用干燥的紅松制作整體實(shí)樣，支管采用抽芯模結(jié)構(gòu)，裝配時(shí)先將尺寸線按角度或用樣板將具體位置確定，通過測(cè)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(yàn)做好記錄，并經(jīng)質(zhì)檢員、工藝員對(duì)實(shí)物復(fù)核、簽字后方可投產(chǎn)。2、澆筑要點(diǎn)（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(yīng)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(xué)性能，鑄件進(jìn)行正火熱處理，以均勻鋼的化學(xué)成分和組織，細(xì)化晶粒。（2）經(jīng)加工和熱處理后，鑄鋼件節(jié)點(diǎn)材料特性。本工程的鑄鋼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)壁厚40mm，鋼管材料規(guī)格為：Φ219*22mm、Φ168*22mm。鑄鋼節(jié)點(diǎn)材料的化學(xué)成分見表一，經(jīng)設(shè)計(jì)認(rèn)定符合要求。表一鑄鋼節(jié)點(diǎn)材料化學(xué)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(diǎn)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(shè)水平的操作平臺(tái)，以八角樓中心點(diǎn)為原點(diǎn)，通過經(jīng)緯儀在平臺(tái)上出放出每個(gè)柱腳的中心線，并用墨線做好標(biāo)記，采用Φ168*10mm做為定位鋼管（鋼柱內(nèi)徑為Φ175mm），將其根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸在平臺(tái)上精確定位。鋼柱定位如圖四所示：鑄鋼節(jié)點(diǎn)空間定位（見圖四-1）（1）八角樓空間形狀復(fù)雜，如何將三維鑄鋼件安裝到正確的空間設(shè)計(jì)位置，保證各個(gè)管口的空間位置的準(zhǔn)確，是第一個(gè)需要解決的實(shí)際困難。（2）通過對(duì)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(shè)置一對(duì)線錘對(duì)準(zhǔn)地面上的軸網(wǎng)控制線。（3）鑄件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)高在實(shí)體內(nèi)部，節(jié)點(diǎn)中心標(biāo)高控制無法實(shí)現(xiàn)，通過計(jì)算得出管口頂面的標(biāo)高值，作為標(biāo)高控制依據(jù)（見圖三），標(biāo)高的微調(diào)依靠臨時(shí)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(diǎn)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(dòng)埋弧焊接，焊接后變形量高達(dá)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(shí)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(dá)到±3mm以內(nèi)，火焰矯正如圖五所示：2.4保證鑄鋼節(jié)點(diǎn)與管件組對(duì)等強(qiáng)焊接措施組對(duì)等強(qiáng)焊接概況和材料要點(diǎn)(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(gè)焊口，4個(gè)管徑219mm，壁厚22mm；4個(gè)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(hù)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(xué)成分見表二：，其化學(xué)成分均與鑄鋼件化學(xué)成分適用。表二E5015熔敷金屬化學(xué)成分CMnSiSP0.120.900.600.0350.035組對(duì)等強(qiáng)焊接措施(1)鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊前預(yù)熱熱源采用氧—乙炔中性火焰，預(yù)熱范圍沿焊縫中心兩側(cè)各100mm以內(nèi)進(jìn)行全方位均勻加熱，當(dāng)預(yù)熱溫度、范圍達(dá)到預(yù)定值后，恒溫20~30分鐘，溫度測(cè)試離坡口80~100mm處進(jìn)行，采用紅外線測(cè)溫儀感應(yīng)測(cè)溫。預(yù)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(diǎn)3.1保證控制桁架精確的限位設(shè)計(jì)桁架工廠預(yù)拼裝、焊接完成后，因“控制桁架”體型較大，無法整榀運(yùn)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(duì)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(jìn)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(shè)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(shí)點(diǎn)焊固定；管口組裝根據(jù)工廠內(nèi)設(shè)置連接耳板（正交方向各設(shè)一副），保證管口間隙和杜絕錯(cuò)口情況的發(fā)生（如圖七所示），并在“控制桁架”上設(shè)置剪刀撐和其他臨時(shí)限位措施，防止焊接過程中節(jié)點(diǎn)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(yù)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(dāng)“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(diǎn)焊固定，并做好攬風(fēng)繩的設(shè)置，桁架的就位又快又準(zhǔn)，大大加快了安裝進(jìn)度，如圖八所示：4、工程體會(huì)（1）****幾個(gè)大廳結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，在圖紙和節(jié)點(diǎn)深化過程中，采用鋼結(jié)構(gòu)實(shí)體模型軟件Xsteel，將三維空間結(jié)構(gòu)清晰、完整的表達(dá)出來，這是做好工程的前提。（2）在接受工程項(xiàng)目后從制作到安裝的設(shè)想均經(jīng)過技術(shù)部門詳細(xì)的技術(shù)方案論證