第1卷      大跨度穹顶钢结构的制作与安装

长春市双阳水泥厂石灰石预均化库屋盖为大跨度穹顶钢结构,结构平面技影为正18边形(通称圆库),对角线轴距(直径)86.616m,中央矢高27.6m,是目前国内已竣工的跨度最大的穹顶钢结构之一(图6-14-1)。

该工程在设计中首次采用型钢管结构无节点板桁架,扭剪型高强螺栓拼接的安装方式。该工程技术经济指标先进,计算用钢量指标为49kg/m2。

由于结构新颖,设计中采用了新技术、新工艺,对结构制作安装提出了很高的要求,其制作精度和安装偏差的要求已高于国家现行施工及验收的规定。

第1章      大跨度穹顶钢结构的制作方案确定

由于双阳水泥厂地处偏僻山区,构件超重超长,长途装运不便,通过方案论证和费用测算,确定采用现场制作方案。设计单位提出,这样大跨度的钢结构,其温度收缩会引起结构较大变形。为确保安装顺利,制作和安装时的温度应相差不多,这就需要跨年安装。通过反复论证,认为只有采取有效措施,控制和补偿温度收缩,当年制作当年安装才是最优方案。

由于结构跨度大,国内又无先例,设计单位在图纸说明中提出宜进行整体预试装。认为只要采用精密的加工技术和先进的测试手段,保证各构件尺寸精度,采用不进行整体预试装,直接进行安装的方案,是有把握的。

第2章      技术准备

第1节      钢平台设计与铺设

钢平台是构件制作的重要保证条件,在分析图纸的基础上,确定了钢穹顶制作需要放1/18面积(即一个三角单元体)平面大样和半跨立面大样。为此设计了与放大样相适应的多边形钢平台,在最大限度上减少了平台占地面积和铺设费用。

平台铺设时采用了有效措施防止沉降,保证其平整度误差在2mm内。

第2节      机具设备现场制作

机具设备现场制作配备了大吨位汽车式起重机用以移送和翻转构件,配备了交、直流电焊机用于焊接和电弧气刨,以及齐全的切割下料、调直、钻孔设备,还配置了超声波探伤仪用于焊缝探伤。

为确保放样制作的尺寸和角度精确,配备了钢卷尺、钢板尺、游标卡尺、万能角度尺、游标量角器、塞尺和宽度角尺等测量工具,并对钢卷尺进行了精密测定。

第3章      钢结构制作的技术难点

由于结构全部为封闭尺寸,螺栓连接,对构件制作精度要求非常高。经过技术论证,认定要达到制作的精度要求,主要的技术难点是:

1.尺寸精度控制:这个问题贯穿于施工全过程,包括放样、下料、组对、焊接等各道工序。

2.控制焊接收缩和焊接变形:焊接收缩主要指沿构件(管件)长度方向的收缩;焊接变形指由焊接应力引起的各类变形,包括线变形、角变形和弯曲变形。

3.钢管腹杆的相贯线加工。

针对上述3个技术难点,采取了一系列技术措施来保证制作的精度。

第4章      主要施工环节技术措施

第1节      放样

所有构件在钢平台上按投影几何原理放1︰1足尺大样,放样工具采用红外线测距仪、经精密校验的钢尺和拉力计,先用校验过的钢尺结合拉力计,根据图纸放出所需要的大样,然后用红外线测距仪对大样误差再进行校正。

用此方法,半跨钢架大样用红外线测距仪测定的误差为+1mm,不需调整就满足了设计要求。

所用钢尺须经精密校验。因50m钢尺出厂时误差±10mm均在合格范围内,而用于本工程钢结构制作是无法保证结构设计精度的。在用钢尺进行精密测量时,可根据校验时给定的每把钢尺的尺长改正方程式和温度,进行改正。

经反复测定证明,连接成一体的钢平面能克服伸缩阻力而与钢尺具有同样的温度变化系数。根据这个结论,放于钢平台上的大样不必因温度变化进行修正。

第2节      下料

下料前对型钢进行校正,以冷校为主,辅以热校正,由于工字钢长而且重,为此制作了螺旋千斤顶校正支架和平行进给支架,以提高工效和作业质量。下料时,由于受温度、焊接工艺、焊缝形式等诸多因素影响,为保证构件制作精度,需精确地预留焊接收缩余量,为此采取的措施是:在制作同型号的第一个构件时,先留足理论收缩量,再加长10~20mm,待焊接收缩结束后,测定出实际收缩量,割去多余部分(注意应尽量保证在同一条件下加工)。

第3节      钻孔

构件中所有高强螺栓的群孔采用钻模钻孔;连接板的孔采用配钻法、叠钻法加工;工字钢翼缘、环向托架及焊接实腹钢梁的螺栓孔在构件组对焊接结束后,再以端部为基准划线钻孔,以避免组合误差和焊接收缩变形影响孔位。

钢架GJ4与中心GJ5连接的弧形板采用双圆环夹紧后同时配钻径向孔方法,将外环切割成GJ4的端板,切割板后产生了一定曲率变化,然后以内环为胎膜对其进行二次校形,使其在安装时两圆弧得以很好吻合。

第4节      钢管相贯线加工

主钢架内环向的托架中,由于腹杆设计采用钢管,且无连接板,施工中需对正斜两钢管相贯线进行加工。

钢管的相贯线切割在国外有专用设备,据了解,国内的仿形切割机只能作平面仿形切割,而对象钢管相贯这样的空间曲线无能为力。为此,先把相贯线展开在平面上,用铁皮做出样板,再把样板圈起套在钢管上画线,切割成形后观察吻合程度,再反复修整样板,直至达到精度要求。

第5节      组对、焊接

为确保构件在钢平台上的组对精度,每天班前测量钢平台的沉降,对不均匀沉降超过精度要求的部位,进行改正。固定杆件采用固定拉板,顶紧螺栓、平台垫板、垫块构成整体胎具。组对钢架时,GJ1~GJ4同时进行,各端部法兰板精确定位,并用卡具成对卡紧,各杆件用专用垫块垫平,保证各杆间轴线汇交点位置正确。

焊接除GJ5的焊接H形钢采用自动焊,G08A焊丝,其余根据现场施工特点采用手工电弧焊,其中对接焊缝采用电孤气刨清根技术,对接焊缝进行100%的一次超声波探伤,结果达到了二级焊缝的设计要求。

第6节      防止焊接变形和减小焊接应力的具体措施

防止焊接变形和减小焊接应力的具体措施在钢结构焊接过程中,焊件的焊缝和热影响区,由于不断受到焊接热循环的作用,在焊件内部产生焊接应力和焊接变形。由于本工程钢结构全部栓接,且大部分是封闭尺寸,任何微小变形都可能影响安装质量,故应采取有效措施防止焊接变形。

防止变形主要采取以下措施:

对称焊接,同时焊接。

选择合理的施焊顺序,如分中逐步退步法、逆焊法和多层同速焊接法。

采取临时加固措施。

采用反变形法施焊。

以上方法根据各构件特点,或同时采用或部分采用,下以环梁和钢桁架为例作简要说明。

1.外环梁为焊接实腹工字梁,其主要变形倾向为翼缘板向内翻转和沿梁长度方向弯曲,严重者可发生扭曲变形。为防止翼缘板变形,在钢梁焊接前先做一个1m长的同截面变形试件,实测其变形值,然后根据实测值做出反变形试件,再焊接测量反变形效果,得出修正值,根据修正后的变形值再对整批构件做出反变形,然后再组对施焊。为防止钢梁弯曲、扭曲,采用双人同时以同手法、同电流、同速度进行对称焊接,焊接的走行方向采取分中逐步退焊法,然后两侧同时挑焊加劲肋立缝,走行方向如下:

→ → → ← ← ←

                     6  4  2  1  3  5

按上述方向焊接实测除个别残余变形少量超要求,需校正外,绝大多数满足要求,不需校正。

2.为防止钢桁架焊接变形,采取以下措施:钢桁架采取平面组对,立起焊接,以防止侧弯。上弦节点先向下放置,每个节点1人,多人同时焊接。然后翻转再焊接下弦节点,焊接时两端上下弦之间由于有一杆悬浮,采用反正丝杆顶紧,防止内弯。

第5章      吊装方案的确定

吊装前提出了4套吊装方案,对比分析见表6-14-1。

对比分析后确定方案4为最佳方案。

第6章      吊装准备

第1节      库中心临时支撑搭架的设置

选用塔高为24.5m的输电铁塔作为库中心临时支架固定GJ5,GJ5的轴心采用激光经纬仪测定,塔基采用独立桩基础,塔顶部设4000mm×4000mm的钢平台,GJ5座落在3台50t千斤顶之上并呈120°角,用9块250mm×600mm×30mm钢板螺栓连接固定GJ5,在吊装过程中呈可调状态(图6-14-2)。

第2节      地面拼装三角单元体

1.地面放线后设置临时支架,拼装顺序如下：

GJ1—GJ2—TJ2—TJ4—TJ1—TJ1B—TJ1—支撑与杆件SC5—SC4—SC3—SC2—SC1,其中SC1末端不作螺栓固定,待就位后再进行联结,拼装后逐步进行检测。

2.三角单元体地面拼装及起吊顺序(图6-14-3)。

第一轮位置2~3轴、9~10轴、17~19轴;

第二轮位置4~5轴、11~13轴、20~21轴;

第三轮位置7~8轴、5~16轴、22~23轴。

其中第一轮拼装及吊装,开由于场地限制,第三个三角单元体分两段组拼,待每轮前两个三角单元体吊装就位后进行地面对接,再行起吊就位。

第3节      试起吊就位

地面组拼后会同设计、建设单位的工程技术人员对拼装质量、几何尺寸进行严格检查,起吊时用4台车分别位于三角单元体两侧进行微调就位,试穿高强螺栓,确认就位角度和几何尺寸准确,试吊成功。

第7章      吊装方案实施

正式吊装时,8台吊车分别就位于2~3轴,9~10轴三角单元体的两侧,同时起吊至预定位置准确就位后,先将三角单元体与周边环梁连接,再连接上端中心钢架GJ5配合高强螺栓进行初拧,然后撤掉2~3轴和9~10轴下端的4台吊车转至17一19轴两侧,将分段组拼的三角单元体连接后起吊就位,配穿螺栓后3个三角单元体同时进行终拧。地面用2台经纬仪同时进行检测,保证终拧时GJ5的轴心垂直度和水平位移控制在允许范围内,至此完成了第一轮3个单元体的吊装,转换顺序见图6-l4-3。

对于空跨三角单元体的吊装,待9个三角单元体吊装后进行9个空跨的托架及支撑的吊装。

高强度螺栓紧固顺序同上,但均不宜进行终拧,待全部螺栓配穿后由内向外依次进行终拧。

该工程采用的施工方法克服了传统吊装方法的弊病,确定的方案是以满足结构稳定性良好、成本低、可操作为原则,经过可靠的技术经济论证,选取最佳的结构吊装方案,即120°角吊装方法,吊装的稳定性很好,保证了钢结构整体稳定和安全,最大限度地减少了空中作业量。在高强度螺栓的紧拧中,采用手动大搬手进行初拧和终拧,取得了较好的技术经济效益。