浅谈管桁架结构制作技术

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【摘 要】本文以新加坡樟宜机场机库屋面管桁架制作为例，结合中外标准，就该类钢结构在特殊节点制作、桁架预拼装等问题进行探讨和研究。

【关键词】管桁架结构；相贯连接；制作；预拼装

1、概述

1.1 工程概述

新加坡樟宜机场屋面主体结构设计采用了管桁架结构。由17(含6榀边桁架)榀主桁架和7榀次桁架交叉组成。中部主桁架上弦变坡，下弦水平，上下弦矢高端部最小为4200mm，中间最大高度为6500mm。其钢管均为无缝钢管，钢管最大φ457*16。重达2000t。

图1 A380机库的结构模型图

屋面钢桁架空间杆件交错，连接节点复杂，原设计采用节点相贯连接形式。

1.2 主要节点示意

典型相贯节点

2 制作重点与难点

2.1 本工程存在大量的相贯节点，节点复杂处最多相贯支管数量达14支；因此连接节点的优选是关系到本工程制作、拼装和安装重点技术问题。

2.2 需要解决超长（96m）超宽（6.5m）起拱后，节点连接精度的技术；起拱值最大达到400mm；

3 连接节点优选

经过对本工程在节点和现场连接上多种方案的对比与分析，选择以下节点连接方式，以利于现场定位及拼装,并减少现场焊接工作量。

节点 现场连接方式 优点

管管相贯、相贯+

板连接（复杂节点） 定位法兰连接+

对接内衬 有利于空间定位，和拼装的临时稳定和精度的保证较少焊接量。

4 重点制作技术

4.1 工艺加工流程

材料进场检验排版与放样、喷砂除锈预处理下料接料切割分心弯管修整净料次管、法兰相贯装配焊接矫正验收预拼装喷漆标识

4.2 钢管预处理

本工程腹杆（需相贯线切割的钢管）采取制作前防腐预处理，在钢管抛丸机内进行除锈（除锈等级为设计等级）和涂装一遍底漆（漆膜厚度不小于30μm）。

4.3 放样与下料

相贯线放样采用HOPE自动下料系统进行计算机精密放样与切割编程；编程时充分考虑安装顺序、间隙、轴线/两面角度和焊接方法等。

桁架上、下弦主管需接料应错开节点500mm以上接料，并同一主弦杆上的接料至少避开相贯节点500mm，所有桁架腹杆不允许接料。

4.4 切割

4.4.1 次管相贯线切割

为保证构件加工精度，相贯线切割采用六轴数控相贯切割机进行。薄板（＜≥12mm）采用等离子切割，中厚板（≥12mm）采用火焰切割；

切割前，检查切割程序和钢管规格、长度是否统一；切割过程中，始终保持切割支架调平状态。尤其是相邻程序开始启动时，必须依据切割机仿形后数据进行调整，以保证切割的准确性；切割后，根据程序放样图对腹杆相贯线口型进行检查；

相贯线切割过程

4.4.2 主管采用仿形管子切割机切割，钢板等零件切割采用数控切割。

4.5 主管加工

4.5.1 弯管

弯管前分中线，对钢管进行分心，确定4条象限中心（0°，90°，180°，270°）；检验钢管延长度方向的自然侧弯状态（在操作平台上，利用水平尺和铅坠检测），并以自然弯曲所处的钢管象限中心面定义为此钢管弯曲成型的截面象限中心（90°，270°）。

本工程曲率半径＞20m，采用液压冷弯机进行弯制（如下图示）；弯管根据试验确定不同曲率半径的液压行程，按液压行程延弯管周长方向@300～500步距进行弯制，弯曲时，逐步采用2m长弧度样板进行检验；弯曲时，时刻保证钢管截面象限中心（90°，270°）始终保持水平，且必须与弯管机卡胎中心重合；

钢管液压冷弯与检验

4.5.2 依地样修整和对接

钢管弯制完成后，进行依地样检查、修整、对接和划线净尺；地胎抄平与打地样，地样偏差为≤1mm； 4.5.3 主管标记（打心、构件钢印与标识）

主管4条中心按5点/@1000进行样冲标记；对弯制合格的构件进行构件零件编号的钢印打制；

4.6 相贯节点管的组装

4.6.1 以主管为基准管，在平台上先以地样就位主管后，再以次管和主管空间相对尺寸为坐标定位次管。

4.6.2 在平台上放出桁架主管与腹杆的控制尺寸线（实际抬高的模型尺寸），在尺寸线上焊接管托。见下图所示。组装时严格按底样尺寸进行组装，必须保证各管接头断口尺寸到主管中心线的尺寸。

主管定位

4.6.3 主桁架组装完后组装次桁架管接头时，先将此桁架管接头位置画出，按空间模型量出的尺寸控制次桁架管接头的空间角度及尺寸如下图所示：

局部次管与主管的相对位置关系

4.6.4 最后在进行短支管端口法兰的装配。

4.7 焊接与检验

4.7.1 焊接局部节点示意和焊缝高度，如下图所示，焊接时按照四分区法进行焊接和验收。进行超声波无损检测时，须对不同的焊接分区进行计算机辅助截面放样确定缺陷定位和探头的选择，由于本工程相贯角度较小一般选择60度和70度的探头。

相贯焊缝四分区与焊缝尺寸

4.7.2 焊接工艺参数

CO2气体保护焊焊接参数

4.8 焊后矫正

焊接后的矫正采用火焰矫正，矫正方法为点矫正和瓜瓣型矫正；

4.9 整体尺寸检验

矫正后进行整体验收，整体检验时注意实际起拱量和设计图纸之间的变化。整体检验必要对相贯各支管间进行全面检验，即角度、特征点间距，扭曲、法兰与支管的垂直度，总长等进行逐一检测；

4.10 预拼装

4.10.1 采用平面卧拼，在拼装胎架上，按图纸尺寸将桁架的几何中心线划出，将每个轴线的交点打上样冲眼并用油漆笔标记。划出桁架起拱抬高线，胎架采用H型钢铺设，间隔按拼装接口位置定，每个接口处放两根，两接口中间放一根。每两个H型钢之间进行连接，以保证平台整体的稳定性，平台上平面离地面高度不小于500mm，宽度按桁架实际宽度搭设平台。用水准仪测量各H型钢的顶面标高达到一致，水平高差≤3mm，超差的部位用垫铁进行调整。调整好用“”铁和斜拉条将H型钢进行固定，具体见下图示。

拼装胎具加固措施

4.10.2 在胎架上画出的桁架几何中心线位置焊接主管管托（采用薄钢板，用数控切割而成）见下图所示。管托应错开节点位置500mm以上。

胎架上临时固定用的管托

4.10.3 拼装时应先拼装桁架的上弦和下弦，待调整好间距后再将各腹杆逐个拼装。调整好各腹杆的间隙和尺寸后，进行验收。

4.10.4 拼装验收后，对各合格的拼装接口按排版图进行编号，并打上钢印。对所有的拼装记录要记录好随交工资料带走。

4.10.5 重点在大跨构件的预起拱，且保证不同位置的桁架的不同的起拱要求（因为屋面加载后偏心），并考虑相邻构件因起拱而引起的构件的连接偏差（此处次杆节点留活节点）。

桁架整体拼装（96m）

4.11 喷漆、标识

4.11.1 本工程采用INTERNATIONAL 油漆,新加坡常年温度较高,而在我国加工构件的涂刷及储存环境与现场环境反差太大,为避免温差而使油漆变化,必须采取有效措施。控制的关键是在有限工期内能够最大限度的让油漆自然晾干,并保持涂刷室内温度稳定。为此,在涂刷场地增设加热源,保证室内外、昼夜温差较小,时时进行测温控制,并扩大涂刷场地,避免构件摞压而造成的不易风干。

杆件喷漆

4.11.2 成品标识内容包括：构件号、重量、安装中心线、色环标识；构件号字体大于25mm，字体统一、清晰；且标注在钢管一端300范围内；

根据整个屋面桁架施工分区（6个分区）的不同，采用6种不同颜环进行区分，在构件端头刷色环并按照详图构件号进行编号，以便分区装卸和施工挑料。

5 总结

本工程对管桁架结构进行了连接节点优选，克服了特殊节点加工、桁架预拼装等重难点，结合中外标准，为此类管桁架结构的施工提供了大量成熟经验，并得到了新加坡业主的高度赞赏，为中国钢结构在海外施工扩展留下重重精彩一笔。

参考文献：

[1]钢结构设计规范GB50017―2003

[2]碳素结构钢GBT700-2006

[3]低合金高强度结构钢GBT1591-1994

[4]钢结构施工验收规范 GB50205- 2001

[5]英国钢结构设计规范BS5950-1990

[6]热轧结构钢交货技术条件EN10025: 2004

[7]新加坡国家产品质量说明-钢结构篇 NPQS C5-10

[8]BC 1: 2008 Design Guide on Use of Alternative Steel Materials to BS 5950

[9]建筑钢结构施工手册 中国钢结构协会 (作者) 出版社: 中国计划出版社; 第1版 (2002年5月1日)