大跨度管桁架钢结构的制作技术

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇大跨度管桁架钢结构的制作技术范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：从管桁架的焊接技术、焊接变形控制技术、组对胎架设计精度控制、起拱计算和控制方案、组对精度控制技术、预拼装技术、深化设计软件（Tekla Structure和STCAD/CAM）的应用七方面加以表述，证明管桁架钢结构制作的关键技术在于节点放样、焊缝及坡口的加工及管桁架整体制作精度的控制技术。

关键词：管桁架 钢结构 焊接 预拼装 制作精度 深化设计

中图分类号： S611 文献标识码： A

1.概述

管结构和桁架结构是钢结构的重要组成部分。随着钢结构行业软件的技术进步和多维数控切割技术的发展，为管桁架钢结构的应用提供了技术和装备的保证，管桁架结构得到了前所未有的发展。

管桁架钢结构有如下优点：1）节点形式简单。结构外形简洁、流畅，适用于多种结构造型。2）刚度大，几何特性好。钢管的管壁一般较薄，截面回转半径较大性能好。故抗压和抗扭性能好。3）施工简单，节省材料。节点处各杆件直接焊接，因而具有施工简单，节省材料的优点。4）有利于防腐和清洁维护。钢管和大气接触表面积小，易于防护。在节点处直接焊接，维护更为方便，管形构件在全长和端部封闭后，其内部不易生锈。5）圆管结构的管桁结构流体动力特性好。承受风力或水流等荷载的作用时，荷载对圆管结构的作用效应比其他截面形式结构的效应要低得多。

管桁结构尤其是空间管桁结构的独特优势，符合大跨度空间结构的发展需要，这种结构体系营造了力学和美学的完美结合，在造型新颖、外形各具特色的大型场馆、会展中心等中愈来愈受到青睐，发展势头迅猛。

2.管桁架用低合金高强度钢焊接技术

焊接技术是钢结构技术中的关键技术，是钢结构工程的质量和寿命保证。对于大跨度管桁架钢结构也同样。低合金高强度钢结构焊接技术的掌握，是大跨度管桁架钢结构制作技术的基础。

正确选择钢结构在制作加工过程中经常使用焊接工艺，才能保证低合金高强度钢所制作的钢结构的焊缝应具备的强度和韧性．才能经受住预定用途出现的最不利的条件。日前低合金高强度钢的发展与各种焊接工艺的发展足同步进行的，管桁架钢结构目前涉及的材质为Q345，在焊接工艺合理、焊接操作得当，严控焊接工艺纪律是可以很好地进行焊接的。因此不再赘述。

3.管桁架结构焊接变形控制技术

3.1管桁架结构焊接

大跨度管桁架结构的线条要求流畅，形体优美；钢管的连接主要采用焊接，焊接质量的保证是管桁架结构的关键控制技术。从焊接节点构造，焊接工艺和无损检测技术方面进行控制。

管桁架焊接通常采用手工电弧焊或气体保护焊。在施工条件允许时，尽可能采用CO2气体保护焊，以有效减少焊接时的收缩和变形，同时也能够提高焊接的生产效率，加快施工进度。

3.1.1焊接前必须编制合理的施焊工艺和施焊程序；严格按焊接工艺进行焊接；

3.1.2焊接前必须对组对桁架进行检验，按照不同材质，根据焊接工艺方案的要求，选用对应的焊材；

3.1.3组对焊接时，采用多人对称反向焊接，最大限度减少焊接变形；

3.1.4严格按设计要求进行焊缝尺寸控制，杜绝自由工艺------不任意加大或减小焊缝的高度和宽度；

3.1.5焊接前将焊缝区边缘30到50内的铁锈、毛刺、污垢等清除干净，以减少产生气孔等焊接缺陷的因素；

3.1.6焊接后清理焊缝表面的熔渣和飞溅，进行焊缝检查（焊缝外观检查和无损探伤），合格后按要求在规定位置打焊工钢印；

3.1.7加强焊材管理，按规定烘烤、领用和使用；

3.1.8加强焊工管理，焊工必须持证上岗，施焊前进行相应的培训。

3.2焊接变形控制

3.2.1、定位焊

3.2.1.1应距设计焊缝端部30mm以上,焊缝长度应为50mm~100mm,间距应为400mm~600mm。

3.2.1.2 正式焊接开始前或正式焊接中，发现定位焊有裂纹 应彻底清除定位焊后， 再进行正式焊接。

3.2.1.3对于焊接垫板， 在构件固定端的背面定位焊。当两个构件组对完毕， 活动端无法从背面点焊， 应当在坡口内定位焊， 当预热温度达到要求时,采用定位焊顺序为从坡口中间往两端进行,以防止垫板变形。

3.2.2、焊接预热、层间温度和焊接环境

3.2.2.1 对于厚度大于 3 6mm的低合金钢应采用焊前预热和焊后热处理措施， 预热及焊后热处理的温度应根据焊接工艺试验评定报告确定。要平衡加热量， 使焊接变形和收缩量减少。

3.2.2.2焊接接头两端板厚不同时， 应按厚板确定预热温度； 焊接接头材质不同时，按强度高、 含碳量高的钢材确定预热温度。

3.2.2.3厚板焊前预热及层间温度的保持优先采用电加热器， 板厚 2 5mm以下也可用火焰加热器加热， 并采用专用的接触式热电偶测温仪测量。

3.2.2.4预热的加热区域应在焊缝两侧， 加热宽度应各为焊件待焊处厚度的1.5倍 以上，且不小于100mm； 预热温度可能时应在焊件反面测量，测量点应在离电弧经过前的焊接点各方向不小于75mm处，圆管杆件对接时不能在焊件反面测量， 则应根据板厚不同适当提高正面预热温度，以便使全板厚达到规定的预热温度 ； 当用火焰加热器时正面测量应在加热停止后进行。

3.2.2.5焊接返修处的预热温度应高于正常预热温度 5 0℃左右， 预热区域应适当加宽，以防止发生焊接裂纹。

3.2.2.6层间温度范围的最低值与预热温度相同， 其最高值应满足母材热影响区不过热的要求， 焊接层间温度低于250℃。

3.2.2.7 预热操作及测温人员须经培训， 以确保规定加热制度的准确执行。

3.2.2.8有焊后消氢热处理要求时，焊件应在焊接完成后立 即加热到3 0 0℃- -3 5 0℃。保温时间根据板厚按每25mm板厚不小于0.5h 且不大于1h确定，达到保温时间后用岩棉被包裹缓冷。其加热、测温方法和操作人员培训要求与预热相同。

3.2.2.9相对湿度 8 0 ％以上， 或因降雨、雪等使母材表面潮湿及大风天气( 风速大于 8m／s)，不得进行露天焊接； 但焊工及被焊接部分如果被充分保护且对母材采取适当处置( 如加热、去潮)时，可进行焊接。

3.2.2.10当采用CO2半自动气体保护焊时， 环境风速大于2m／s时应采用适当的挡风措施或采用抗风式焊机。

3.2.3、焊接顺序

3.2.3.1 先焊主弦杆管与管之间的对接焊缝 ；

3.2.3.2再焊斜腹杆与主弦杆的相贯焊缝、腹杆与腹杆的对接焊缝；

3.2.3.3焊完一条后再转入另一条焊接，同一管子的两条焊缝不得同时焊接；

3.2.3.4焊接时应由中间往两边对称跳焊，防止扭曲变形( 见图 1 ) 。

3.2..4、典型焊缝的焊接工艺

3.2.4.1管-管对接

一般采用带衬环的全溶透对接焊缝。

手工焊：每条环焊缝由两名焊工对称施焊；采用多层多道焊；根部用φ2.5mm或仍φ3.2mm焊条打底焊 1层 ～2层， 其他用φ4mm或φ5mm焊条填充、 盖面。

管子对焊机：如采用KB500 MIG\MAG填充盖面自动焊接系统，可焊接外径159到500，厚度4到30，长度500到15000的钢管。组对焊一体化的焊接系统，高效、高质量的焊接保证。

3.2.4.2相贯节点焊接

相贯焊缝应对称施焊，多层多道焊； 熔透部位采用Ф2.5mm的焊丝打底，或直接采用手工电弧焊Ф2.5mm或Ф3.2mm焊条打底,但要确保单面焊双面成型， 其他采用Ф4mm或Ф5mm焊条填充、盖面； 一个节点往往有多条相贯焊缝，焊缝集中。一条相贯焊缝焊接完毕冷却后，再焊相邻的相贯焊缝,以防止应力集中，减小焊接变形。焊接时，应先焊坡口大，变形大的区域 ，对于 Y形节点 ，先焊 A，D区，后焊 C， B区，且先焊趾部再焊根部。T形节点先焊趾部，后焊侧边。

相贯形节点的焊缝可分为全溶透焊、部分溶透焊和角焊缝3类，根据设计承载要求不同而不同。而由于管壁厚度的不同及支管与主管之间不同的夹角，能够采用的焊接形式和焊缝的高度也有所不同。如对应不同的管壁有的需要在支管马鞍形曲线处切割出一定的坡口角度才能焊透。支管的壁厚较小时不用切割出坡口角度也能焊透；如支管与主管之间的夹角小于30º时，根部区难于施焊，必须在夹角底部填焊至一定宽度后才可正常施焊，其焊缝有效值必须取样检验进行焊接工艺评定加以验证。管桁架结构中包含大量T、Y、K、X形节点。空间管桁架焊工施焊时焊接位置包含平、横、立、仰全位置施焊，应针对支管与主管间的不同角度有不同的焊接要求。

3.2.4.3焊接球节点的焊接

分两种：一种为管子带衬环对接焊；一种为球、管直接对焊。

3.5、焊后处理

焊后处理包括后热及消氢处理 ，后热温度一般为 1 5 0℃～2 5 0℃， 消氢温度则是在 3 0 0℃～4 0 0℃， 加热好后保温一段时间。目的都是加速焊接中氢的扩散逸出， 消氢处理比后热处理效果更好。对于一般拘束接头可采用焊后缓冷措施，不会产生氢致延迟裂纹。

4. 管桁架组对胎架设计、制作、精度控制

管桁架组对胎架设计、制作、精度控制是管桁架制作的另一项关键技术。胎架的设计以结构的三维实体仿真模型为基础，三维实体模型的搭建精度是胎架设计、制作精度控制的前提保证。管桁架的组对胎架同样分平面和空间两大类。

4.1胎架采用工字钢或槽钢，胎架间距及规格大小根据具体工程桁架的型式、外形尺寸、重量等确定。TJ1为粗调高度（根据桁架类型确定各TJ1的高度），PL1为微调时所用。精度控制：桁架在地面拼装时，每个接口位置设拼装胎架，为了保证拼装精度，利用工字钢（槽钢）制作钢胎架，上面放置不同厚度的钢板以保证桁架的起拱值胎架要用高精度的仪器（经纬仪、水准仪等）来保证直线度、垂直度。并保证支架稳定，在拼装期间不发生变形。

图1拼装胎具

4.2对于通常做法，为保证类似曲线面桁架的制作安装精度，制作整体拼装胎具，胎具分为正放和倒放两种，一般根据选定的上弦或下弦为基准参考点来确定，将选定的上弦或下弦底层胎具平行地面位置，设立组装胎具，如图2：通常做法设置的拼装胎具。

图2通常做法设置的拼装胎具 图3侧放位置的胎具

但有时桁架上下弦拱度大，空间几何尺寸变化复杂，弦杆和腹杆相互间随位置变化而相贯切口变化很大，采用制作侧放位置的空间三维胎具，进行桁架拼装，如图3：侧放位置的胎具。

5.管桁架预起拱计算和控制方案

5..1桁架起拱的一般规定

由于桁架的刚度较好，在一般情况下，桁架在使用阶段的挠度均较小，因此，当跨度在40m以下的桁架，一般可不起拱（拼装过程中，为防止桁架下挠，可根据经验留施工起拱）。

桁架起拱按线形分有两类：折线形和圆弧线形；桁架起拱按找坡方向，分为单向起拱和双向起拱。

单向圆弧线起拱和双向圆弧线起拱，都要通过计算确定几何尺寸。当为折线起拱时，无论是单向或双向找坡，起拱计算较简单；但对截面为三角形等的空间桁架，当单向或双向起拱时计算均较复杂。

5.2管桁架起拱的控制方案

根据设计要求确定管桁架是否起拱。起拱方式分：制作时起拱和深化设计时起拱。目前一般采用后者。即按起拱后的实际形式来建模确定弦杆以及腹杆的长度及相贯线形状。

控制方案：起拱弦杆在桁架组对时，胎架高度按起拱后的高度来组立。

6.管桁架组对精度控制技术

根据工程的具体情况，管桁架的组对分工厂组对和施工现场组对。管桁架的组对必须在钢平台上进行。通常采用厚度不小于20的钢板搭设组对平台，以确保平台的刚度。钢平台的水平度的测设点应与管桁架组对胎架的测设点一致。

空间管桁架拼装时，使用多点吊装方法，将弦杆依次架到胎具的支架上，采用水准仪对各标高尺寸进行测量，利用铅坠将各方向的尺寸投影到平台上，使用经纬仪在同一平面上进行测量，以此控制桁架的三维空间尺寸。腹杆安装时，在弦杆与腹杆相贯节点处弹出中心线，确保腹杆位置的正确。各杆件拼装后，采用水准仪、铅坠和钢卷尺对各点进行检验，合格后进行定位焊。

管桁架的制作精度的另一关键是管桁架的焊接。在条件允许的情况下尽量采用焊后变形小的气体保护焊。在组装胎架上进行单榀桁架的焊接时，必须按照先焊中间节点，再向桁架两端节点扩展的焊接顺序，以免由于焊缝收缩向一端累计而引起的桁架各节点间尺寸误差。并且不得在同一支管的两端同时施焊。

焊缝尺寸应符合设计要求的计算厚度或焊缝大小，但也要避免过多的堆焊加高而产生较大的焊接残余应力。

相贯节点焊缝坡口的根部间隙大于标准规定值（1.5mm）时，可以按超标间隙值增加焊缝尺寸。但间隙大于5 mm时应事先采用堆焊和打磨方法修整支管端头或在接口处主管表面堆焊焊道，以减少焊缝间隙。

7.大跨度管桁架预拼装技术

在工厂深化设计的基础上，依据结构整体三维线框模型或三维实体仿真模型，按照1:1的比例制作胎架，由于管桁架一般是由中间向两边完全对称的结构形式，因此胎架一般制作一半也可。

胎架制作完毕后，应进行反复校核，确保拼装的精确度。预拼装时，根据管桁架形式的不同，分平面预拼装和空间预拼装。先将上、下弦放置在胎架上固定，然后将腹杆从中间部位向两边依次组装，组装完成后，按照钢结构制作规范进行检查，若偏差大，则需调整，完全能满足要求后方可。

计算机三维实体仿真技术的应用，改变了以往传统的钢结构的预拼装技术。三维实体仿真模型的建设是整体管桁架结构1:1预拼装的一种预检验形式，借助多维数控切割技术和杆件、支座等零部件质量的精细控制或重要节点局部的实体预拼装，大跨度管桁架结构整体全实体预拼装有望取消。这样，可以大大缩短工程的制作周期，提高大跨度管桁架的制作效率。

8.钢结构深化设计软件（Tekla Structures和STCAD\CAM）的应用

管桁架工厂深化设计是管桁架钢结构制作技术的前提保证。深化设计由专业技术人员使用专业的软件进行。深化设计要完成两大内容，二者相互交集、密不可分：其一为结构三维实体模型的搭建（有起拱要求的，按起拱后的实际形式来建模）和结构加工图及工程量的确定；其二为制作工艺数据库的确定：复核计算重要节点并确定节点形式、确定桁架弦干拼接点位置和桁架节段拼接位置、多管相贯时确定节点工作点的定位以及允许偏心量和节点的装配顺序、确定节点的合理焊缝形式和焊缝收缩量、区分并确定重要的零件和构件及其加工工艺、优化配料并确定所有杆件的加工数据。

Tekla Structures可辅助进行管桁架三维实体模型的搭建和重要节点的仿真，是建模的普适软件。管桁架工程深化设计中，STCAD\CAM更专业。ST CAD软件是一套成熟的管结构计算机辅助设计与制造系统软件，实际应用中需要结合工程实际具体问题具体分析。工厂深化设计中STCAD建立模型步骤为：确定管桁架结构类型---建立轴线模型---定义桁架杆件属性---赋予杆件截面---节点处理---定义模型属性---生成模型---检查模型---输出桁架图纸---输出数控文件。

钢结构深化设计软件（Tekla Structures和STCAD\CAM）的应用，为设计和制作的集成提供了可能，实现了设计和制作的一体化。

结语：管桁架钢结构在焊接要求、制作精度、防锈措施等方面与一般的钢结构要求相同。管桁架的重点是其节点，即杆件直接在空间会交而成的相贯节点，因此管桁架钢结构制作的关键技术在于节点放样、焊缝及坡口的加工及管桁架整体制作精度的控制技术。

参考文献：

1 《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001；

2 《钢结构设计规范》GB50017-2003；

3 《网架结构设计及施工规程》JGJ7-91；

1《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002；

2《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002

3《预应力钢结构技术规程》CEC212-2006；

4《网架结构技术规程》JGJ61-2003；

5《焊接球节点钢网架焊缝超声波及质量分级法》JG/T3034-1996