巨型空间钢桁架结构在工程中得到越来越广泛的应用^[1,2,3], 是一种既可以实现大空间大跨度要求, 又能保证建筑外观和造型简洁美观要求的承重结构形式。大跨度异型钢桁架不仅体型大、重量重, 而且造型复杂, 导致其构件加工精度要求高, 整体拼装技术和施工难度系数大, 而如何保证钢桁架施工方便快捷, 保证拼装的精度和控制累积误差在允许范围内是业内亟需解决的问题^[4,5]。通过工艺总结、工法提炼等技术攻关, 自主研制出钢结构拼装胎架 (简称钢胎架) , 并先后将其在南宁吴圩国际机场新航站楼垂直指廊、贵港体育中心、岑溪市文体中心等工程中成功应用。

　　 采用钢胎架对钢桁架在地面完成整体拼装后一次吊装或分片安装方法, 与传统的高空零散拼装方法相比^[6], 不但提高了现场焊接和检测等施工作业空间, 还加快了焊接速度, 提高了整体拼装精度, 确保拼接桁架的施工质量, 同时解决了大跨度结构构件超长、超宽、超重的运输难题, 大大降低了运输成本。

　　 通过Auto CAD绘图软件绘制钢胎架平面、立面和节点图, 见图1~3。根据Auto CAD图纸标注的尺寸, 用3D3S空间钢结构设计软件翻模做出钢胎架模型并进行结构分析, 确定钢构件尺寸、参数和材质, 使其刚度和强度满足施工荷载作用下的变形和承载力要求。

　　 通过Tekla Structures钢结构深化设计软件进行详图设计并与数控等离子切割机等器材进行数据信息共享, 指导零部件下料加工;加工好的钢构件经编号后运往施工现场, 拼装完成钢胎架。这种既适合施工作业、满足规范要求, 又能保证安全、经济、适用的钢胎架, 主要由地坪面钢板垫层、型钢立柱、钢牛腿支托、角钢支撑系统做成, 见图4。

　　 根据施工平面图、场地地质情况和拼装布置要求, 对钢胎架平面、立面和节点图进行尺寸定位设计, 并建立钢胎架3D3S有限元模型, 见图5。考虑到胎架自重、桁架重量、施工荷载和风荷载等作用, 对钢胎架进行整体受力分析, 确定型钢柱、牛腿和角撑的截面尺寸, 从选材上保证钢胎架的整体刚度、强度和侧向稳定性满足承载力验算。由于钢胎架为临时支撑, 安全重要性系数可适当取小, 此次设计的钢胎架按照重要性系数为0.85进行设计, 从后期的工程实例可以看出, 此系数能满足施工要求。

　　 大跨度钢桁架结构因其体型大、重量重和焊接拼装精度要求高等特点, 运输途中, 钢桁架整体会产生变形和出现内应力等问题, 钢桁架和钢胎架构件均通过数控切割机进行切割, 散件出厂, 分批运输, 现场拼装, 分区吊装, 再用临时支撑架进行空中拼接, 拼装完毕后进行卸载。钢胎架配合大跨度桁架施工方法工艺流程为:钢桁架的深化设计→钢桁架杆件加工→拼装场地规划及施工→钢胎架搭设施工与控制→桁架拼装控制→桁架焊接控制→工艺环境控制→焊接成品检验。

　　 钢桁架拼装场地就近设置, 尽量保证吊装时无需移动吊车即可吊装就位。拼装场地由下到上做法如下^[7]:素土压路机压实, 铺100mm厚碎石并压实, 浇筑100mm厚C25素混凝土, 随捣随抹光, 待混凝土硬化后, 上表面铺20mm厚钢板, 如图6所示。

　　 拼装场地施工时, 土层必须用压路机反复压实, 确保场地在承受桁架的重量和施工荷载时不发生沉陷, 保证后期钢结构构件的焊接精度。场地混凝土层必须用平板式振捣器振捣密实, 严格控制其标高及平整度, 误差控制在±5mm以内。

　　 钢胎架搭设步骤如下^[7]:在混凝土地坪上铺20mm厚钢板→将钢胎架立柱定位线测设到钢板上→安装钢钢胎架立柱→立柱垂直度校正→安装钢胎架支撑系统→安装钢牛腿→牛腿标高调节及校正→钢胎架验收。

　　 立柱定位线测设、垂直度校正以及牛腿标高测量均采用全站仪进行。钢胎架搭设完毕后, 由专业测设人员用全站仪对成品进行实测, 保证轮廓线上控制点三维坐标的匹配, 最后必须经项目技术负责人组织验收合格后方可进行下道工序。

　　 利用Tekla Structures钢结构深化设计软件结合Auto CAD绘图软件对管桁架节点进行深化设计, 建立结构整体三维模型, 形成钢管相贯线数控切割数据。根据三维模型得出桁架节点的整体三维坐标, 将整体三维坐标转化成每一桁架地面拼装时的局部三维坐标, 作为管桁架拼装时节点的定位和形状控制的依据, 对管桁架的节点三维坐标 (转化后的局部坐标) 进行定位和控制, 进而准确控制管桁架的形状。管桁架的局部三维坐标用全站仪测量。拼装完毕, 用大吨位吊车将整榀桁架吊装至设计位置。

　　 根据大跨度异型管桁架结构加工拼装外形, 对管桁架三角形正、侧立拼装技术进行对比, 特点如下:大量的三角管桁架拼装工作均可在地上完成, 空间广阔。施工时减少了高空作业量, 可提高安全性和施工效率, 进一步降低成本、节约材料、缩短工期、提高质量、保证安全, 带来相当可观的综合效益。与侧立拼装相比, 正立拼装完成后无需翻转即可直接吊装, 变形较小, 并可避免次生内力的产生, 吊装成功率大, 实例照片见图7。

　　 经过比较, 最终选用管桁架三角形正立拼装技术。桁架拼装步骤如下:根据弦杆编号将各段弦杆吊至胎架上对应位置→用千斤顶或手拉葫芦将弦杆的每个节点贴紧胎架上的限位板→各段弦杆对接口对齐并点焊固定→按顺序组装腹杆→检查复核桁架的形状尺寸→进行弦杆对接焊缝及腹杆相贯焊缝焊接。

　　 在钢胎架的辅助下, 钢管桁架可以根据实际需要, 在地面整体正立安装, 给施工过程带来很大便利, 并且对安全具有较好的可控性。此外, 钢胎架上设有标高调节装置, 可以适应不同的节点高度, 吊装完后可循环使用。拼装胎架的主要作用是对管桁架的控制点进行定位, 保证管桁架的形状符合设计要求, 同时要求拼装胎架能承受所有管桁架的重量和施工荷载。

　　 以贵港市体育中心体育馆为例, 其建筑面积为43 988.99m²。看台采用钢筋混凝土框架结构, 看台钢结构雨棚为两片空间弧形钢管桁架结构。看台雨篷结构最高点高度为48.00m (结构标高) , 看台主体结构最高点高度为31.645m。单品桁架最重约80t, 单品桁架长度约47m。钢结构工程的加工件 (运输条件允许范围) 则以“工厂分段制作、构件分段运输、高空安装”为原则进行施工。

　　 杆件弯圆采用钢管弯圆机在钢胎架上进行火焰煨弯加工, 如图8所示。在准备好起拱的圆管上垂直对称划四条母线, 并用粉笔标识出烤火点范围 (烤火点之间距离不大于100mm) , 为了保证钢管圆弧均匀过渡, 烤火点应超过钢管的母线10°~15°, 如果管壁较厚, 烤火效果不明显时, 应增加外力。钢管弯制结束并检查弧度合格后, 根据上下弧长进行切头、开坡口。

　　 为保证各主管尺寸形状的正确性, 在装配前进行预拼装, 在连接处增加连接耳板, 用螺栓进行连接 (不得焊接) , 检查其准确度, 如不满足要求, 立即进行矫正、整改。利用组装钢胎架对桁架主管及相互之间的腹杆进行装配, 见图9 (a) 。其工艺为:先在胎架上组装上下弦主管, 确定其空间位置, 再装配支管并定位、焊接。拼装钢胎架将桁架主管固定在装配平台上, 用龙门吊将已接好的主管放置在相对应位置, 固定定位块, 调节调整板, 确保主管之间的相对位置, 见图9 (b) 。

　　 以岑溪市文体中心为例, 其建筑面积为9 928.24m²。体育馆结构最高点高度为32m, 屋盖悬挑结构檐口高度为24.61m, 最大悬挑距离为30.3m;训练馆结构最高点高度为25.79m, 檐口高度为21.36m, 悬挑距离约为25.8m。本工程为主要由馆内的正交斜放双层网壳、环梁桁架, 馆外围悬挑桁架, 屋面围护体系组成的空间桁架结构, 岑溪市文体中心平面及结构分解示意图见图10。

　　 本工程馆内屋盖采用正交斜放双层网壳布置, 应用钢胎架在地面对桁架进行起拱, 起拱高度为5.8m, 拱矢跨比为1/10.4。屋盖网壳在地面进行分块拼装时, 采用全站仪进行全方位精度控制, 并用千斤顶和钢胎架定位块进行微调, 采用全数字化虚拟空间建立三维建模, 见图11。

　　 为保证拼装过程中钢胎架定位的准确度以及为其后期的位置复测提供可靠依据, 拼装工作开始前事先在每块拼装场地内设置2个平面控制点和1个水准点, 为构件投影线及构件拼装校正测设提供参照依据。

　　 由图12可知, 钢胎架在管桁架施工中起到较好的施工辅助作用, 地面拼装时对坐标确认、预埋件定位、投影线放样和拼装完成后校正等施工工艺均起到加快施工速度、提高施工效率和拼装精度的作用。

　　 (1) 根据工程需要, 笔者公司自主研制出钢结构拼装胎架并进行有限元模拟受力分析后, 将其应用于实际工程。

　　 (2) 根据工程场地布置和桁架拼装要求, 企业技术负责人对不同形态的钢胎架尺寸、高度进行调整, 复核满足要求后编制施工方案。相关人员依据方案进行构件下料加工、现场拼装和整体吊装等施工作业, 加快施工进度的同时, 保证作业人员安全和施工精度要求。

　　 (3) 使用可调支座对钢胎架进行现场调节, 以适用于大跨度弧形桁架和大悬挑管桁架的施工。

　　 (4) 今后有必要对有限元软件模拟施工过程和施工卸载进行模拟分析, 并指导施工作业;加强专业软件对三维模型的建立和实际工程安装制作的配合施工, 减少浪费并提高施工效率。