大跨度焊接球网架施工组织要点

大跨度焊接球网架施工组织要点

王伟

上海二十冶建设有限公司，上海 201900

摘要：近年来，钢结构应用越来越广泛，网架结构是高次超静定结构体系，能够将荷载通过杆件和球传送至下部构件上，并且可以满足有大跨度建造需求的大型场馆。网架结构的跨度可达到几十米甚至上百米，是空间受力体系，能节省大量钢材且美观。因此，当前大型厂房、体育场馆艺术馆、商场等屋面大多应用钢网架结构，不仅可以节省大量的钢材，还能节省大量的空间，充分体现了节能环保的建筑理念。通过分析钢网架结构设计方法及其优化措施，明确钢网架结构的分类，以及钢网架结构的主要设计的要点，并制定合理的网架应用措施，使网架的整体构造更具经济、耐用、稳定性，从而更好地服务于国家的经济建设。

关键词：大跨度；焊接球网架；要点；保证措施

引言

钢网架结构目前国内通常选用的结构形式分为螺栓球网架和焊接球网架两种形式，两种结构形式存在着很大的区别，螺栓球网架结构用钢量低、施工速度快；焊接球网架用钢量相比螺栓球网架用钢量要高，施工速度慢、对施工场地环境、焊接质量要求比较高，但是承受荷载能力强。随着网架结构这种建筑形式得到越来越广泛的应用，其在施工组织过程中存在许多要点，控制不好严重影响网架结构的质量以及实际使用寿命和结构安全。因此，研究大跨度焊接球网架施工组织要点和施工工艺具有十分重要的社会意义和经济意义。

1、焊接球网架材料的选择

焊接球网架结构组成主要有支座、焊接球、网架杆件、檩托支托等结构组成；其中网架杆件及檩托支托多为直缝焊管和无缝钢管两种材料，其他均为钢板焊接组成构件。钢材材质选用Q235B或Q355B两种材质，其相应的物理性能及化学成分应满足国家现行相关规范及标准《低合金高强度结构钢》及《结构用无缝钢管》的等规定要求。

2、焊接球网架加工

2.1焊接球加工制作

下料直径D1按下式确定D1=1.414D+C，式中D1为下料直径；D为半圆球中线直径（所加工焊接空心球直径剪去一个料厚）；C—加工坡口余量，一般C=5~8mm 钢板的放样和下料应根据工艺要求预留制作和安装的焊接收缩余量及切割、刨边和铣平等加工余量。 用于制造焊接球节点的原料材料品种、规格、质量必须符合设计要求和行业标准《钢网架焊接球节点》（JGJ75.2—91）的规定。焊接用的焊条、焊丝、焊剂和保护气体，必须符合设计要求和钢结构焊接的专门规定。空心球压制时，采取反射炉加热，压制温度控制在1050℃±50℃，脱模温度不低于650℃。半圆球压制成型后，按设计及规范要求壁厚减薄量不大于13%，且不超过2.5mm（直径≤50cm），对错边量容许偏差不大于1mm，用卡尺和游标卡尺检查，在垃薄区域沿纬线等分4-8个点，进行超声波测试，符合要求方可进行下道工序。半圆球出胎冷却后，用样板修正弧度、切边、打坡口，坡口不留跟，以便焊透。当有加劲肋时，为便于定位，且不大于1.5mm的凸台，但焊接时必须熔掉。两半圆球组立对装时，应有胎位保持球的拼装直径尺寸、球的圆度一直。拼好的球放在焊接胎架上，两边各打一个小孔固定圆球，并能随着机床慢慢旋转，旋转一圈，调整焊道、焊丝高度、各项焊接参数，然后用半自动埋弧焊机（也可以用气体保护焊机）对圆球进行多层多道焊接，直至焊道焊平为止。焊缝外观检查合格后，在24h时之后对钢球焊缝进行超声波探伤检查。

2.2网架杆件加工制作

杆件钢管为无缝钢管或直缝焊管，钢管下料前应将钢管矫直。钢管下料，钢管应按杆件的设计尺寸另加焊接收缩余量下料；下料采取等离子网架自动切割机，下料坡口一次性成型，坡口角度为30°，切口清理并在钢管两端增设短衬管。采用钢尺检查，检验杆件外形尺寸是否符合设计图纸要求。杆件编号采用钢印并且在杆件内壁粘贴标签，且字迹清晰可辨；检查杆件编号是否齐全。表面除锈采用抛丸除锈，除锈等级需达到设计要求的Sa2.5级。杆件在涂装前应彻底清除杂物，表面油漆主要采取喷涂方法；涂装的厚度由干湿膜测厚仪控制并符合设计要求；杆件两端50mm~80mm处不应涂装油漆。杆件采取打包方式困扎，并要求捆绑牢固；每个打包捆上挂有杆件所在工程名称、杆件数量和编号等。

3. 焊接球网架拼装

3.1网架拼装工艺流程：成品杆件、焊接球进场→现场检验→网架地面整体拼装→拼装检验。根据图纸中球节点求出下弦球的Z坐标和高差，再根据中心区要拼网架球的大小在地面上摆放砖垛（或木方），砖垛上分别测定中心十字线，用钢管定位环确定球节点的位置，并连接拼装节点间的杆件，形成下弦四边形单元网格，再用三根腹杆将上弦中心球定位，使上弦球中心与地面投影中心位置吻合，连接拼装的其它两根杆件，形成一个小单元基准控制点。每个区域的网架拼装时，都按“下弦——腹杆——上弦” 、“中间——两端（跨度方向） ——两端（非跨度方向）”的拼装顺序进行拼装。安装完一个网格后，用钢尺复测下几何尺寸，如无误后，依次类推继续拼装下个网格。直至网架拼装完毕。

3.2拼装胎具搭建

地面整体拼装支垛采用砖支垛（或木方），摆放时利用经纬仪放线控制支垛位置，并用水准仪控制砖支垛高度，整跨最高砖支垛标高为500mm，且拼装前要把拼装时用到的钢尺、卷尺及经纬仪、水准仪等仪器进行精确校正。为了防止砖垛支撑位置下沉，砌筑砖垛前要对该位置进行夯实。砖垛砌筑完成后记录其标高，在网架拼装后对其下沉情况进行观测。每天派专人检查每个支垛的受力情况并将不受力的支垛用木楔子进行调整，保证每个支垛均在受力状态。

3.3网架拼装方法

3.3.1网架中心定位基准拼装定位

首先根据图纸中球节点的坐标求出各下弦球的Z坐标和高差，在根据中心区要拼网架球的大小在地面上砌砖垛，砖墩上分别测定中心十字线，并连接拼装节间杆件，形成下弦四边形单元网格，再用三根腹杆将上弦中心球定位，使上弦球中心与地面投影中心位置吻合，连接拼装其它二根腹杆，形成一个小单元基准控制

3.3.2网架扩展拼接方法

中心区拼装焊接完成后，利用球和杆之间的相互定位逐渐向外扩展拼装，构件就位顺序与方法如下图所示。杆件和球就位后先点焊固定，每个单元闭合后方可进行下一小单元的拼装。

3.3.3外扩拼装的精度保证

由于网架结构采用地面拼装的方法，在小拼单元拼装完成并对其安装精度检查合格后，利用连接在同一个焊接球上的三根杆件的长度作为控制指标，进行下一焊接球的空间定位。由于在外扩过程中随着已拼装单元的面积不断变化，已经拼装完成的结构会因为吊点位置不变而发生一定的整体弹性变形，而由于各个小拼单元的相对刚度较大，所以网架局部不会发生变形，因此外扩时以一个焊接球对应的已安装好的另外三个焊接球为定位参照用杆件长度进行定位，不会对网架整体造成累积误差。在拼装过程中，需要严格控制网架杆件的下料长度，在下料时应充分考虑焊接间隙和焊接收缩对于下料长度的影响。外扩拼装好一部分小单元后，应及时利用网架三维模型在Autocad软件中将相应位置的坐标进行换算，以换算过后相对坐标位置对拼装的小单元安装精度进行复核，若出现偏差，则应在下一小单元中进行调整。

3. 焊接球网架焊接

为防止焊接对网架几何尺寸和网架挠度的影响，采用先焊接下弦后焊接上弦、从中间往四周扩散焊接的顺序进行焊接。 焊缝应力求规整、美观，不得有凹陷、缺焊、咬肉、夹渣、气孔、未焊透等缺陷。 除图中注明处外，焊缝质量等级应符设计要求。球节点焊接构件就位后先点焊牢固，定位焊一般为2～4处，定位焊前应检查管端是否完全吻合，坡口两侧是否有油污杂质，应清理干净后方可点焊，定位焊缝必须焊透，长度一般为30mm左右，根据管径大小而定，定位焊缝不宜过厚。每个节点的焊接顺序：先焊接弦杆、后焊腹杆，球节点上的焊缝第一遍打底焊焊接完后，进行各焊缝的成型焊接。以防止焊接应力集中，使网架产生变形。不允许在同一条焊缝中一半成型后再焊另一半的打底焊。环形焊缝是以钢管的垂直中心将环形焊口分成对称的两个半圆形焊口，按照仰——立——平的焊接顺序，在仰焊及平焊处形成两个接头，此方法能保证铁水与熔渣很好的分离，熔深也比较容易控制。为了防止仰焊与平焊部位出现焊接缺陷，焊接前一半时，仰焊位置起点及平焊位置的焊点必须超过管子的半周，超越中心线5～15mm，当焊条至定位焊焊缝接头处时，应减慢焊条的前移速度，使接头部分能充分熔透，当运条至平焊部位时（即超过中心线），必须填满弧坑后才能熄弧。在焊后一半时，运条方法基本与前一半相同，但运条至仰焊及平焊接头处时必须多加注意，仰焊接头处由于起焊时容易产生气孔，为焊透等缺陷，故接头时应把起焊处的原焊缝用电弧割去一部分（约10mm长），这样即割去了可能有缺陷的焊缝，而且形成的缓坡形割槽也便于接头。从割槽的后端开始焊接，运条至接头中心时，不允许立即灭弧，必须将焊条向上顶一下，以打穿未熔化的根部，使接头完全熔合。5、大跨度焊接球网架提升

5.1提升方案的选择

钢结构网架安装高度较高，纵横向跨度较大。结构杆件众多，自重较大。若采用常规的分件高空散装方案，需要搭设大量的高空脚手架，不但高空组装、焊接工作量巨大，而且存在较大的质量、安全风险，施工的难度较大，并且对整个工程的施工工期会有很大的影响，方案的技术经济性指标较差。若采用大型吊机抬吊整体安装，则需要较大吨位的吊车，并且对于地面基础有较高要求，存在一定安全风险。根据大量类似工程的成功安装经验，本项目钢网架结构拟采用 “超大型液压同步提升施工技术”进行安装。拼装前地面结构及整体地板已完成混凝土浇筑，对于钢网架拼装提供了非常便利的条件。

5.2提升流程简述

第一步：在拼装胎架上散件拼装网架，安装提升架，放置提升器，提升器通过钢绞线与下吊点连接。

第二步：网架全部拼装完成后，提升器分级加载，使网架整体脱离拼装胎架约300~500mm，停止提升。液压缸锁紧，网架静置至少24小时，检查网架结构、临时杆件、提升吊点和提升架等结构有无异常情况。

第三步：检查无误后，整体同步提升网架。

第四步：整体同步提升网架至设计标高处，提升器微调作业，网架精确就位。液压缸锁紧，安装后补杆件。

第五步：提升器卸载，网架落在柱顶支座上。拆除提升设备、提升架等临时设施。

5.3提升完成后铰支座安装

钢网架柱顶所有铰支座均在提升前已经安装完成，提升平台的设置均避开柱顶铰支座、下弦球以及后补杆件。网架提升结束后，开始进行柱顶铰支座与网架的固定，即后补杆件的安装。后补杆件均已经在提升前编号放置在对应铰支座或者缺杆件区域。网架提升到设计标高后提升设备自动锁死，检查设备正常后，施工作业人员开始进入现场进行后补杆件的施工。

5.4网架提升前的质量验收

质量检验员应对所有焊缝进行100％的外观检查，并作好记录。严禁有漏焊、裂纹、咬肉等缺陷。按规范和设计要求对下弦节点焊缝进行超声波探伤跟踪检测,对内部有超标缺陷的焊缝必须进行返修。同一条焊缝只允许有两次返修，返修后的焊缝必须进行复测，无误后方可视为合格。作好探伤检测记录，提供探伤报告。

5.5结构正式提升

为确保网架结构提升过程的平稳、安全，根据该结构的特性，拟采用“吊点油压均衡，结构姿态调整，位移同步控制，分级卸载就位”的同步提升和卸载落位控制策略。通过试提升过程中对网架结构、提升设施、提升设备系统的观察和监测，确认符合模拟工况计算和设计条件，保证提升过程的安全。以计算机仿真计算的各提升吊点反力值为依据，对网架结构进行分级加载（试提升），各吊点处的液压提升系统伸缸压力应缓慢分级增加，依次为20%、40％、60％、80％；在确认各部分无异常的情况下，可继续加载到90％、95％、100％，直至网架全部脱离拼装胎架。在分级加载过程中，每一步分级加载完毕，均应暂停并检查如：上吊点、下吊点结构、网架结构等加载前后的变形情况，以及周边土建结构的稳定性等情况。一切正常情况下，继续下一步分级加载。当分级加载至结构即将离开拼装胎架时，可能存在各点不同时离地，此时应降低提升速度，并密切观查各点离地情况，必要时做“单点动”提升。确保网架离地平稳，各点同步。网架结构单元离开拼装胎架约100mm后，利用液压提升系统设备锁定，空中停留12小时以上作全面检查（包括吊点结构，承重体系和提升设备等），并将检查结果以书面形式报告现场总指挥部。各项检查正常无误，再进行正式提升。用测量仪器检测各吊点的离地距离，计算出各吊点相对高差。通过液压提升系统设备调整各吊点高度，使结构达到水平姿态。以调整后的各吊点高度为新的起始位置，复位位移传感器。在结构整体提升过程中，保持该姿态直至提升到设计标高附近。整体提升施工过程中，影响构件提升速度的因素主要有液压油管的长度及泵站的配置数量，按照本方案的设备配置，整体提升约度约4米/小时。结构在提升及下降过程中，因为空中姿态调整和杆件对口等需要进行高度微调。在微调开始前，将计算机同步控制系统由自动模式切换成手动模式。根据需要，对整个液压提升系统中各个吊点的液压提升器进行同步微动（上升或下降），或者对单台液压提升器进行微动调整。微动即点动调整精度可以达到毫米级，完全可以满足网架钢结构安装的精度需要。

5.6提升就位

网架提升至距设计高度时，暂停提升，精确测量各吊点高差，通过吊点微调使网架精确到达设计位置，停止提升，将液压提升器机械锁紧，并在网架周边利用导链与原结构柱进行水平拉结限位，开始进行后补杆件的安装。液压提升系统设备同步卸载，至钢绞线完全松弛；进行网架钢结构的后续高空安装；拆除液压提升系统设备及相关临时措施，完成网架结构单元的整体提升安装。

5.7网架安装卸载

由于本工程提升平台设置与钢柱顶，提升过程中，钢柱顶存在水平位移，而卸载后该变形会恢复，为避免由于柱顶变形恢复导致网架存在附加拉应力，故本工程支座分为两种类型，一种为设置提升平台的支座，另一种为未设置提升平台的支座，安装时未设置提升平台的支座将其与钢柱进行焊接固定，设置提升平台的支座与钢柱采用卡板限位，预留20mm的水平位移量，然后进行后补杆件的安装，安装完成并验收合格后，进行卸载工作，卸载完成且设置提升平台的立柱变形恢复后，进行该部分支座的焊接固定工作。其中，具体卸载工作如下文所示：

后装杆件全部安装完成后，进行卸载工作。按计算的提升载荷为基准，所有吊点同时下降卸载10％；在此过程中会出现载荷转移现象，即卸载速度较快的点将载荷转移到卸载速度较慢的点上，以至个别点超载。因此，需调整泵站频率，放慢下降速度，密切监控计算机控制系统中的压力和位移值。万一某些吊点载荷超过卸载前载荷的10％，或者吊点位移不同步达到10mm，则立即停止其它点卸载，而单独卸载这些异常点。如此往复，直至钢绞线彻底松弛。

结语

综上所述，通过浅谈大跨度焊接球网架施工组织要点，认识到焊接球网架结构的材料选择、构件加工、网架拼装、焊以及整体提升的要点分析，以及大跨度焊接球网架提升过程的要点控制等等。从而使大跨度网架结构施工得到有序的组织，降低了施工成本、保证了施工质量、减少了安全风险、缩短了工期，这对类似工程施工积累了宝贵的经验，更好地服务于国家的建筑事业。

参考文献

[1]张金波.浅谈建筑工程中网架结构施工工艺[J].居业,2019(6):57-58.

[2]张有建,刘彬权.试析建筑工程中网架结构施工工艺[J].智能城市,2018(24):143-144.