钢管桁架柱制作和安装施工技术.docx
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钢管桁架柱制作和安装施工技术
钢管桁架柱制作与安装施工技术
中铁十七局建筑工程有限公司李晓春郭如兴
1.前言
目前竞争激烈的建筑市场，不管设计、监理或施工企业，必须凭借雄厚的业绩和独特、新颖的创意才能在激烈的市场竞争中占得一席之地，我公司施工的向莆铁路抚州站站房工程由华南理工大学建筑设计研究院设计，结合抚州的历史与文化特色，将正立面和侧立面外形设计为“书卷”展开造型，三面为倾斜弧面，梁、柱等全部倾斜，整体结构上大下小。
四个角柱寓意卷轴，将站房里面隐喻为三本打开的书卷，其中异形钢桁架柱代表书简。
如图1。
图1站房效果图
2.特点
2.1钢管桁架具有优美的外观、合理的受力特点以及优越的经济性。
2.2空间钢管桁架具有稳定性好、扭转刚度大、跨度大的特点。
2.3镀锌钢管桁架内部不会生锈，大大减少了防腐防火涂料层的材料消耗和涂装工作量。
2.4空间钢管桁架由小型型材加工而成，便于加工及安装。
2.5钢管桁架相比其它截面承受风力荷载作用时，荷载对钢管结构的作用效应比其它截面形式结构的效应要低的多。
3.适用范围
本工法钢管桁架结构因其具有优美的外观、合理的受力特点以及优越的经济性，在现代工业厂房、站房、仓库、体育馆、展览馆、会场、航站楼、车站及办公楼、商住楼、宾馆等建筑中得到了广泛的应用。
4.工艺原理
本施工工法的工艺原理利用门型胎架将钢管桁架柱加工成若干段，按照次序将钢桁架柱单点吊装，控制好桁架柱的倾斜方向和弧形曲面，每段先临时进行加固，待钢桁架主龙骨调整顺直后再全部满焊。
5.工艺流程
5.1施工工艺
5.1.1钢管桁架制作
1）下料所用材料必须全部检测合格。
2）按照二次深化设计图加工钢管桁架构件。
3）按照钢桁架的截面尺寸制作门型胎架，根据轴线、长度、截面尺寸的要求在胎架内将桁架单片构件进行预拼，将单片构件定位正确后焊接牢固。
4）检查焊接后的钢管桁架是否变形，如扭曲变形采用液压千斤顶或火焰进行矫正。
5）对焊接部分打磨处理，清理完毕后涂刷防锈漆。
5.1.2钢管桁架安装
5.1.2．1脚手架体系
1）标准段钢管桁架吊装前，下部搭设双排钢管脚手架作为工作平台；吊装上部异型段前，及时搭设人工操作平台。
2）采用双排钢管脚手架，钢管直径Φ48mm，壁厚3.0mm。
外脚手架离开钢管桁架距离要保证吊装能“安的上，拆得出，好操作”。
根据吊装需要分层搭设平台。
5.1.2．2吊装体系
1）钢管桁架自重最大1.8T，选用25T汽车吊或5610型塔吊。
2）钢柱的刚性较好，吊装前为了便于校正最好采用一点吊装法。
如下图2、图3。
图1站房效果图
3）拼装体系
5.2施工流程
图2汽车吊单点吊装图3QTZ63型塔吊单点吊装
3）钢柱底部制作时在柱底板侧面打上通过安装中心的互相垂直四个点，用三个点与基础面十字线对准即可。
5.1.2．3焊接
1）每两单片构件之间焊缝长度较短，按照焊接工艺评定处理焊缝。
2）对构件外形尺寸、坡口角度、组装外形进行检查，复核后进行定位焊。
钢管桁架施工流程见图4和图5。
钢管桁架制作及安装总体原则为“先分段制作，后分段拼接安装”。
由于桁架柱外装修铝板上部和下部“凹”型装饰，与中间标准段桁架截面尺寸不一，上、下部截面尺寸偏大且异型，制作工艺复杂，如一次性加工，则制作平台难以控制，且建造费用偏高，因此需分段制作。
先制作标准段桁架，再制作上、下部异型桁架，先吊装标准段桁架，再吊装下部桁架，最后再吊装上部桁架，可确保钢管桁架的质量和安全，实现钢管桁架外观设计效果。
图4钢管桁架加工制作工艺流程
图5钢管桁架安装工艺流程
6.操作要点
6.1钢管桁架制作
本工程钢管桁架是以镀锌方钢为主，在钢结构制作过程中必须考虑构件的长度是否便于运输吊装，如果采用现场塔吊作垂直运输和吊装工具，塔吊起重荷载能否承受，制作时须充分验算，目前根据钢结构用材，经过计算本工程具有代表性钢桁架符合运输及现场塔吊承载条件。
（一）．构件的加工制作
1.下料图单
①此工序为材料检验部分，其内容包括对工程所选用的型号、规格的确认以及材料的质量检查。
②质量检测应符合设计要求及国家现行标准的规定。
③按设计图纸计算出所有下料材料的工程量，提取材料施工计划，根据吊装的要求将钢管桁架深化成若干段进行加工。
2.下料、除锈
①放样划线时，在门型胎架上清楚标明装配标记。
②注意预留制作、安装时的焊接收缩余量。
③按照桁架柱平面定位的相对关系，计算出每个钢桁架的加工长度，根据长度的不同在门型胎架上标明装配标记。
局部桁架柱平面定位图见下图6。
④下料前对原材进行打磨除锈，喷涂防锈底漆，如在涂底漆前已返锈，需重新除锈。
造型柱
图6桁架柱平面定位
3.拼装、成型
①钢材在拼装前应矫正其变形，并达到符合控制偏差范围内，接触毛面应无毛刺、污物和杂物，以保证构件的组装紧密结合，符合质量标准。
组立时应有适量的工具和设备，如直角钢尺，以保证组立后有足够的精度。
②点焊时所采用焊材与焊件匹配，焊缝厚度为设计厚度的2／3且不大于6mm，焊缝长度不小于25 mm，位置在焊道以内。
③预组立的构件必须进行检查和确定是否符合图纸尺寸，以及构件的精度要求成型。
④组立成型时，构件应在自由状态下进行，其结构应符合《钢结构工程施工及验收规范》及有关标准规定。
经检查合格后进行编号。
⑤质量检验标准：
允许偏差符合《钢结构工程施工及验收规范》有关规定。
4.焊接
①因镀锌方管具有截面小、壁厚薄的特点，该工序采用交流电焊机。
②焊接工艺
焊接采用手工焊接，应满足以下几点：
（1）焊接边缘30－50mm范围内的铁锈、毛刺污垢等必须清除干净，以减少产生焊接气孔等缺陷的因素。
（2）桁架横龙骨不能与竖龙骨垂直焊接，考虑外装修铝板的安装的需求，横龙骨与竖龙骨的夹角与设计桁架倾斜角度一致。
（3）使用状态良好、功能齐全的电焊机，选用的焊条需用烘干箱进行烘干。
5.矫正方钢
钢结构焊接时很容易变形，局部变形会造成整体桁架弯曲，必须对钢管桁架进行矫正。
①使用设备：
采用液压千斤顶或火焰进行矫正。
②工艺要求：
操作人员熟悉工艺内容并熟悉掌握操作规程，矫正完成后，应进行自检，允许偏差符合《钢结构施工及验收规范》有关规定。
6.焊缝打磨
焊接完成的钢管桁架要按照《钢结构施工及验收规范》有关规定对焊缝进行打磨，除去表面的焊渣、毛刺、焊接飞溅物、油污、尘土等杂物。
7.清理、喷漆
①．本工程施涂的方法采用喷涂法。
喷涂顺序为：
先上后下、先难后易、先左后右、先内后外，以保持涂层厚度均匀一致，不漏涂。
②．调合油漆，控制油漆的粘度、稠度、稀度、兑制时充分的搅拌，使油漆色泽、粘度均匀一致。
③．喷涂时对构件焊接部位进行保护，喷漆时不得与底漆方向一致，接搓整齐。
④．待第一遍干燥后，再刷第二遍，第二遍涂刷方向与第一遍涂刷方向垂直，这样会使漆膜厚度均匀一致。
⑤．涂刷完毕后在构件上按原编号标注：
重大构件还需要标明重量、重心位置和定位标号。
8.涂层检查与验收
①．表面涂装施工时和施工后，对涂装过的工件进行保护，防止飞扬尘土和其他杂物。
②．涂装后处理检查，应该是涂层颜色一致，色泽鲜明，光亮，不起皱皮，不起疙瘩。
③．涂装漆膜厚度的测定，用触点式漆膜测厚仪测定漆膜厚度，漆膜测厚仪一般测定3点厚度，取其平均值。
9．验收
钢构件出厂前，应提交以下资料：
⑴产品出场合格证
⑵钢材、连接材料和涂料的质量证明书
⑶构件发运清单资料
（二）．成品保护
①钢构件涂装后加以临时围护隔度，防止踏踩，损伤涂层。
②钢构件涂装后，在4小时之内遇有大风或下雨时，则加以覆盖，防止粘染尘土和水气，影响涂层的附着力。
③涂装后的构件需要运输时，要注意防止磕碰，防止在地面拖拉，防止涂层损坏。
④涂装后的钢构件勿接触酸类液体，防止咬伤涂层。
6.2钢管桁架安装
本工程钢结构安装，首先复核钢桁架底部基础的轴线及顶面标高是否正确，采用分段吊装的方法，先吊装标准段桁架，待校正固定后，再依次进行吊装下部桁架，最后吊装上部桁架。
1.现场测量
①.竖向控制轴线的放样
根据土建单位提供的轴线和+0.00标高为依据，进行闭合测量工作，各基准点之间连接并呈闭合态，用全站仪在倾斜弧线梁侧面上放出每个桁架柱的中心线，并且用卷尺复测两桁架中心线的水平距离，尺寸在允许偏差范围内，用水钻在梁体上钻孔，M32高强螺栓对拉固定。
图7桁架柱根据埋板平面定位
②.水平标高及轴线控制
高度和水平轴线测量采用全站仪作为主测量工具，水平仪辅测，测出楼层每个桁架柱根部和顶部钢板的水平标高，并且用全站仪放出每个桁架柱底部的十字控制线。
③.桁架柱倾斜角度控制
依次量测桁架柱根部钢板上十字线至结构梁的距离，先查看桁架柱在满足倾斜角度的情况下，桁架柱能否顺利安装，如局部受影响，可考虑将桁架柱整体向外平移，然后再从桁架柱顶部吊铅锤检查桁架安装的角度能否符合设计角度和距离，如距离不能满足，可将钢桁架进行结构验算，验算出可偏移的最大距离，将每个弧线面的桁架柱整体向外平移所需的的可控距离。
④.桁架柱弧线的控制
桁架柱吊装就位后，按安全规范的要求临时施焊加固定位，通过相邻两榀桁架柱上口、下口的水平钢板上桁架柱的中心连线控制线形，如因桁架柱变形、安装角度和倾斜角度发生偏差，造成弧线不顺直，可用火焰进行局部矫正，将桁架柱调整至圆顺。
图8桁架柱弧线线形。
图7桁架柱根据埋板平面定位图8桁架柱弧线线形
2.埋板的埋设
根据钢管桁架柱放线的位置对埋件进行埋设，检查基位是否满足钢结构安装的要求。
对于需要增加的埋件按以下步骤进行：
a、根据埋件的设计尺寸1：
1制作模板及标记出化学螺栓的位置间隔尺寸、孔径。
b、用冲击钻在砼结构的表面按照模板放样的尺寸打孔，孔径和深度必须参照栽筋螺栓所规定的直径和深度。
c、清理：
用气筒或空压清孔器将孔内灰尘清理干净，同时用专用毛刷放入孔内来回把砼渣清理出来。
d、安装高强螺栓：
把植筋胶塞入孔内，将高强螺栓送入孔内并保证与植筋胶充分破碎混合，并且清理螺栓边缘挤压出来的植筋胶，以防安装埋件与砼表面不平整。
e、待植筋胶固化24天后（应按质保书提供的相应固化时间）且要保证砼表面平整凹凸不平面，用扁凿子凿平然后再用磨光机磨平。
3.钢桁架柱吊装
①．钢结构桁架立柱安装：
立柱用于本工程外立面装饰龙骨桁架形式，吊装前首先确定构件吊点位置，确定绑扎方法，吊装时做好防护措施。
缓慢徐升就位。
经过初校待垂直偏差在5mm内，临时固定后立即调整施焊，即可脱钩。
②．每节钢管桁架柱根据控制线微调桁架柱的线形后，再对柱脚焊接加固，依次对标准节上部和下部异型钢桁架柱进行吊装，依照相同的吊装工艺做好线形控制。
③.标准节与上部、下部异性节桁架柱连接处，要使用防锈处理的内衬钢管进行连接，同时对焊缝打磨、防锈处理。
④.钢桁架吊装过程中，钢管脚手架要按照吊装方案制定的吊装半径进行搭设和加固，充分考虑施工中不利因素，做好钢管脚手架与外立面结构的连墙结构。
⑤．钢管桁架上、中、下节全部定位后，要全部排查每个部位的焊缝，使钢桁架的焊缝满焊，并且打磨后防锈处理。
4.焊接要求
①．同一桁架柱的两端的不得同时焊接，等一端焊接完毕后，且冷却后，方可进行另一端的焊接。
②．焊后消除应力处理：
采用锤击法消除中间层应力，使用圆头手锤，不得对根部焊缝、盖面焊缝或焊缝坡口边缘的母材进行锤击。
7设备及材料配置
7.1主要施工机械设备：
表1钢桁架柱主要施工机械设备
序号
机具名称
型号
数量
备注
1
抛丸除锈机
QG21
1
合格
2
二氧化碳气体保护焊机
NBC350
4
合格
3
砂轮切割机
3KW
2
合格
4
气割工具
2
合格
5
直流弧焊机
ZX7-315
5
合格
6
手拉葫芦
2T
4
合格
7
塔吊
5610
1
合格
8
吊车
25T
1
合格
9
液压千斤顶
1
合格
7.2主要材料配置：
表2钢桁架柱主要材料配置
序号
材料名称
单位
数量
备注
1
钢桁架柱标准节
节
83
合格
2
上部钢桁架柱节
节
83
合格
3
下部钢桁架柱节
节
83
合格
4
M32高强螺栓及配套螺帽
套
512
合格
5
植筋胶
kg
150
合格
6
2T手拉葫芦
套
4
合格
7
直径12mm×6m钢丝绳
条
4
合格
8
16#花篮螺丝
套
20
合格
9
后置埋板
套
166
合格
8施工质量控制
8.1质量控制重点
8.1.1材料控制
桁架为主体受力结构，选材必须严格按照设计并进行复检。
由于处于全面装修阶段，材料种类繁多，外形非常近似，场地狭小，工人素质参差不齐，不合格材料很容易混淆。
所以，首先必须认真检查每个钢管桁架柱的备用材料，从源头控制质量。
8.1.2单构件下料
①．由于本桁架柱倾斜，每榀桁架柱所用主龙骨长度不等，结合每个柱子的定位尺寸，实际量测长度才可下料。
②．主桁架高度都大于6米，需要对接。
要根据实测数据配料，切忌接头处于同一截面。
③.斜腹杆与主杆为对角连接，接触面为斜角，准确计算好每段每格长度，锁定切割机角度，以免下料过长或过短。
④.由于柱子倾斜，两个柱脚连接耳板也是不等长的，提前做好计算避免施工过程中重复加长或切短耳板的现象。
8.1.3构件组装
①．构件组装前首先放样，重复比对图纸，仔细检查尺寸对应关系，确保准备无误。
②．焊接时必须保证每个杆件的直线度，焊接很容易变形，局部变形会造成整体桁架弯曲，此类问题在施工中也遇到过，杆件弯曲，会影响玻璃无法密贴框架，无法安装，必须对桁架肢解或千斤顶矫正，费工费时，影响施工质量和施工进度。
③.桁架安装后，铝板分缝为水平缝，横龙骨必须水平。
横龙骨不能垂直于竖龙骨，必须根据每个桁架柱倾斜角度定位横竖龙骨夹角，图9所示。
④.龙骨对接部位必须套芯或增加加强板。
焊接过程中，严禁烧穿、烧坏主型材，确保焊接质量。
图9横竖龙骨安装定位
8.1.4钢桁架吊装
①．吊装前必须考虑好钢桁架临时固定措施，保证钢管脚手架随桁架的吊装半径搭设，保证工作面的展开。
②．吊装前，必须确定柱脚埋板的标高和水平定位，确保各弧形立面装饰一致。
③.在柱脚、柱顶结构位置，弹出控制弧线，确保每支龙骨的平滑顺直，否则将会影响玻璃、铝板的安装，甚至影响开启窗的使用。
④.桁架安装好后，必须采取可靠的临时固定措施，确保安全。
⑤．认真检查每个焊点（三面围焊）饱满，并进行防腐防锈处理，包括方管内部和连接板等，完后封闭上下端口。
8.2质量控制的标准
8.2.1钢桁架用钢管杆件加工
钢桁架用钢管杆件加工的允许偏差应符合表3的规定。
表3钢桁架用钢管杆件加工的允许偏差（mm）
项目
允许偏差
检验方法
长度
±1.0
用钢尺和百分表检查
端面对管轴的垂直度
0.005r
用百分表V形块检查
管口曲线
1.0
用套模和游标卡尺检查
8.2.2钢钢构件外形尺寸
钢构件外形尺寸主控项目的允许偏差应符合表4的规定。
表4钢构件外形尺寸主控项目的允许偏差（mm）
项目
允许偏差
单层柱、梁、桁架受力支托（支承面）表面至第一安装孔距离
±1.0
多节柱铣平面至第一安装孔距离
±1.0
实腹梁两端最外侧安装孔距离
±3.0
构件连接处的截面几何尺寸
±3.0
柱、梁连接处的腹板中心线偏移
2.0
受压构件（杆件）弯曲矢高
l/1000,且不应大于10.0
8.2.3钢构件外形尺寸
单层钢结构主体结构的整体垂直度和整体平面弯曲的允许偏差符合表5的规定。
表5整体垂直度和整体平面弯曲的允许偏差（mm）
项 目
允 许 偏 差
检验方法
主体结构的整体垂直度
H/1000,且不应大于25.0
用钢尺检查
主体结构的整体平面弯曲
L/1500,且不应大于25.0
用钢尺检查
8.2.4钢构件外形尺寸
柱子安装的允许偏差应符合表6的规定。
表6柱子安装的允许偏差（mm）
项目
允许偏差
检验方法
底层柱柱底轴线对定位轴线偏移
3.0
用钢尺检查
柱子定位轴线
1.0
用钢尺检查
单节柱的垂直度
h/1000，且应大于10.0
用钢尺检查
8.2.5钢构件外形尺寸
柱子安装的允许偏差应符合表7的规定。
表7柱子安装的允许偏差（mm）
钢构件预拼装的允许偏差
项目
允许偏差
检验方法
多节柱
预拼装单元总长
±5.0
用钢尺检查
预拼装单元弯曲矢高
l/1500，且不应大于10.0
用拉线和钢尺检查
接口错边
2．0
用焊缝量规检查
预拼装单元柱身扭曲
h/200,且不应大于5.0
用拉线、吊线和钢尺检查
顶紧面至任一牛脚距离
±2.0
用钢尺检查
管构件
预拼装单元总长
±5.0
用钢尺检查
预拼装单弯曲矢高
l/1500，且不应大于10.0
用拉线和钢尺检查
对口错边
t/10，且不应大于3.0
用焊缝量规检查
坡口间隙
+2.0,-1.0
9.筒体施工技术措施
9.1工艺质量保证措施
9.1.1钢结构制作
①．此结构所选用的钢材必须有出厂合格证及产品质量证明书，方可使用。
②．选择性能良好，使用功能齐全的加工设备，要求厂内制作部分采用单面45度坡口焊接。
③.焊条应具有出厂合格证，要求电焊条使用前应用烘干箱进行烘干，使用焊条材质必须与所用的母材相配套。
④.此钢构件制作完成后需进行抛丸除锈，要求除锈后24小时之内涂上底漆，底漆采用喷涂，要求保证油漆的漆膜厚度满足设计要求。
⑤．所有操作人员必须严格按技术、质量、安全交底内容执行，要求焊接人员必须持证上岗。
．号料时，针对本工程的使用材料特点，我们将复核所使用材料的规格，检查材料外观质量，制订测量表格加以记录。
凡发现材料规格不符合要求或材质外观不符要求者，须及时报质管、技术部门处理；遇有材料弯曲或不平值超差影响号料质量者，须经矫正后号料，对于超标的材料退回生产厂家。
9.1.2钢结构安装
①．钢结构吊装过程严格执行《GB50205－2001钢结构施工及验收规范》及《GB50221－95钢结构工程质量检验评定表标准》
②．开工前必须对定位纵横轴线及水平标高、钢构件外形尺寸、焊接质量进行复验合格后施工。
③.施工前必须进行技术交底。
④.施工时特工种上岗人员必须有劳动局颁发的上岗证书。
⑤．施工中坚持三检（自检，互检，专业检）制度，严格工序质量检验。
9.2钢桁架吊装的注意事项
①．吊装控制重点确保倾斜角度符合设计；确保立面弧面的平滑顺接；做好防止倾斜变形的监控和加固措施，做好预留预埋的衔接。
②．高空作业人员系好安全绳，严禁酒后作业，雷雨或大风天气严禁作业，悬挂安全防护网保护作业人员及防止落物。
③.为了避免不必要的返工和损失，每一步必须事先控制，建立建全质量管理体系，加强质量管理和施工环节及每道工序的质量监控，每个参与者持严谨负责的态度，每位工人要持证上岗，确保每道工序质量一次检验合格，减少返工，杜绝因返工耽误工期现象。
八．效益分析
钢管桁架柱应用于倾斜曲面的外装修骨架，因其制作工艺与倾斜钢筋混凝土装饰柱截然不同，其施工难度低于倾斜混凝土柱，同时能够更好的解决外形控制的难题，缩短了施工周期，保证了施工安全，降低了施工的管理成本，对企业的发展具有深远意义。
向莆铁路抚州站房工程施工中通过此工法的实施，保证了结构封顶的形象目标，取得了良好的社会效益。
在质量、文明施工、经营状况等方面获业主、监督单位以及同行业的一致好评，从而使方法有较好的推广价值，取得较好的社会效益。
九．工程实例
本工法应用在向莆铁路抚州站站房工程，开工时间为2013月3月16日，竣工时间为2013年6月30日，结构形式为钢管桁架柱，单节桁架柱自重1.8T。
钢结构分项质量验收一次通过，铁路局检查组和向莆公司领导对工程质量均给予很高的评价。
该工程中对钢管桁架柱加工采用定型平台控制截面尺寸和变形，安装过程中采用单点吊装次轻钢构件，我们在实践中总结和完善了施工工艺，为今后在钢管桁架柱的加工和安装可提供指导性的技术支持。
对我国设计钢桁架柱形式的公共建筑提供了宝贵的经验，对同类工程有指导和借鉴意义。
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