异形钢木组合空腹式桁架拱精密装配技术

1 工程概况

天府农业博览园主展馆项目位于四川省成都市新津区，其核心工程为G1–G5，室外5个棚架，结构形式为异形钢木组合空腹式桁架拱结构，如图1所示。上弦杆为双拼的欧洲落叶松胶合木，下弦杆为欧洲云杉胶合木，腹杆为Q355B钢板切割组焊的四角锥结构，桁架拱之间连接的檩条为云杉胶合木。5个棚架的结构体系均为异形几何体，每榀桁架的跨度和高度均不一致。三角桁架最大截面尺寸为3 471 mm。胶合木总用量为6 500 m3，最大截面尺寸为280 mm×1 120 mm，钢材用量为2 000 t，最厚板厚为85 mm。共计77榀桁架拱，其中最大跨度117.65 m，棚架最高点为43.768 m。

图1 G1–G5模型示意

每榀桁架跨度和高度的变化体现到桁架本身，造成了上下弦杆和腹杆的变化。具体表现在胶合木梁的弧度、位置和腹杆的连接角度的不同。如何保证钢木组合桁架拱的装配精度，使钢与木两种不同材料按照设计要求形成一个空间受力体系，对施工工艺提出了新的要求。

针对以上异形钢木组合空腹式桁架拱装配问题，将整榀桁架拱分成若干个小拼单元及中拼吊装单元，如图2所示。使用机械式桁架拼装支架，可以实现小拼单元上下弦杆全方位精密调整。通过上下弦杆、连接板、耳板、钢腹杆先预装配，后分离焊接再装配的工艺，可以实现小拼单元高效高精度的装配，解决了钢木组合结构装配公差的技术难题，同时满足了各工序间的衔接，加快了现场施工进度。

图2 小拼单元示意

小拼单元是整榀桁架拱模块化安装的基本组成单元，其装配精度决定了中拼吊装单元的组装精度，同时也决定了小拼单元与小拼单元之间组拼接口处的精度。从某种意义上讲，小拼单元的装配精度是整个工程中的核心技术环节，直接影响整体拱架的造型是否符合设计模型，接口处的节点连接质量是否满足要求，所以必须控制小拼单元的装配质量，确保整体工程的质量及结构受力的安全可靠。

2 构造特点

本工程G1–G5室外共有5个棚架，结构形式为钢木组合桁架拱结构。上弦杆为双拼欧洲落叶松胶合木，下弦杆为欧洲云杉胶合木，钢腹杆为Q355B钢板切割组焊的四角锥结构，上下弦通过10.9级大六角头高强螺栓将Q355B钢连接板、耳板与钢腹杆相连，连接板与上下弦木弧梁通过VGS系列螺钉固定，连接板与耳板通过焊接进行连接构造如图3所示。

（b）

图3 钢木组合桁架拱小拼单元构造示意

（a）小拼单元装配图；（b）下弦与腹杆连接节点

小拼单元包括上弦杆、下弦杆、腹杆、上弦连接组件以及下弦连接组件；上弦连接组件设置在上弦杆与腹杆之间，上弦连接组件用于连接上弦杆与腹杆且上弦连接组件与腹杆铰接连接；下弦连接组件设置在下弦杆与腹杆之间，下弦连接组件用于连接下弦杆与腹杆；腹杆为一个三角连接结构，上弦杆以及两根下弦杆分别连接在腹杆的3个边角处。

3 钢木组合桁架拱小拼单元装配技术

3.1 桁架上弦杆与上弦杆连接组件装配

上弦胶合木弧梁采用木材为欧洲落叶松，其截面宽度为180~220 mm，胶合木组坯方式为同一层的层板断面方向不允许有接头，意味着单块层板宽度为180~220 mm。

由于落叶松本身的生长周期及树干的直径限制，当结构受力需要更大截面尺寸的胶合木弧梁时，需要将多根小截面的胶合木梁用机械连接方式进行连接固定形成一个大截面梁。本工程将两根180~220 mm宽的胶合木弧梁双拼在一起，形成1根稳定的上弦结构杆件。

桁架上弦杆与上弦杆连接组件装配实施原理为：通过第一螺钉将嵌板以及两根上弦杆固定，通过第二螺钉、第三螺钉以及第四螺钉将上弦连接板与两根上弦杆固定，在将嵌板以及上弦连接板与两根上弦杆连接的同时，将两根上弦杆也进行了较为稳定的连接，即连接组件与两根上弦杆连接成为一个整体，此时连接在上弦连接板上的上弦耳板再与腹杆连接，完成腹杆同时与两根上弦杆之间的连接。通过设置加固组件，对两根上弦杆进行进一步固定，增加了两根上弦杆的连接强度。

3.2 桁架下弦杆与下弦杆连接板临时固定

下弦杆与下弦杆连接板的连接凹槽，在欧洲加工厂出厂时已经加工成形。基于模型数据导入精密加工机床进行精准切割打磨，所以凹槽的位置与木弧梁的相对位置准确无误，凹槽的四周轮廓比连接板四周大1 mm，将下弦连接板按凹槽的位置放入其中，保证每边留1 mm的间隙即可。利用若干个木螺钉临时固定在下弦木弧梁凹槽内，因此工序为临时固定措施，原则上螺钉的数量不宜过多，在保证下弦连板固定后，在后序的装配过程中不发生位移即可。所以此木螺钉长度小于设计值100 mm、直径小于设计3 mm，目的是在正式组装时可以利用原螺钉孔位进行原位装配。临时固定后，在连接板与木弧梁的贴合面的连接板外圈，用红色细笔在木弧梁上标记1圈，以便于在拆除下来正式装配时保证其位置处于当前位置。

3.3 拼装支架就位、固定

在车间里，根据场地布置规划及吊运车辆行驶道路的畅通性、天车的使用效率等综合因素，确定6个桁架拼装支架的摆放位置，然后将拼装支架底部的4个万向轮卡紧。为了防止拼装时被车辆或天车吊装的构件撞击拼装支架而导致装配误差，在拼装支架底部安装架4个角地面处埋设化学锚栓与连接板，再将连接板上焊接钢支撑件分别与安装架进行连接固定。

3.4 上弦杆吊装就位

利用天车将上弦杆吊装至支撑钢管上后，直接通过升降组件使支撑钢管竖直上移或下移，从而实现胶合木上弦在竖直高度上的位置调节。调节好胶合木上弦的竖直高度后，通过高度限定组件将支撑钢管固定即可，从而使胶合木上弦能够保持在当下的位置，拼装支架每个立柱上设有3个高度限定组件，预先根据小拼单元的模型尺寸，确定使用的高度限定组件，达到调节胶合木上弦的高度较为方便的效果。

根据上下弦的相对位置关系及给下弦杆的调节留出足够余量的原则，把上弦杆调整至预先计划的高度范围内，后序的装配工序均以上弦杆为基准进行。在下一道工序进行之前，为了防止上弦杆在外力作用下移位，需要在上弦杆与支撑件两侧进行临时固定。桁架上弦杆就位如图4所示。

（b）

图4 桁架上弦杆就位示意

（a）上弦杆就位侧立面；（b）上弦杆就位模型

3.5 钢腹杆吊装就位

利用天车及人工辅助的方式，逐个将钢腹杆吊装就位，与上弦杆通过上弦连接组件进行连接固定。再将一组四角锥腹杆（2片腹杆）上端的铰接板上的孔与上弦连接组件耳板的孔对中后，把M30的高强螺栓穿进去。不能敲击螺栓强行进入，以免损伤螺纹无法拧紧及影响螺栓的正常使用性能。螺母拧上后先不施拧，此阶段的钢腹杆与上弦杆为铰接连接，钢腹杆的位置可以任意角度转动，此时的钢腹杆位置并非正确的设计位置，待下弦杆就位后再慢慢进行调整。

3.6 下弦杆吊装就位

将小拼单元的两根小弦杆用天车吊装至拼装支架的下梁支撑机构上。根据上下弦垂直立面的相对关系，以上弦杆为基准，在地面上标记两根下弦杆的端点垂直投影线，以此投影线为基准，将两根下弦放置在下梁支撑机构上再进行微调直到预定的位置。下梁支撑机构包括下支撑板以及夹持组件，夹持组件安装在下支撑板上，夹持组件用于夹紧放置在下支撑板上的胶合木下弦杆；而且下梁支撑机构沿着移动板的长度方向排列设置有多个，胶合木下弦杆同时搭设在多个下梁支撑机构上，提高了搭设时胶合木下弦杆的稳定性。

夹持组件包括定夹板、动夹板以及推动件，定夹板固定设置在下支撑板上，动夹板滑动设置在下支撑板上，且动夹板与定夹板在下支撑板的长度方向上正对设置，推动件设置在下支撑板上且用于驱动动夹板靠近或远离定夹板。而推动件包括螺纹杆、铰接板、第二扭簧以及拉簧；下支撑板上沿着下支撑板的长度方向开设有螺纹孔，螺纹杆螺纹插设在螺纹孔内，铰接板铰接设置在下支撑板远离定夹板的一端，第二扭簧设置在铰接板与下支撑板的连接处，且第二扭簧使铰接板始终具有保持竖直状态的趋势。在铰接板处于竖直状态时，铰接板位于第二扭簧上方的板面与动夹板相正对，铰接板位于第二扭簧下方的板面与螺纹杆的端部相正对。下支撑板上沿着下支撑板的长度方向开设有滑动槽，动夹板的下端设置有与滑动槽滑动配合的滑动块，拉簧连接在滑动槽的内端壁与滑动块之间，螺纹杆远离铰接板的一端设置有转动把手。为了使螺纹杆更好地推动铰接板，在螺纹杆远离转动把手的一端设置推动圆球。桁架下弦杆就位如图5所示。

（a）

（b）

图5 桁架下弦杆就位示意

（a）下弦杆就位侧立面；（b）下弦杆就位模型

直接旋动转动把手，使螺纹杆在螺纹孔内转动并沿着螺纹孔的长度方向移动，使螺纹杆远离转动把手的一端逐渐伸出螺纹孔并推动铰接板的板面，此时铰接板受到螺纹杆的推动后，铰接板整个板面会倾斜，即铰接板位于第二扭簧下方的板面向远离下支撑板端部的一侧倾斜，而铰接板位于第二扭簧上方的板面则向靠近动夹板的一侧倾斜。随着螺纹杆的不断推动，铰接板会抵触在动夹板的板面上，并且持续把动夹板往靠近定夹板侧推动，直接让动夹板抵触在胶合木下弦杆上，最终实现对胶合木下弦杆的夹持。而当胶合木下弦杆不再受到夹持时，直接旋转转动把手，使螺纹杆的端部逐渐缩回到螺纹孔内，此时在拉簧的作用下，拉动滑动块在滑动槽内移动，使动夹板向远离定夹板的方向滑动，最终实现松开，也达到夹持和松开胶合木下弦杆较方便的效果。

3.7 上下弦杆、腹杆预拼装

待两根下弦杆就位夹紧后，可以在上弦杆、下弦杆、钢腹杆之间进行预装配。以上弦杆为基准，按图5所示，上下弦之间的控制线进行小拼单元的定位。通过调整两根下弦杆的水平和垂直位移，即可完成小拼单元桁架拱的定位。

位置调节机构包括电机、双向丝杠以及移动板。将电机安装在底部框架的一侧框边上，双向丝杠同轴线设置在电机的输出轴上，且双向丝杠的长度方向与放置好的胶合木下弦杆的长度方向垂直。双向丝杠远离电机的一端与底部框架转动连接。移动板上开设有螺纹配合孔，双向丝杠通过螺纹配合孔与移动板螺纹连接，且移动板在双向丝杠的两段螺纹旋向相反的杠段上分别螺栓穿设有1根。下梁支撑机构则安装在移动板上，并且移动板的长度方向与双线丝杠的长度方向垂直；移动板的两端均设置滑动筒，滑动筒套设在底部框架的两侧框边上。需注意的是，在底部框架的4个边角处均设置有角撑，使底部框架不与地面直接抵触，而且移动板的下板面设置有多个万向轮，万向轮直接与地面接触。

直接启动电机，使电机输出轴带动双向丝杠转动，而移动板在双向丝杠的两段螺纹旋向相反的杠段分别螺栓穿设有1根，因此两块移动板会在双向丝杠的转动下相互靠近或远离，进而实现两个夹持在下梁支撑机构的胶合木下弦杆相互靠近或远离的效果。而滑动筒与底部框架的框边的滑动配合能够对移动板的移动起到一定的导向和稳定作用。

因两根下弦杆的高度不在同一个水平面内，所以只靠调整上弦杆的高度不能达到要求，所以在下梁支撑机构上的下面设置有调节丝杠，此丝杠为手动调节，利用力矩扳手施拧可以调整支撑机构的高度，从而达到调整两根下弦杆的高度。

全部尺寸校核准确无误后，把下弦耳板贴靠在钢腹杆与下弦连接板之间，螺栓孔对中后，把所有的下弦耳板与下弦连接板进行点焊固定。在耳板与钢腹杆的贴合面之间，用红色细笔沿着耳板的外圈在钢腹杆上进行标记1圈，作为正式装配的刻度线。

3.8 下弦及连接板拆分后焊接

按照上述步骤将全部耳板与连接板点焊后，把上弦连接组件的耳板与钢腹杆的铰接板之间连接的高强螺栓进行终拧，达到设计的扭矩值。用临时支撑杆在钢腹杆的3条边的中部把小拼单元的全部钢腹杆连接起来，同时支撑杆与拼装支架的底部框架进行固定，确保三角钢腹杆处于位置固定不动的状态。此时利用拼装支架底部的位置调节机构把两根下弦木弧梁向外移动，移动适当位置留出人员操作空间后，将临时固定在下弦木弧梁上的所有连接板与耳板组件拆卸下来，并标记在木弦梁所对应的位置。按照焊接工艺作业书及焊接工艺卡中的焊接工艺参数进行施焊。焊接前在两块耳板之间的螺栓孔洞内临时安装1条螺栓，拧紧螺母，以减少焊接变形而导致耳板向外倾斜。

因连接板与耳板焊接在地面平角焊的工位进行施焊，利用CO2半自动气体保护焊的工艺进行相应的焊接作业，此种焊接工艺保证了焊接质量，加快了焊接速度，而且焊缝外观成型美观。焊接完成后清除表面的飞溅物，且温度冷却下来后利用焊缝超声波检测仪，使用直探头在耳板焊缝连接板的背面进行焊缝的检测工作，同时在耳板上使用斜探头辅助焊缝缺陷的检测。如发现焊接质量问题立即进行缺陷的修复工作，然后重新探伤。此种焊接工艺极大地提升了焊接质量，满足了设计I级焊缝的要求，而且在工厂内焊接胎具上进行焊接，焊接作业环境较好，人员操作方便，加快了整体的焊接作业效率。

3.9 最终装配

在上述下弦及连接板拆分后，焊接步骤连接板与耳板全部焊接完成且检测合格后，将连接板与耳板连接组件对号入座，按照在桁架下弦杆与下弦杆连接板临时固定步骤预先标记的红色圈，将连接板与耳板组件安装至下弦木弧梁的相应位置。此时利用正式设计要求规格型号的螺钉进行连接固定，先安装固定螺钉，再按照先垂直后倾斜、由里向外对称的顺序逐个安装螺钉。

当所有螺钉安装完成后，利用拼装支架底部的位置调节机构把两根下弦木弧梁向里靠拢，达到上述上下弦杆、腹杆进行预拼装步骤预拼装的位置即可。

因前道工序已经预拼装过，且连接板与耳板在焊接时采用了防止焊接变形的措施，局部有微量焊接变形也是耳板向外倾斜，两块耳板之间的距离有增大的趋势，有利于钢腹杆与两根下弦杆承插到位。当下弦杆逐渐向里靠拢时，耳板与预先在钢腹杆上标记的线条吻合后，说明已经回到预拼装的初始位置。为了确保桁架小拼单元的精度要求，再进行构件之间控制线的相对位置校核。满足要求后再进行高强螺栓的正式安装与施拧工作。

因考虑到拼装车间的场地合理规划与使用，每个小拼单元装配完成验收合格后，利用平板车立即把小拼单元运输至施工现场，转入下一道中拼吊装单元的组拼工序。

4 结束语

（1）通过现场发明的机械式桁架拼装支架，拼装支架上设置有多种调节机构，对上下弦杆的x、y、z这3个坐标方向均可精确调整，而且支架具有足够的刚强及稳定性，确保在装配过程中三角桁架不会变形。在满足不超过桁架节点处杆件轴线错位允许偏差的前提下，采取耳板、连接板、三角腹杆、胶合木弦杆先预拼装后分离焊接再装配的工艺，解决了钢木组合结构装配公差的技术难题，同时满足了各工序间的衔接，加快了现场施工进度，达到了构件外表美观的效果。

（2）耳板与连接板通过焊接进行连接，如果采用一次成型工艺，耳板与连接板需要在安装工位进行现场焊接，一方面因胶合木属于易燃材料，现场动火很容易引起火灾事故；另一方面现场焊接属于全方位焊接，受焊工技术水平及环境因素影响较大，焊接质量不容易保证，且因耳板开孔与焊缝之间的距离太近，常规超声波检测无法实现，只能采用价格昂贵的相控阵检测。所以采用耳板与连接板预装配的方式，可以定位其相互位置关系，拆卸下来进行工厂内平角工位焊接，既可以保证焊缝质量，又可以利用常规超声波直探头进行检测，节约检测费用。

（3）本项目的钢木组合空腹式桁架拱属于异形结构，为了形成设计要求的空间造型体，上下弦杆胶合木需加工成双曲异形构件。在小拼单元装配时确定上下弦杆及三角钢腹杆的相对位置关系需要精确的数据支撑。而依据数字模型可以精准快速地计算及检索出每个想要的定位尺寸，为小拼单元的装配提供强有力的数据资源。同时，通过快速捕捉其他控制线及尺寸对小拼单元进行校核，保证了构件几何体的精度要求，提高了工效。