《大跨度全螺栓装配式 H 型钢桁架屋盖容差配合与锁定内力控制技术研究》

来源：《建筑结构》

中文标题：《大跨度全螺栓装配式 H 型钢桁架屋盖容差配合与锁定内力控制技术研究》

作者：张晋勋，段先军，李传浩，张爱林，刘学春

发表期刊：《建筑结构》

发表信息：2025 年第 16 期，第 89‑96 页

作者单位：北京工业大学高耸与大跨度预应力钢结构北京市工程技术研究中心、北京城建集团有限责任公司

基金项目：北京市重点研发计划项目（Z221100005622003）

摘要

全螺栓装配式 H 型钢桁架屋盖可以大量消除现场焊接作业，提升大跨度钢结构建造效率与施工质量，但工厂加工偏差、拼装累积误差、临时支撑卸载等因素会在结构内部产生锁定内力，若锁定内力超出构件设计允许范围，将造成杆件附加应力超限、安装螺栓穿孔困难、最终位形偏离设计目标等工程难题。本文以某航站楼大跨度全螺栓 H 型钢桁架屋盖工程为研究载体，阐述容差配合设计、施工全过程稳定性验算、预变形设置、临时支撑优化布置、分级卸载成套技术。采用有限元模拟对不同加工偏差、拼装误差工况下的锁定内力开展参数分析，揭示加工制造、拼装顺序、卸载方案对锁定内力的影响规律。工程实测表明，采用容差配合与锁定内力综合控制技术，可将桁架锁定内力控制在 ±50 MPa 以内，高强螺栓一次穿孔合格率达到 100%，屋盖最终位形偏差控制在 10 mm 以内。研究成果可为同类全螺栓大跨度装配式桁架工程的深化设计、工厂制造与现场安装提供完整技术参考。

English Abstract

The fully‑bolted prefabricated H‑section steel truss roof can largely eliminate on‑site welding operations and improve the construction efficiency and quality of long‑span steel structures. However, manufacturing deviations, cumulative assembly errors and temporary support unloading will produce locking internal forces inside the structure. Excessive locking internal force may lead to additional over‑stress of members, difficulty in bolt penetration and final geometry deviation from design targets. Taking a terminal building long‑span fully‑bolted H‑truss roof project as carrier, this paper presents complete technologies including tolerance coordination design, whole‑process construction stability check, pre‑camber setting, temporary support layout optimization and staged unloading. Parametric finite‑element analyses are carried out to reveal the influence of fabrication tolerance, assembly sequence and unloading scheme on locking internal force. Field measurement demonstrates that the locking internal force can be controlled within ±50 MPa, one‑time penetration qualification rate of high‑strength bolts reaches 100%, and roof geometric deviation is limited within 10 mm. The research provides comprehensive technical references for detailed design, fabrication and erection of similar fully‑bolted long‑span prefabricated truss projects.

研究背景

一、全螺栓装配式大跨度桁架的发展优势

传统大跨度钢桁架屋盖普遍采用现场高空焊接，焊接质量受天气、焊工水平影响波动大，高空作业安全风险高，施工周期长。全螺栓装配式 H 型钢桁架，把绝大部分焊接工序转移至工厂内完成，现场仅依靠高强螺栓完成拼接，契合建筑工业化、绿色建造发展方向，近年来在航站楼、会展中心、高铁站房等大型公共建筑中逐步推广应用。

二、工程实践暴露的两大核心难题

1. 拼装容差问题：构件出厂存在制造尺寸偏差，多榀桁架依次拼装后误差不断累积，出现螺栓孔错位，现场扩孔处理会削弱节点受力性能，拖慢施工进度。
2. 锁定内力问题：拼装阶段临时支撑约束、构件强迫就位、后期支撑卸载，会在桁架杆件内部形成 “锁定内力”，该部分内力不会随支撑拆除自动消失，会叠加到结构使用阶段荷载效应中。很多项目设计阶段未考虑锁定内力，仅按照理想几何模型进行计算，导致部分杆件实际应力远超设计值，埋下安全隐患。

三、现有研究的不足

目前国内研究多集中于桁架极限承载力、整体稳定分析；针对制造‑拼装‑卸载全流程下锁定内力生成机理、容差配合体系的系统性研究较少，缺少可供设计人员直接采用的控制指标与成套实施流程。部分工程依靠施工经验处理误差，缺少量化分析手段。在此背景下，结合实际航站楼工程开展容差配合与锁定内力控制研究，具备较强工程实用价值。

研究内容

（一）锁定内力形成机理分析

锁定内力来源于三类效应：①工厂构件几何制造偏差，强迫螺栓就位带来的强迫装配应力；②临时支撑不均匀沉降、支点标高偏差带来的附加内力；③卸载过程中体系转换，支撑反力逐步释放，构件发生内力重分布而留存的残余应力。
当多重效应叠加，锁定内力会与恒活荷载、风、地震效应组合，若不加以控制，会造成杆件应力超限。本文建立仿真模型，分别单独模拟制造偏差、拼装强迫就位、分级卸载，区分每一类因素对锁定内力的贡献占比。

（二）容差配合设计体系构建

1. 构件工厂制造阶段：区分关键杆件、一般杆件，差异化设置尺寸允许偏差，关键拼接接口提高加工精度；预留螺栓孔、长圆孔组合的容差构造，不允许现场随意火焰扩孔。
2. 深化设计阶段：开展预变形（预起拱）计算，综合考虑恒载、活载、锁定内力预估值，给出构件出厂预起拱数值。
3. 现场拼装：制定拼装顺序，优先主桁架再次桁架，设置中间调节单元，用于消化累积拼装误差，避免误差全部累积至端部跨。

（三）临时支撑布置与分级卸载方案参数分析

通过有限元模型开展参数分析，变量包含：支撑布置密度、支撑支点标高误差、卸载分级步数、每级位移释放量。考察不同工况下：杆件最大锁定内力、桁架竖向变形、屈曲安全因子。
分析得到主要规律：支撑布置过疏，局部支点反力过大，卸载后残余锁定内力显著增大；卸载分级过少、单次释放位移过大，会造成内力剧烈重分布，锁定内力幅值明显上升；设置足够分级步数，能够显著降低残余锁定内力水平。

（四）工程应用与实测验证

依托航站楼屋盖实际工程，落实上述成套技术：

1. 工厂严格执行分级制造公差，关键接口重点检验；
2. 深化阶段完成预起拱与容差单元设置；
3. 现场按照优化方案布置临时支撑，采用多步分级卸载；
4. 在典型桁架杆件布设应力应变传感器，全过程监测拼装、卸载、成型后杆件应力；三维激光扫描获取屋盖成型位形。

实测结果：桁架杆件锁定内力整体控制在‑46 MPa~+42 MPa，满足 ±50 MPa 控制目标；115 万套高强螺栓一次穿孔合格率 100%；屋盖成型后位形最大偏差 9.2 mm，满足验收指标。同时施工过程最低屈曲安全因子大于 10，施工阶段整体稳定性得到保障。

结论

（1）全螺栓装配式大跨度 H 型钢桁架屋盖，制造偏差、强迫就位拼装、临时支撑卸载，三者共同产生锁定内力，该部分残余应力会叠加至使用阶段荷载效应，设计阶段不可忽略。
（2）建立 “工厂分级公差控制‑深化预变形与容差单元‑优化支撑布置‑分级缓慢卸载” 成套技术路径，可有效抑制锁定内力幅值。
（3）对于此类全螺栓装配式桁架，不建议依靠现场火焰扩孔来消化拼装误差，应当依靠前期容差配合构造消化累积偏差，保障节点原设计受力性能。
（4）工程实践证明，采用本文控制方案，可实现锁定内力控制在 ±50 MPa 以内，螺栓一次穿孔合格率 100%，屋盖位形偏差控制在 10 mm 以内。可为国内同类全螺栓大跨度装配式屋盖项目提供参考。