特大跨轉(zhuǎn)換箱型截面鋼桁架安裝技術(shù)

張 衛(wèi)，汪臨斌

ZHANG Wei，WANG Linbin

(1.杭州市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，浙江 杭州310005;2.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團有限公司，浙江 紹興312030)

十多年來，在我國的高層建筑和大型公共建筑中鋼結(jié)構(gòu)得到廣泛應用。諸多建筑如國際會議中心、酒店、寫字樓或綜合性公共建筑的入口處或室內(nèi)大堂，結(jié)構(gòu)上常采用大跨度轉(zhuǎn)換鋼桁架形成底部數(shù)層大空間以滿足建筑功能要求。這類大跨度轉(zhuǎn)換鋼桁架的安裝技術(shù)比較復雜，目前有“現(xiàn)場拼裝，整體吊裝”法、“現(xiàn)場拼裝，整體提升”法、“胎架臨時支撐，現(xiàn)場分段拼裝、分段吊裝、整體卸載”法。采用何種方法應根據(jù)工程的結(jié)構(gòu)特點、現(xiàn)場起重運輸條件、進度和質(zhì)量控制要求、經(jīng)濟代價等情況進行優(yōu)選。本文以杭州阿里巴巴支付寶總部大樓鋼結(jié)構(gòu)工程為實例，介紹此類特大跨、超重型轉(zhuǎn)換箱型鋼桁架的結(jié)構(gòu)特征、安裝方案和質(zhì)量控制等技術(shù)。詳細介紹采用“現(xiàn)場高空散件拼裝、砂箱分步整體卸載”的技術(shù)與質(zhì)量控制經(jīng)驗。經(jīng)工程結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果表明，本文介紹的安裝與質(zhì)量控制技術(shù)取得了良好效果。

1 工程鋼結(jié)構(gòu)概況

1.1 鋼結(jié)構(gòu)整體概況

本工程為杭州阿里巴巴支付寶總部大樓，位于杭州市西湖區(qū)古蕩，南面為西溪路，東面緊靠F -10城市廣場建設(shè)用地，西面為飛達東路，北面為橫貫杭州市區(qū)東西向的主干道天目山路。項目總建筑面積約12.5 萬m2，其中地下建筑面積4.9 萬m2，地下2層，地上9 層，屋面建筑標高38.950 m。地下室采用鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系，上部結(jié)構(gòu)除電梯間筒體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外，均采用鋼結(jié)構(gòu)，分為A、B、C 三個獨立抗震單元的鋼框架-鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

框架柱采用圓鋼管混凝土柱，轉(zhuǎn)換桁架上的框架柱采用矩形鋼管柱;框架梁采用H 形鋼梁，部分受較大軸力的框架梁采用箱形鋼梁;轉(zhuǎn)換桁架采用箱型鋼構(gòu)件。整體結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 特大跨轉(zhuǎn)換箱型截面鋼桁架結(jié)構(gòu)概況

圖1 整體結(jié)構(gòu)軸測示意圖

桁架分布圖見圖2。

圖2 桁架分布圖

1.2.2 桁架的基本構(gòu)造 本文著重以該工程B 塔樓跨度特大、特高和特重的換鋼桁架為例介紹其安裝技術(shù)。B 塔樓轉(zhuǎn)換鋼桁架B-TR-1、B-TR-2 結(jié)構(gòu)的軸側(cè)圖見圖3。

圖3 B-TR-1 至B-TR-2 軸測示意圖

2 特大跨轉(zhuǎn)換箱型鋼截面桁架施工方案的確定

2.1 安裝方案的擬定

2.1.1 項目特點 (1)跨度大:本工程項目轉(zhuǎn)換箱型截面鋼桁架整體跨度大(A 塔樓TR-7 至TR-9 跨度為36～53 m，B 塔樓B-TR-1(2)跨度為54 m);

(2)高度高:A 塔樓TR-7 至TR-9 高度為4.2 m，B塔樓B-TR-1(2)高度為8.4 m;

(3)質(zhì)量大:A 塔樓TR-7 至TR-9 質(zhì)量分別為88、153、97 t，B 塔樓B-TR-1(2)質(zhì)量均達217 t;

(4)焊接箱(矩)形截面尺寸大;

(5)Z 字平面造型較復雜，場地狹窄，運輸受限。

2.1.2 方案確定 由于上述特點，本項目轉(zhuǎn)換箱型截面鋼桁架不可能整體制作、運輸和安裝，經(jīng)多方案的研討，考慮運輸和現(xiàn)場施工條件(包括吊裝設(shè)備的選用)等因素，最終擬定采取工廠分段制作及預拼裝、分件運輸進場、現(xiàn)場進行高空散件拼裝的方法，為此高空散件拼裝時應設(shè)置胎架臨時支撐以及安裝完畢后整體卸載。

2.2 桁架分段

上述技術(shù)方案必須在制作前對桁架進行分段細化設(shè)計，以確定散件拼裝時連接節(jié)點。分段應遵循下列基本原則:應符合不同桁架形式及其受力特點;靠近擬定的胎架臨時支撐點;分段單件最大質(zhì)量應在起重設(shè)備作用半徑允許起重能力范圍內(nèi)?，F(xiàn)以B-TR-1(2)為例對桁架分段作如下概述:

根據(jù)設(shè)計施工圖桁架形式，上弦因豎向腹桿與轉(zhuǎn)換桁架上的箱形鋼柱連接而分為6 段，分別與豎向腹桿和鋼管混凝土柱節(jié)點連接;下弦分為3 段，分別與豎向腹桿下節(jié)點及鋼管混凝土柱節(jié)點連接，各段長度為18 m(節(jié)點間距);斜向和豎向腹桿及斜撐各為一段，分別與相關(guān)節(jié)點連接，分段情況和連接點見圖4。

圖4 B 塔樓B-TR-1 至B-TR-2 分段示意圖

2.3 吊裝方案及機械選擇

桁架吊裝應在地下室頂板混凝土強度達到設(shè)計要求以及地上鋼結(jié)構(gòu)框架安裝至5 層后進行，經(jīng)考慮現(xiàn)場施工條件、吊裝設(shè)備等諸多因素后，擬采用高空散件吊裝拼接方法。為此在桁架跨徑下弦近拼接位置的節(jié)點及支承在其他桁架上的節(jié)點或懸臂端節(jié)點設(shè)置臨時支撐架，支撐架頂部設(shè)置卸載裝置。待轉(zhuǎn)換鋼桁架及其上部結(jié)構(gòu)安裝完畢后進行卸載，拆除支撐架，使轉(zhuǎn)換鋼桁架進入使用階段的受力狀態(tài)。

因現(xiàn)場轉(zhuǎn)換鋼桁架部位部分構(gòu)件不在現(xiàn)場布置的塔吊起重性能范圍內(nèi)，需要大型起重設(shè)備進入轉(zhuǎn)換鋼桁架部位進行吊裝，根據(jù)對轉(zhuǎn)換鋼桁架分段吊重分析，分段構(gòu)件最大質(zhì)量為34.8 t，選用1 臺CCH1000 型100 t臂長48 m(B 區(qū)吊裝時采用42 m)履帶吊進行吊裝，履帶吊行走在地下室頂板上，應對吊裝區(qū)域的地下室頂板進行承載力驗算，并采取必要的措施進行加固。

3 桁架臨時支撐架設(shè)置

臨時支撐架的設(shè)置要根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點和整體卸載方法進行設(shè)計。

3.1 臨時支撐架布置

3.1.1 平面布置 桁架安裝時采用支撐架進行臨時支撐，上部鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后須對支撐架進行卸載拆除，每個支撐架頂面設(shè)有卸載裝置(砂箱)，卸載時采用砂箱進行同步或不同步分級卸載，支撐架平面布置圖見圖5。

其中A 區(qū)共設(shè)有8 個支撐架，B 區(qū)共設(shè)有4 個支撐架。支撐架均設(shè)在桁架下弦的結(jié)點處。

3.1.2 立面布置 以B 塔樓轉(zhuǎn)換桁架B -TR -1、B-TR-2 為例，其支撐架立面布置見圖6。

圖5 支撐架平面布置圖

圖6 B-TR-1(2)支撐架立面布置圖

3.2 臨時支撐架及卸載設(shè)備

根據(jù)施工過程分析:A 區(qū)大跨、B 區(qū)大跨部位臨時支撐架最大豎向荷載標準值為845 kN，按此荷載，同時考慮安裝時的偏心、風荷載等因素影響，經(jīng)設(shè)計計算選擇短形格構(gòu)式支撐架。該支撐架以每2 m為一標準節(jié)，采用單片組合，外形基本組合尺寸為2 m×2 m，由立桿鋼管B150 ×8 和腹桿鋼管B80×6 組成。該標準支撐架立柱采用法蘭對接，單片之間的組合采用螺栓連接，便于安裝和拆除，支撐架構(gòu)造及安裝示意見圖7。

圖7 支撐架構(gòu)造及安裝圖

卸載設(shè)備采用砂箱，置于支撐架頂部。砂箱構(gòu)造示意見圖8。它包括砂箱(299 ×16 的圓管)、活塞、固定螺桿、泄砂閥等部件。采用砂箱卸載的優(yōu)點是可控性好，設(shè)備簡單、可靠。與傳統(tǒng)的油壓千斤頂相比，更易操控，無機械故障之憂，砂箱安裝見圖9。

圖8 砂箱構(gòu)造圖

圖9 砂箱安裝圖

4 特大跨轉(zhuǎn)換鋼桁架支撐架卸載

支撐架卸載是特大跨轉(zhuǎn)換鋼桁架安裝的關(guān)鍵技術(shù)，支撐架的卸載方案與步驟涉及結(jié)構(gòu)受力體系的合理轉(zhuǎn)換，要根據(jù)結(jié)構(gòu)支承情況與受力特性進行選擇和設(shè)計。

4.1 卸載形式選擇

選用合理的卸載形式，對不同結(jié)構(gòu)形式的特大跨轉(zhuǎn)換鋼桁架至關(guān)重要，以本工程A/B 兩區(qū)特大跨轉(zhuǎn)換鋼桁架為例分析如下:

A 區(qū)的TR-7、TR-8、TR-9 三榀轉(zhuǎn)換箱型鋼桁架，支承方式不同。TR-7、TR-8 兩端分別與Φ1500鋼管混凝土柱剛接，TR-9 南端與Φ1500 鋼管混凝土柱剛接，北端與TR-6 箱型截面桁架9 m 懸挑端剛接，因而在TR-6 外挑9 m 與TR-9 總跨45 m 區(qū)域，為無支承柱受力結(jié)構(gòu)體系，上部五層結(jié)構(gòu)自重(含鋼柱、梁、地面、屋面、幕墻、內(nèi)裝飾等)和使用活荷載均由TR-9 傳遞至TR-6懸挑桁架端部。該區(qū)域構(gòu)件和連接節(jié)點受力狀態(tài)復雜，在臨時支撐卸載時必須充分考慮構(gòu)件受力體系的合理轉(zhuǎn)換，宜采用不同步分級法，即首先按⑧、⑦、⑥臨時支撐順序(圖5)進行第一步卸載，隨后進行TR-8、TR-7 的卸載，以避免結(jié)構(gòu)的內(nèi)應力突變。

B 區(qū)的B-TR-1(2)兩榀8.4 m 高的轉(zhuǎn)換箱型鋼桁架，設(shè)計為對稱的兩根斜支撐桿與桁架腹桿形成了兩組梯形的穩(wěn)定受力結(jié)構(gòu)體系(圖3、圖6)，屬左右對稱結(jié)構(gòu)體系，因而B 區(qū)桁架在臨時支撐卸載時，可采取同步分級卸載。

4.2 分級卸載時效觀察

對A 區(qū)和B 區(qū)特大跨鋼桁架臨時支撐的分級卸載，必須實行每級24 h 的間隔時效觀察，利用埋設(shè)于桁架關(guān)鍵位置和節(jié)點的應力應變傳感器進行數(shù)據(jù)采集分析，進行結(jié)構(gòu)承載過程的安全檢測評判。使整體桁架結(jié)構(gòu)的內(nèi)應力重分布，在24 h 時效過程中平穩(wěn)過渡。

4.3 支撐架卸載流程

4.3.1 支撐架卸載條件 (1)桁架及四周結(jié)構(gòu)已安裝到8 層以上，并焊接完成;

(2)鋼管柱內(nèi)混凝土澆灌到頂層;

(3)桁架上鋼板樓板已安裝，但樓面混凝土暫不澆灌。

4.3.2 支撐架卸載步驟 根據(jù)現(xiàn)場施工進度安排情況先卸載A 區(qū)桁架支撐架(采用不同步分級法)，再卸載B 區(qū)桁架支撐架(采用同步分級法)。

根據(jù)施工過程分析和設(shè)計提供的變形量估算，實際支撐架卸載產(chǎn)生的變形量較小(最大為6.23 mm)，具體可分三步進行:

第一步，拆除砂箱支撐桿，使砂箱活塞完全受力，穩(wěn)定24 h，實測應力應變值(A 區(qū)TR-9 先拆)。

第二步，根據(jù)剩余卸載量采用砂箱漏砂量控制，對支撐架進行卸載;

第三步，繼續(xù)根據(jù)剩余卸載量采用砂箱漏砂量控制，對支撐架進行卸載，直至桁架與支撐架完全脫開，然后拆除支撐架。

整個卸載分3 步進行，每步卸載量對應后面“表1”中各支撐點對應數(shù)值，進行分級卸載，最后將支撐架拆除，完成結(jié)構(gòu)卸載。卸載時每個支撐架均派2 名工人開啟砂漏卸砂，將桁架下降至指定高度(因部分支撐架卸載量較小，只有2 mm 左右，在第二步卸載后就有可能卸載完成)，卸載時需采用測量儀器、應力應變檢測同步跟蹤進行監(jiān)控，保證卸載的可控性。每級卸載間隔時間為24 h，下載時間應定同一時間(如時間定為每日上午10:00:00 左右)，具體卸載過程及檢測跟蹤流程見圖10。

4.4 支撐架卸載過程中監(jiān)測控制過程

(1)正式卸載當日上午8:00:00—10:00:00(卸載前)測一次;(2)第一級卸載后傍晚測一次;(3)第二天一早及傍晚各一次(上午10:00:00 進行二級卸載);(4)第三天一早及傍晚各一次(上午10:00:00進行三級卸載);(5)若有第四級卸載以第三天同要求檢測;(6)后續(xù)檢測按每澆搗一層樓面前后各采集一次數(shù)據(jù)，依次類推。監(jiān)測時間的選擇:主要考慮卸載時正值冬季，早晚與中午溫差較大，故考慮7:00:00與17:00:00 進行監(jiān)測，所得監(jiān)測值可與卸載作業(yè)過程中的監(jiān)測值進行比對。

圖10 卸載流程圖

4.5 砂箱控制卸載量的操作

砂箱在泄砂過程中，為有效控制卸載量，可以在桁架兩側(cè)各設(shè)置一根卸載量控制桿(可采用角鋼下端焊在轉(zhuǎn)化平臺上面，下端緊貼桁架側(cè)面)，控制桿側(cè)面標注好刻度，單位為mm，卸載過程中觀測桁架下口達到一定卸載量。見圖11。

圖11 卸載控制桿

4.6 支撐架卸載變形量控制

4.6.1 各支撐架卸載量 支撐架卸載量統(tǒng)計見表1、表2。

表1 A區(qū)大跨桁架部位支撐架總卸載量統(tǒng)計

表2 B區(qū)大跨桁架部位支撐架總卸載量統(tǒng)計

4.6.2 分步卸載量確定

本工程采用砂箱分步卸載，共分3 步進行，各支撐架每步的卸載量值見表3。

表3 各支承架等比例卸載量值

4.7 支撐架卸載控制技術(shù)要點

(1)卸載前對所有參加人員進行卸載過程培訓和技術(shù)交底，確保卸載過程中的同步性。

(2)卸載前應完成主體結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件安裝和焊接工作，需探傷檢測的部位已全部通過自檢和第三方檢測并已全部合格，具備上述條件后，方可進行卸載［1］。

(3)卸載前應拆除所有臨時固定拉撐桿及纜風措施，并清除結(jié)構(gòu)上與卸載工作無關(guān)的工器具及相關(guān)措施［1］。

(4)卸載過程中，要求做到設(shè)計統(tǒng)一、組織機構(gòu)統(tǒng)一、監(jiān)測統(tǒng)一和卸載工具統(tǒng)一，以確保卸載安全［1］。

(5)卸載過程中，應有可靠的測量測控措施對卸載工作進行監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整各支撐點的卸載位移量［1］，以確保卸載安全。

(6)桁架下弦桿整體脫架后保留原剛性支撐架48 h(風險時段)不拆除。

(7)卸載全過程(含風險時段)對所有支撐架采取臨時穩(wěn)定性保護措施，擬采用在桁架下弦桿兩側(cè)各設(shè)置一根卸載量控制桿兼作穩(wěn)定桿，穩(wěn)定桿采用L70 ×6 角鋼。

(8)為了確保下載對稱、同步、協(xié)調(diào)進行，應合理組織操作班組，嚴格按卸載要求進行操作，建立支撐架卸載指揮小組，統(tǒng)一指揮。

5 確保特大跨轉(zhuǎn)換鋼桁架安裝質(zhì)量的控制措施

(1)分段制作的質(zhì)量控制 分段制作箱型截面時嚴格按深化設(shè)計圖施工，特別是上下弦分段上腹桿接口的角度與接口平面，防止在現(xiàn)場高空拼裝時接口錯位，影響接口焊接質(zhì)量和桁架的整體豎向平整度，設(shè)計要求的桁架預拱度也必須在分段制作時在每一構(gòu)件上得以體現(xiàn)。

(2)分段制作完成后的廠內(nèi)預拼裝 為了確?，F(xiàn)場高空安裝萬無一失，對本工程所有大跨度桁架分段均在廠內(nèi)進行預拼裝，分段接口處設(shè)置卡碼，并按設(shè)計要求的預拱度進行預拼裝，將現(xiàn)場實測的柱間間距反饋到廠方對桁架總跨度進行校核，避免大跨度桁架因現(xiàn)場柱間安裝誤差影響焊接間隙超標。

(3)現(xiàn)場分段拼裝的臨時支撐架標高控制 根據(jù)現(xiàn)場場地條件，臨時支撐的點位均設(shè)立于地下室柱中位置，確保臨時支撐有足夠的支撐力，以滿足大跨度桁架的自身重量和桁架上部五層結(jié)構(gòu)(包括鋼框架柱、梁及樓地面重量)的總荷載要求，并根據(jù)每榀桁架的預拱度設(shè)置支撐架標高。

(4)現(xiàn)場分段拼接過程中，應用全站儀跟蹤測量每榀桁架的軸線、標高、水平度、垂直度和側(cè)向彎曲并及時校正，以確保桁架位置準確、平整、垂直，采取有效的臨時固定措施，安裝高強螺栓后方可施焊。

(5)現(xiàn)場焊接是確保轉(zhuǎn)換箱型鋼桁架高空散件拼裝質(zhì)量的關(guān)鍵，事先必須編制詳細焊接工藝方案?，F(xiàn)場焊接方法采用CO2氣體保護法;從事焊接的焊工和檢驗人員應具有資格證，有一定的實踐經(jīng)驗和技術(shù)水平;為減少焊接應力所產(chǎn)生的變形，應擬定合理的施焊程序和方法，以確保焊接質(zhì)量。

6 結(jié) 語

本鋼結(jié)構(gòu)工程在安裝過程中委托第三方(同濟大學土木工程學院)重點對A、B 塔樓特大跨轉(zhuǎn)換鋼桁架TR7～9 和B-TR-1、B-TR-2 施工階段的應力和應變進行跟蹤監(jiān)測，對于結(jié)構(gòu)完工后的應力和應變監(jiān)測結(jié)果，表明各個桿件內(nèi)力和結(jié)構(gòu)變形在施工暫停階段保持平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)安全，可進行后續(xù)施工。后續(xù)檢測的應力應變位移也趨于平穩(wěn)。三個月后最大實測值A(chǔ) 大跨為18 mm，B 大跨為12 mm，均小于設(shè)計最大應變值54 mm。這充分表明本文結(jié)合工程實例所論述的特大跨轉(zhuǎn)換箱型鋼桁架的安裝及支撐架卸載技術(shù)是可行的、科學合理的，具有一定的示范參考和應用價值。

［1]洪國松，黃利順，邱小軍，等. 重型鋼結(jié)構(gòu)砂箱卸載施工技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2012(增刊1):577 -579.