某體育館多層雙向不對稱大懸挑鋼桁架施工技術

鮑鵬玲，楊錦偉

(1.信陽師范學院 土木工程學院，河南 信陽 464000；2.河南省天禹股份有限公司，河南 信陽 464000)

0 前言

近年來，隨著鋼結構在建筑中的迅猛發(fā)展，越來越多的建筑開始追求一種視覺上的新穎與美感.由于鋼結構桁架結構在結構強度等方面的穩(wěn)定性，很多建筑在追求一種獨特外形的同時也會將一種新的結構形式利用鋼結構桁架結構來實現(xiàn)，其中大懸挑鋼桁架結構應用最為廣泛，其層層外挑的結構形式更是追求一種視覺上的美感[1].但因其復雜的結構體系和建造難度，使得結構施工周期長，影響因素多，因而在施工過程中的受力情況與傳統(tǒng)結構體系截然不同，不能按傳統(tǒng)施工工藝進行施工，因此對該施工技術的研究有著重要意義.目前，國內已有一些研究該施工技術的案例，比如南昌國際體育場雙軸對稱大懸挑鋼桁架結構、泰州博物館雙層對稱大懸挑鋼桁架結構等，基本采用了支撐、吊裝、卸載的施工順序，對于對稱結構的支撐吊裝來說，結構更容易就位，穩(wěn)定性也容易控制，但對于本文所要介紹的多層雙向不對稱大懸挑桁架結構來說，其施工過程更具特殊性，施工難度更大.主要表現(xiàn)在主桁架、次桁架、支撐結構等構件在制作、運輸和安裝的整個過程中，必須對不同工況的受力情況進行分析，以確保質量和安全；為解決構件運輸問題，分解成小桁架片的構件需在現(xiàn)場重新總拼，必須解決總拼胎架的水平度，確保桁架在拼裝時不發(fā)生變形[2-3].本文詳細介紹大懸挑鋼桁架施工技術難點、吊裝施工、應力位移監(jiān)測、卸載等流程.

1 工程概況

某體育館工程入口大廳處2、3、4層鋼結構為雙向不對稱大懸挑鋼桁架，桁架支撐結構為鋼管混凝土疊合柱，疊合柱鋼管直徑700 mm，壁厚30 mm，管內為C60混凝土，管外為200 mm厚C40混凝土，懸挑桁架為H型鋼桁架，桁架高度1 800 mm，桁架結構向南側懸挑8 100 mm，向北側懸挑9 200 mm.

2 技術難點

該工程鋼桁架結構為懸挑結構，懸挑跨度大，且為雙向不對稱懸挑，豎向變形大，需對桁架結構進行預起拱設計.結構高度高，且為多層懸挑，吊裝分塊長度大，吊裝時穩(wěn)定性難以控制，對臨時支撐的要求高.臨時支撐的卸載是結構由施工狀態(tài)向設計狀態(tài)轉變的關鍵，懸挑結構卸載不當會造成結構和支撐架的破壞，卸載過程的施工仿真分析和卸載順序控制是本工程的施工控制關鍵.由于工期較緊，臨時支撐卸載前，支承懸挑桁架的鋼管混凝土疊合柱管外混凝土及樓承板混凝土無法澆筑完成，結構在卸載階段的受力狀態(tài)與最終的設計受力狀態(tài)存在很大差異，必須對后續(xù)施工過程進行實時監(jiān)測，保障施工安全.

3 桁架吊裝施工

3.1 支撐系統(tǒng)設計

根據(jù)鋼結構安裝分段和結構受力特點，在懸挑桁架的端部設置臨時支撐12個，如圖1所示.

圖1 懸挑桁架支撐點布置圖

支撐架選擇定型“組合式格構鋼支承柱”，最大承載力60 t,支承體系由預先焊接好的4片平面桁架組成，現(xiàn)場安裝時主要采用螺栓連接，可以靈活進行組合，同時運輸方便，其組合尺寸為1 m(長)×1 m(寬)×1.5 m(高)，其中立柱和腹桿分別采用P89×4和P60×3.5的圓管.

臨時支撐體系拼裝平臺由熱軋H型鋼焊接而成，型鋼截面根據(jù)桁架荷載計算確定.臨時支撐體系拼裝平臺用于均勻承受桁架荷載，并通過支撐體系格構柱將荷載向下傳遞，同時臨時拼裝平臺為桁架的安裝提供作業(yè)平臺.拼裝平臺頂標高距鋼桁架下弦桿底標高500 mm(千斤頂自由頂升高度)左右，為鋼桁架卸載用千斤頂?shù)姆胖昧舫隹臻g.如圖2所示.

圖2 臨時支撐拼裝平臺

3.2 鋼桁架吊裝

吊裝順序直接影響主體結構的受力、結構荷載平衡, 因而制定合理的吊裝順序是保證結構安全和穩(wěn)定性重大問題[1].桁架的吊裝原則為：從下至上進行，先進行2層桁架吊裝，后進行3層桁架、4層桁架吊裝，同層桁架吊裝采用從中間向兩側對稱進行，逐塊形成單元受力體.

吊裝前預先在桁架與鋼柱連接處標注出桁架的中心線和上弦標高位置以及桁架邊緣位置，便于桁架起吊后的就位、調整.桁架采用兩點起吊，吊點位置選擇在主桁架上弦，離桁架中間最近的兩邊的腹桿與上弦連接的節(jié)點部位[2].桁架采用現(xiàn)場兩臺C7013塔吊，塔吊臂長60 m，懸挑部位的桁架重量滿足吊裝要求.桁架采取單機起吊、原位安裝，桁架的安裝就位標高即為鋼桁架的設計標高，安裝過程中應當注意鋼桁架的設計標高應包含桁架的設計起拱值.桁架提升到預定標高后，由外側水平向內推進就位安裝，用千斤頂調整桁架上下弦標高，并根據(jù)設計驗算對桁架進行預起拱處理，本工程桁架懸挑端部起拱41 mm.桁架調整完畢后，應用纜風繩臨時固定，再使用臨時支座以及10 mm、5 mm、2 mm、1 mm鋼板組合墊放至下弦設計標高.使用多層鋼板墊置其目的在于桁架焊接完成后的整體分級卸載，屆時可根據(jù)分節(jié)卸載參數(shù)抽離相應的鋼板.

4 桁架應力監(jiān)測

4.1 桁架桿件應力監(jiān)測

根據(jù)工程鋼結構受力性能、施工難度及現(xiàn)場實際情況，選取2層、3層及4層懸挑桁架及桁架間吊桿作為應力監(jiān)測對象，根據(jù)結構受力特點，對于懸挑桁架，應力測點應選在桁架根部節(jié)間，對于桁架間吊桿，應力測點應選在構件中點處的上下翼緣上[3].應力監(jiān)測點布置圖如圖3所示.

4.2 結構位移監(jiān)測

本工程選用全站儀對懸挑桁架進行變形監(jiān)測.根據(jù)結構變形特點，變形監(jiān)測測點布置在懸挑桁架的懸挑端節(jié)點，每層12個位移監(jiān)測點.

圖3 應力測點布置圖

卸載前采用全站儀對支撐點位置上鋼桁架的上弦點進行三維坐標點測量，并倒算出絕對坐標，同時對鋼結構模型進行驗算，計算出拆除支撐后結構支撐點位置鋼桁架的位移.在卸載完成后二次對拆除支撐點的位置鋼桁架采用全站儀進行三維坐標點測量，最后進行監(jiān)控點位移與計算位移、實際位移的對比[4].

4.3 鋼結構卸載

臨時支撐的卸載采用手動螺旋千斤頂卸載法[5-6].在卸載之前，將支撐架頂部的鋼梁支撐轉換為螺旋千斤頂支撐，安排操作人員按分步驟多次循環(huán)、微量下降的原則回落千斤頂行程，來實現(xiàn)荷載平穩(wěn)轉移，由于各支承點反力存在較大的差異，因此卸載時先對反力較大的測點進行一定比例的卸載，使結構內力局部重新分配，再繼續(xù)進行分步卸載，直至臨時支撐與桁架完全脫離[7].

1)先進行第四層懸挑部位中間8個支撐點的卸載，卸載量為5 mm；再進行懸挑部位兩邊4個支撐點的卸載，卸載量為10 mm；再進行中間8個支撐點的卸載，卸載量為10 mm.

2)每次卸載結束，結構靜止30 min，測量人員對桁架端頭、節(jié)點位置標高、桁架側向位移以及焊接部位進行檢查，沒發(fā)現(xiàn)問題方可進行下步卸載.

3)第四層卸載完成后，重復上述順序逐層由上向下進行第三層、第二層支撐架卸載，整體結構達到設計狀態(tài)卸載完畢.

4.4 監(jiān)測結果分析

通過對該體育館鋼結構施工進行監(jiān)測，考察了鋼結構卸載及后續(xù)施工過程中懸挑桁架附近構件及大懸挑支承點處的位移，得出監(jiān)測結論如下：

1)除頂層G號測點外，其余測點最大撓度值為-13 mm，小于允許撓度，因此可判斷結構整體剛度很好.

2)通過分析卸載過程中構件應力監(jiān)測結果，可發(fā)現(xiàn)卸載結束后測點最大應力值為36.8 MPa，遠遠小于鋼材的屈服強度，當前荷載下結構具有較高的安全儲備.

3)最頂層G號測點的同層相鄰3個測點的撓度均為-13 mm，與初測的撓度值-26 mm相差較大，復核后撓度為-15 mm，與相鄰測點的撓度值吻合較好，結果較為可信，可判定初測值是由于現(xiàn)場操作不當和測讀失誤造成.

5 結語

針對該體育館鋼結構工程的多層不對稱雙向大懸挑、大跨度等結構特點，應用高空分塊安裝的施工方案合理、高效，比原定工期縮短20 d.通過采取分步驟多次循環(huán)、微量下降卸載技術，使懸挑結構從施工狀態(tài)穩(wěn)步轉換到設計狀態(tài)，在臨時支撐完全卸載后澆筑桁架上弦處樓板,有效地減小了位于桁架上弦處混凝土樓板的拉力.監(jiān)測結果表明，懸挑結構安全可靠，施工質量良好，達到了設計要求的結構外觀效果.

該施工技術解決了施工過程中，鋼桁架豎向變形較大，吊裝過程穩(wěn)定性控制難度大，臨時支撐要求高等技術難題，同時進行施工過程應力位移的有效監(jiān)測，保證了整個施工過程的安全性.通過這次懸挑結構施工的探索和實踐，給此類多層雙向懸挑結構的施工積累了經(jīng)驗，為將來類似工程的施工提供了一定的參考.該施工過程通過理論計算并結合施工現(xiàn)場的實際情況，安全、高效地完成了雙向不對稱大懸挑鋼桁架的安裝施工，達到了“低成本、高效率”的目的，縮短了施工周期，保證了施工安全，提高了施工質量，降低了施工費用.為今后類似的鋼結構體育場的施工提供了寶貴的經(jīng)驗和方法，具有一定的參考價值和指導作用.