大型鋼結(jié)構(gòu)預埋件懸吊定位安裝支撐體系設計與應用

王峰

【摘要】目前在大型鋼結(jié)構(gòu)安裝工程中，預埋件安裝是影響整體鋼結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量的一個至關(guān)重要的因素。傳統(tǒng)做法對大型預埋件在混凝土澆筑前及澆筑過程中都很難控制其施工質(zhì)量，由于不確定情況多發(fā)，容易導致預埋件預埋安裝質(zhì)量偏差較大，給鋼結(jié)構(gòu)安裝造成隱患。如何改進并推廣新的預埋件支撐體系，來消除傳統(tǒng)工藝的弊病，并且提高工作效率、減少傳統(tǒng)工藝能耗，成為一個新的課題。

【關(guān)鍵詞】大型鋼結(jié)構(gòu)埋件；大型鋼結(jié)構(gòu)桁架工程；預埋件懸吊定位支撐體系

1、引言

經(jīng)過長期的實踐革新，鋼結(jié)構(gòu)工程所涉及的技術(shù)、材料、工藝在大型建筑場館建設中得到了更新、發(fā)展和廣泛應用。其中鋼結(jié)構(gòu)工程與混凝土結(jié)構(gòu)工程中配合及精準化安裝形成的傳統(tǒng)做法，逐漸被新型材料、新技術(shù)、新工藝、新設計理念所代替。下面以阿爾及利亞奧蘭40000座多功能體育場大型桁架穹頂鋼結(jié)構(gòu)工程為例，闡述在混凝土結(jié)構(gòu)中，一種新的預埋件安裝體系，即大型鋼結(jié)構(gòu)預埋件懸吊定位支撐體系及工藝。

2、工程概況

該體育場位于阿爾及利亞奧蘭市郊，規(guī)模為可容納40000座位的多功能體育場館?？磁_以下為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上層為72榀大型桁架結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)圓形穹頂建筑形式。桁架結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)連接方式采用鋼筋混凝土柱內(nèi)預埋大型鋼結(jié)構(gòu)預埋件焊接連接方式連接，桁架根部與鋼筋混凝土柱的接合處即為預埋件預埋位置（如圖2、圖3）。在混凝土結(jié)構(gòu)施工時桁架預埋件安裝工作成為一項專項控制課題，預埋件安裝的精準程度，將直接影響后續(xù)橫加安裝的質(zhì)量。針對這個課題，該項目摒棄了原有傳統(tǒng)施工方法，創(chuàng)新設計了一套新的大型鋼結(jié)構(gòu)預埋件懸吊定位安裝支撐體系，該體系有施工工藝簡單、安裝精度高、成本低和工作效率高等優(yōu)點。

3、懸吊定位安裝支撐體系方案設計

3.1設計條件

（1）鋼結(jié)構(gòu)預埋件均為大體積、高重量、預埋件在鋼筋混凝土結(jié)柱內(nèi)；

（2）保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不受影響，給預埋件提供一個穩(wěn)固的嵌入柱內(nèi)的環(huán)境，同時應確保預埋件位置的準確性；

（3）保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱的鋼筋不受到破壞；

（4）保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱的觀感；

（5）能改善傳統(tǒng)工藝帶來的一系列弊病，并且優(yōu)化施工工藝，提高施工效率，節(jié)能降耗。

依據(jù)設計條件，該設計方案定型為大體積預埋件懸吊定位支撐體系。

3.2設計實例應用展示

按照支撐受力變形必須滿足預埋件位移的要求，支撐體系材料選擇為輕型鋼結(jié)構(gòu)體系。為了實現(xiàn)預埋件安裝過程中可以規(guī)律性調(diào)整位置的功能，對該支撐體系進行可調(diào)節(jié)的機械化設計，滿足了安裝及結(jié)構(gòu)澆筑時，可隨時性調(diào)整預埋件位置的要求。其效果展示見（圖4，圖5）

3.3結(jié)構(gòu)構(gòu)造及機械調(diào)節(jié)設計

3.3.1件技術(shù)參數(shù)介紹：

本工程G軸線柱柱內(nèi)預埋大型鋼結(jié)構(gòu)預埋件，柱截面尺寸為：2740x1400mm。預埋件分為，上弦預埋件和下弦埋件，上弦預埋件尺寸（mm）：800x580x2100，重量：0.98t；下弦預埋件尺寸（mm）：800x580x1030，重量：0.86t。節(jié)點A為下弦預埋件位置，節(jié)點B為上弦預埋件位置。

3.3.2預埋件安裝環(huán)境的介紹：

根據(jù)業(yè)主的工程質(zhì)量控制文件要求，預埋件安裝不允許在鋼筋砼柱內(nèi)埋設固定預埋件的支撐定位支架，避免影響混凝土結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量。因此在4m高柱內(nèi)下設預埋件存在多方面困難，具體體現(xiàn)在：（1）預埋件體積大，在柱內(nèi)空間定位尺寸難控制；（2）結(jié)構(gòu)柱鋼筋布置很密，鋼筋不能割斷和有焊點，安裝預埋件及控制其位置困難；（3）預埋件重量重，校準預埋件位置并固定難度很大；（4）使用傳統(tǒng)施工工藝，潛在的質(zhì)量控制漏洞無法避免，質(zhì)量偏差大；（5）加固過程對工人素質(zhì)要求過高，無法實現(xiàn)推廣性的施工；（6）隨機性因素增多，材料損耗大。

3.3.3預埋件懸吊定位支撐體系的設計

由于不允許在鋼筋混凝土柱內(nèi)埋設固定預埋件的支撐定位支架，不允預埋件采用焊接方式固定等條件限制，鋼結(jié)構(gòu)桁架預埋件的安裝只能采用懸掛式的定位方式；以此為出發(fā)點進行了此設計，構(gòu)造形式及節(jié)點設計如圖8、9、10。

該定位支撐體系應用及特點：（1）可進行X軸Y軸Z軸三維立體定位，既，三維空間定位，滿足桁架焊接對預埋件的定位精度；（2）支架懸吊埋件，采用螺栓緊固，保證預埋件在砼柱內(nèi)的固定要求，滿足砼澆筑施工時結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定；（3）架體構(gòu)造簡單，定位調(diào)整單元使用操作簡便，架體可拆卸、周轉(zhuǎn)使用，制作成本低。安裝及配合施工效率高，提高生產(chǎn)效能。

3.3.4支撐體系使用材料

以100×48×5.3mmQ235槽鋼為主材，￠20普通螺栓、12mmQ235鋼板為輔材。

3.3.5支撐體系中ZXY三維機械調(diào)節(jié)單元系統(tǒng)設計

該支撐體系，可以實現(xiàn)預埋件位置三維調(diào)整的構(gòu)造布局，主要設置在該支撐體系的頂部懸吊桿件區(qū)域，共計有Z向調(diào)節(jié)單元、X向調(diào)節(jié)單元、Y向調(diào)節(jié)單元。

該調(diào)節(jié)單元主要依靠調(diào)節(jié)可移動的螺栓，以便構(gòu)件位移，來實現(xiàn)預埋件水平及垂直方向的移動，進而通過移動調(diào)整保證預埋件的正確位置，就位后經(jīng)儀器觀測位置無誤，在旋轉(zhuǎn)螺栓緊固。該過程輔助以水平尺、全站儀、卷尺、吊墜等工具，觀測預埋件的水平及垂直度是否達標，在安裝及結(jié)構(gòu)澆筑過程中隨時發(fā)現(xiàn)偏差，以便隨時調(diào)節(jié)。

3.4預埋件懸吊定位支架的結(jié)構(gòu)驗算

3.4.1預埋件定位支架驗算：

（1）選取受力最大一榀定位支架進行驗算，其受力簡圖如下圖所示：

其中：活荷載q1=埋件1自重/4=9.8/4= 2.45kN

活荷載q2=埋件2自重/4=8.6/4=2.15kN

經(jīng)PKPM計算軟件進行建模計算，各桿件應力比如下圖所示：

其中：柱左：強度計算應力比，柱右上：平面內(nèi)穩(wěn)定應力比（對應長細比）， 柱右下：平面外穩(wěn)定應力比（對應長細比）；

梁左上：上翼緣受拉時截面最大應力比，梁左下：下翼緣受拉時截面最大應力比，梁右下：剪應力比。

（3）預埋件定位支架鋼梁的撓度如下圖所示：

（4）結(jié)論：通過計算可知，各桿件應力比均小于1，長細比均小于150，鋼梁撓度小于3mm，各項參數(shù)均滿足設計要求。

3.4.2預埋件定位支架上可移動鋼梁驗算：

（1）鋼梁計算簡圖如下圖所示：

其中：活荷載q1=埋件1自重/4=9.8/4= 2.45kN

施工活荷載q2=1.0kN

（2）經(jīng)PKPM計算軟件進行建模計算，鋼梁應力比如下圖所示：

其中：梁上：強度計算應力比=強度計算應力/強度設計值；

梁左下：穩(wěn)定計算應力比=穩(wěn)定計算應力/強度設計值；

梁右下：抗剪強度計算應力比=計算剪應力/抗剪強度設計值。

（3）鋼梁撓度計算如下圖所示：

（4）結(jié)論：通過上述計算可知，鋼梁應力比小于1，鋼梁撓度小于3mm，各項參數(shù)均滿足設計要求。

4、預埋件支撐體系在施工過程中的應用

4.1支撐體系配合預埋件安裝的施工工藝流程

該工藝流程，在初步安裝環(huán)節(jié)之前的工序，與傳統(tǒng)工藝大致相同。主要不同點在于該工藝后半部分，摒棄了傳統(tǒng)工藝繁瑣而且不利于集中管理的分散工序。新增了懸吊式預埋件定位支撐架體安裝及控制預埋件位置的工序。新增工序簡單明確，便于管理和檢測。工藝中增加了在混凝土澆筑過程中的質(zhì)量糾偏程序，有效加強了預埋件安裝及施工的過程管理，使得預埋件安裝質(zhì)量及追溯性監(jiān)控得以保障和落實。

4.2定位支撐體系加工及安裝要求

（1）切割、焊接后采用打磨的方式保證零件、構(gòu)件平整度，許偏差±3mm。

（2）構(gòu)件下料允±3mm。槽鋼對焊后，安裝架梁采用立面放置“【】”型焊接槽鋼保證支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4.3支撐體系安裝要點

在完成預埋件吊裝過程后，按照設計要求預埋件在柱中的尺寸位置，采用預埋件懸吊定位支撐支架結(jié)構(gòu)中的調(diào)節(jié)單元，通過ZXY三個調(diào)節(jié)單元將預埋件進行精準并且微調(diào)定位。如圖22所示：

（1）XY（水平）方向位置調(diào)整：調(diào)整移動類似②、③節(jié)點及節(jié)點對應的水平桿件，在松動螺栓后，通過桿件水平移動，來調(diào)整預埋件在結(jié)構(gòu)截面中的位置。在位置得到校準核對正確后，緊固螺栓固定預埋件水平方向在結(jié)構(gòu)內(nèi)位置。

（2）Z（垂直）方向位置調(diào)整：分別調(diào)整①節(jié)點上下兩排螺栓，依靠螺栓緊固過程中上下移動，帶動定型鋼板掛件上下移動，使得預埋件也跟隨移動。這個調(diào)整過程可以微調(diào)預埋件垂直方向位置，另外也可以通過調(diào)整垂直而微調(diào)預埋件水平度。

上述操作過程是觀測及調(diào)整階段主要的操作要點，通過上述兩步，該預埋件懸掛定位支撐體系所特有的機械性三維調(diào)整單元，其工作內(nèi)容展現(xiàn)的淋漓盡致。另外在混凝土澆筑階段還可以實現(xiàn)過程控制，需要調(diào)整時也可以通過調(diào)整單元，使得預埋件位置得到有效的過程調(diào)整，這也恰恰展現(xiàn)出該工藝在質(zhì)量控制方面實現(xiàn)“事中控制”的獨到特征，優(yōu)化和加強了質(zhì)量管理在施工過程中的落實。

可概括的歸納上述懸吊式預埋件定位支撐系統(tǒng)的調(diào)節(jié)步驟及要點：“架體穩(wěn)定是第一、調(diào)節(jié)調(diào)整要仔細、先調(diào)水平后垂直、輔助工具照舊齊、一次就位不算完、還要過程觀察全、需要調(diào)整繼續(xù)來、重復微調(diào)可實現(xiàn)?！?/p>

4.4質(zhì)量管理

4.4.1質(zhì)量管理要求

⑴支撐體系制作時，根據(jù)預埋件重量進行支架結(jié)構(gòu)計算來選擇型鋼材料規(guī)格，避免因預埋件重量產(chǎn)生材料變形的位移偏差，考慮經(jīng)濟效果，盡可能選擇承重后變形不超過允許范圍內(nèi)的型鋼材料。

⑵制作體系焊接過程中，盡可能選擇使得桿件變形小的焊接方式焊接。

⑶安裝體系時，架體就位后嚴格按照預埋件支撐系統(tǒng)調(diào)整要點進行調(diào)整。

⑷使用調(diào)節(jié)單元調(diào)整預埋件位置過程中，使用全站儀全程觀測預埋件主控位置在測量控制網(wǎng)中的位置偏差，以便調(diào)整的準確性。

⑸位置調(diào)整就位后，認真檢查各緊固單元是否緊固到位，落實各協(xié)作項目管理部門之間的簽審制度，實現(xiàn)各工序交接手續(xù)的過程落實。

⑹在混凝土澆筑時，全程觀測預埋件隱蔽階段位移變形狀況，發(fā)現(xiàn)偏差，在澆筑過程中隨時調(diào)整，保證過程糾偏工作的落實。消除隱蔽過程中擾動因素的影響，保證最終預埋件安裝質(zhì)量。

⑺架體拆除時，要求按照“先搭后拆”的原則進行拆除。對各調(diào)節(jié)單元進行注油潤滑保養(yǎng)，以便周轉(zhuǎn)使用。杜絕使用撬棍等工具強行拆除，若發(fā)現(xiàn)支架因碰撞等原因造成變形，立即采取恢復性措施復位。

4.4.2質(zhì)量管理成果統(tǒng)計

該工程在使用預埋件懸吊定位支撐體系應用后，對72榀桁架其中1個施工段的8個柱基礎內(nèi)預埋件安裝偏差穩(wěn)定情況統(tǒng)計如下：

經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，預埋件位置安裝及隱蔽施工成果比較穩(wěn)定，2榀偏差均在0.5mm范圍內(nèi)，滿足設計允許偏差±0.5mm的要求。6榀無偏差，反映出該預埋件懸吊定位支撐體系在質(zhì)量控制的準確性上較高。

5、預埋件懸吊定位支撐體系與傳統(tǒng)工藝的優(yōu)缺點

5.1傳統(tǒng)工藝

傳統(tǒng)預埋件安裝加固方式，普遍依照現(xiàn)場模板安裝時附帶鋼管加固、砼內(nèi)設置鋼

支架加固、附加鋼筋加固，在定位時采用附加鋼管、鋼架、鋼筋以預埋方式永久固定在結(jié)構(gòu)內(nèi)，期間避免不了焊接固定在受力鋼筋上的情況，焊接技術(shù)對結(jié)構(gòu)鋼筋造成規(guī)范不允許的損傷，也存在對原有結(jié)構(gòu)設計造成影響，材料浪費率很大。這種方式僅是經(jīng)驗性方式，而且在精準預埋控制時容易出現(xiàn)大的偏差，在結(jié)構(gòu)澆筑砼過程中無法在進行二次或三次復位性微調(diào)，僅只能在預埋件安裝時調(diào)整到位，之后無法實現(xiàn)再次調(diào)整，缺少過程中監(jiān)控調(diào)整的辦法，無法實現(xiàn)質(zhì)量控制中的“事中控制”的質(zhì)量控制方法，容易出現(xiàn)過程中擾動造成的偏差無法調(diào)整的情況。

另外，傳統(tǒng)工藝對人員技能素質(zhì)的依賴程度很大，所以現(xiàn)場質(zhì)量及技術(shù)要求的落實隨機性增強，給不遇見性的質(zhì)量風險增大了發(fā)展空間，這對于安裝預埋件精準的要求非常不利?，F(xiàn)有經(jīng)驗性安裝預埋件的技術(shù)無法為大型鋼構(gòu)安裝提供可靠的預埋件安裝技術(shù)保障，也容易使后期大型桁架安裝發(fā)生接口對接偏差的風險。大型預埋件重量較大，傳統(tǒng)工藝無法完成有效過程中微調(diào)，不利于安裝質(zhì)量控制。最后傳統(tǒng)工藝使用的材料無法實現(xiàn)周轉(zhuǎn)性安裝，操作效率低及成本高，不利于現(xiàn)場管理，對安裝過程無法實現(xiàn)有效的可追溯性控制。

5.2預埋件懸吊定位支撐體系

通過使用預埋件懸吊定位支撐體系，有效控制了大型預埋件的傳統(tǒng)工藝做法的通病，消除大型預埋件安裝及過程控制中易產(chǎn)生偏差的不利因素。大型預埋件懸吊定位支撐體系加工和成品安裝操作簡便易懂，材料全部為定型構(gòu)架便于現(xiàn)場運輸、安裝。所有材料的加工可以可按照模數(shù)需求在專業(yè)加工工廠集中生產(chǎn)，對施工現(xiàn)場的場地要求小，并且安裝過程中可以無數(shù)次周轉(zhuǎn)，有利于施工現(xiàn)場管理和材料節(jié)約。該體系采用的懸吊定位支撐體系均為定型鋼構(gòu)，采用機械性三維調(diào)整單元調(diào)整位置偏差，無論在安裝預埋件及模板過程中，還是結(jié)構(gòu)澆筑砼隱蔽作業(yè)時，預埋件出現(xiàn)偏差都能夠?qū)崿F(xiàn)有效的調(diào)整，減少了材料損耗并提高了安裝效率、有效地控制成本和資源流失，也實現(xiàn)了施工過程中對預埋件質(zhì)量的控制。該工藝操作簡便易懂，稍加對工人進行培訓，均可以熟練操作，有效的規(guī)避了對人員素質(zhì)的高度要求，降低了人為因素對質(zhì)量要求的影響，成功地縮短了安裝時間，保證了預埋件安裝質(zhì)量。

結(jié)束語：

經(jīng)過奧蘭實踐證明，使用大型預埋件懸吊定位支撐體系，進行預埋件安裝定位及隱蔽施工，大大提高了預埋件安裝質(zhì)量。在施工應用方面優(yōu)化了施工工藝，加速了施工效率，規(guī)避了傳統(tǒng)工藝帶來的一系列弊病和缺陷，為下一道工序提供了優(yōu)質(zhì)可靠的質(zhì)量環(huán)境，保證了施工的最終質(zhì)量。在管理方面系統(tǒng)化管理程序，有效的將各個管理職能部門聯(lián)系起來，形成了一套專項施工的管理模式，為目標管理提供了最直觀的管理工具，管理落實工作可追溯性強。在節(jié)能降耗方面，避免了傳統(tǒng)工藝施工的材料浪費等缺陷，實現(xiàn)周轉(zhuǎn)利用，節(jié)約了資源。該體系不僅適用于本工程，也可以在其它類似工程中推廣應用。

參考文獻：

[1]鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范GB50017-2003.

[2]鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范GB50755-2012.

[3]鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范GB50205-2001.