大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)跹b技術(shù)

吳輝

摘 要：懸挑鋼結(jié)構(gòu)是建筑施工的重要結(jié)構(gòu)部分，其施工每一環(huán)節(jié)的質(zhì)量都直接影響著后續(xù)工作。本文結(jié)合工程實(shí)例，針對(duì)大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)難點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了吊裝方案的選擇，最后就大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)跹b關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)模擬分析，保證了鋼結(jié)構(gòu)工程的順利施工。

關(guān)鍵詞：懸挑鋼結(jié)構(gòu)；吊裝；方案選擇；關(guān)鍵技術(shù)

隨著建筑施工技術(shù)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用十分廣泛。但鋼結(jié)構(gòu)的施工安裝還是困難施工人員的一大難題，主要表現(xiàn)為桁架柔性較大，易失穩(wěn)，變形控制困難，工期季節(jié)跨度引起的溫度應(yīng)力大等問(wèn)題。大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)工程的安裝重點(diǎn)是高空組對(duì)吊裝及就位安裝。下面，就結(jié)合具體工程實(shí)例，就大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)跹b技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 工程概況

某車站改造工程在原址基礎(chǔ)上實(shí)施整體擴(kuò)建改造，工程重點(diǎn)包括主站樓、站臺(tái)雨篷、廣場(chǎng)及地下通道4部分。站房工程采用高架車站，抗震設(shè)防烈度為8度，主體為大跨度懸挑結(jié)構(gòu)。

站房懸挑結(jié)構(gòu)位于站房高架層?xùn)|西兩端部位，東側(cè)為Ⅰ段懸挑結(jié)構(gòu)，西側(cè)為Ⅲ段懸挑結(jié)構(gòu)，中部為Ⅱ段高架層平臺(tái)。懸挑結(jié)構(gòu)由單片主桁架、單片次桁架、區(qū)塊次結(jié)構(gòu)及檁條組成，最大懸挑達(dá)28m，最小懸挑為2.3m。懸挑結(jié)構(gòu)之間由單片主桁架及區(qū)塊次結(jié)構(gòu)連接，單片主桁架長(zhǎng)度為9～12m（見(jiàn)圖1）。

2 施工技術(shù)難點(diǎn)

（1）施工條件復(fù)雜

在施工過(guò)程中，該車站一直保持運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，人流量大，同時(shí)⑦～⑩軸區(qū)域進(jìn)行地鐵通道的開(kāi)挖。因此施工條件復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法進(jìn)行支撐架的設(shè)置，同時(shí)大型起重機(jī)只能固定一處進(jìn)行安裝作業(yè)。

（2）構(gòu)件安裝角度大、質(zhì)量重，施工難度大

在安裝過(guò)程中，撐桿處于大角度狀態(tài)，且最大單重達(dá)10t左右，僅靠一個(gè)銷軸將單片桁架與支撐桿結(jié)合在一起，對(duì)安裝技術(shù)提出了很高的要求。

（3）構(gòu)件跨度大、柔性強(qiáng)、易失穩(wěn)

需吊裝的組合結(jié)構(gòu)最大28m，提升過(guò)程中極易失穩(wěn)，并且支撐桿與單片桁架只通過(guò)一個(gè)端部連接組成，在支撐桿的自由端未離地前，其支撐桿質(zhì)量會(huì)直接導(dǎo)致組合體不平衡而發(fā)生傾覆現(xiàn)象。

（4）安裝定位精度要求高

懸挑結(jié)構(gòu)尺寸變化復(fù)雜，中間大兩端小，節(jié)點(diǎn)繁多，若定位不準(zhǔn)將導(dǎo)致構(gòu)件在節(jié)點(diǎn)處無(wú)法正常安裝。為保證建筑效果，滿足受力要求，對(duì)安裝及定位要求精確。

（5）構(gòu)件拼裝難度大

鋼構(gòu)件尺寸大，且單片次桁架和斜撐桿間角度很大，施工場(chǎng)地?zé)o法滿足地面臥拼的要求，只能起吊后垂直拼裝。垂直拼裝難度較大，需精確對(duì)位才能使兩耳板相互嵌入。

3 吊裝方案選擇

（1）起重機(jī)選擇

本方案主要選擇2臺(tái)大型起重機(jī)進(jìn)行懸挑結(jié)構(gòu)的安裝，1臺(tái)500t履帶式起重機(jī)（主臂48m，副臂48m）和1臺(tái)130t汽車式起重機(jī)。500t履帶式起重機(jī)用于懸挑單片次桁架的安裝，而130t汽車式起重機(jī)主要用于懸挑結(jié)構(gòu)之間單片主桁架及區(qū)塊次結(jié)構(gòu)安裝。

懸挑單片次桁架最大質(zhì)量（含斜撐桿及索具質(zhì)量）為19.45t；單片主桁架最大質(zhì)量（含索具質(zhì)量）為4.9t。130t汽車式起重機(jī)在臂長(zhǎng)60m、作業(yè)半徑28m的工況條件下，起吊質(zhì)量達(dá)到5.9t，大于起吊物4.9t的要求；500t履帶式起重機(jī)在主臂48m、副臂48m、作業(yè)半徑50m的工況條件下，起吊質(zhì)量達(dá)到21.4t，大于起吊物19.45t的要求，起重機(jī)性能均滿足施工要求。

（2）行走路線

由于場(chǎng)地限制，500t履帶式起重機(jī)只能站位于⑥，11軸交A軸以東12m、交V軸以西12m處進(jìn)行安裝作業(yè)，則履帶式起重機(jī)將沿施工道路行走至指定吊裝地點(diǎn)即可。而130t汽車式起重機(jī)則根據(jù)懸挑結(jié)構(gòu)安裝順序進(jìn)行移位。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

（1） 安裝步驟

整體懸挑結(jié)構(gòu)平面上在南北兩側(cè)的懸挑長(zhǎng)度最小，為無(wú)撐桿三角懸挑次桁架，懸挑長(zhǎng)度較小，安裝難度小，易于首先形成剛性區(qū)域，能為后續(xù)的安裝工作提供可靠支撐，所以整體安裝原則上應(yīng)選用一側(cè)向另一側(cè)順序進(jìn)行。進(jìn)行懸挑次桁架的安裝時(shí)，應(yīng)同時(shí)完成檁條的裝配工作，保證懸挑結(jié)構(gòu)在安裝時(shí)的穩(wěn)定性。

懸挑結(jié)構(gòu)的安裝順序?yàn)椋?6軸三角懸挑次桁架安裝（不含撐桿）→15軸單片懸挑次桁架安裝（不含撐桿）→15～16軸間主桁架及檁條安裝→14瑏瑤軸單片懸挑次桁架安裝→14～15軸間主桁架及檁條安裝……→②～③軸間主桁架及檁條安裝→①軸三角懸挑次桁架安裝（不含撐桿）→①～②軸間主桁架及檁條安裝。

（2） 深化設(shè)計(jì)

車站懸挑結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式眾多，尺寸各異，包括不同型號(hào)的單片次桁架、撐桿、單片主桁架、區(qū)塊次結(jié)構(gòu)、H型鋼梁、封邊箱形梁和拉索上百種，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，增加了施工的難度。針對(duì)上述特點(diǎn)，對(duì)每個(gè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，確保節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確及復(fù)雜組合構(gòu)件吊點(diǎn)的計(jì)算。

（3） 吊點(diǎn)設(shè)置

懸挑單片次桁架與斜撐桿在起吊過(guò)程中，需逐步調(diào)整夾角至設(shè)計(jì)角度。調(diào)整期間整體構(gòu)件尚未離地，其相對(duì)位置的改變及地面支撐作用的不同導(dǎo)致組合體重心變化，吊點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在角度形成后組合體的重心處。為準(zhǔn)確確定吊點(diǎn)位置及索具長(zhǎng)度，充分利用CAD實(shí)體求出構(gòu)件重心，采用此方法不僅計(jì)算簡(jiǎn)單，且較為準(zhǔn)確。吊點(diǎn)均采用鋼絲繩綁扎的形式，其形式有吊裝鋼絲繩直接綁扎或鋼絲繩套繩加卸扣綁扎。

（4） 組合體拼裝

懸挑單片次桁架與斜撐桿應(yīng)組成一個(gè)組合體同時(shí)起吊，由于無(wú)法采用地面臥拼的方式，因此依據(jù)已選起重機(jī)方案，采用在起吊過(guò)程中垂直拼裝的方法。具體做法為：根據(jù)撐桿與單片桁架之間的夾角事先設(shè)置馬凳，將斜撐桿一端通過(guò)汽車式起重機(jī)吊至馬凳上，并保持斜撐桿耳板開(kāi)口朝上，再將懸挑單片次桁架吊至已放置好的撐桿上方精確對(duì)正后垂直下落，使桁架耳板插入斜撐桿耳板內(nèi)，當(dāng)耳板對(duì)接好后，保持銷軸孔對(duì)齊，然后將銷軸穿入其中，隨即完成拼裝工作（見(jiàn)圖2）。endprint

（5）大角度組合體吊裝技術(shù)

起吊時(shí)組合體中桁架和斜撐桿間的夾角很小，需要在提升過(guò)程中逐步調(diào)整，直至形成設(shè)計(jì)角度。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)條件及設(shè)計(jì)要求，選用10t手拉葫蘆固定組合體的尾部并調(diào)整其張拉角，鋼絲繩長(zhǎng)度根據(jù)角度要求設(shè)置，約比設(shè)計(jì)要求長(zhǎng)50cm，具體做法為：將斜撐桿的尾部與桁架尾部通過(guò)鋼絲繩套和手拉葫蘆綁牢后，慢慢起吊次桁架，尾部則隨著手拉葫蘆固定的長(zhǎng)度在提升過(guò)程中放長(zhǎng)，最終使斜撐桿調(diào)整至要求的安裝角度，組合體的安裝角度大致形成。

當(dāng)該組合體吊至設(shè)計(jì)安裝位置后，先把斜撐桿與混凝土柱上的預(yù)埋件通過(guò)銷軸連接固定，再通過(guò)起重機(jī)下鉤的過(guò)程使組合體中單片次桁架上弦桿及下弦腹桿與原結(jié)構(gòu)桁架對(duì)接，同時(shí)在懸挑單片次桁架懸挑端部用纜風(fēng)繩調(diào)節(jié)側(cè)向位移，并起到臨時(shí)固定作用。最后，將次桁架上、下弦桿同時(shí)進(jìn)行焊接，焊接作業(yè)完成后，才能松鉤。

（6）組合體穩(wěn)定性保證

在組合體起吊初期，支撐桿的自由端尚未離地前，撐桿質(zhì)量集中于單片桁架懸挑端部，斜撐桿與單片次桁架的夾角不斷改變，致使組合體重心位置不斷變化。為防止組合體質(zhì)量不均勻引起的不水平或傾覆現(xiàn)象發(fā)生，增用25t汽車式起重機(jī)在懸挑端部配合起吊，以保證組合結(jié)構(gòu)的平衡。起吊過(guò)程中履帶式起重機(jī)和汽車式起重機(jī)需保持同步協(xié)調(diào)，待組合體的角度完全形成后方可松鉤。

（7）纜風(fēng)繩設(shè)置

組合體起吊至設(shè)計(jì)位置而尚未安裝檁條前，懸挑端部處于不穩(wěn)定狀態(tài)，特別是端部側(cè)向位移難以控制。次桁架受風(fēng)荷載及起重機(jī)影響，產(chǎn)生強(qiáng)烈晃動(dòng)而偏離設(shè)計(jì)軸線，給結(jié)構(gòu)的精確對(duì)位及上下弦桿的焊接安裝造成很大困難。為保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的臨時(shí)穩(wěn)定，同時(shí)方便焊接施工，在組合體懸挑端設(shè)置纜風(fēng)繩，纜風(fēng)繩上設(shè)置手拉葫蘆，通過(guò)兩側(cè)的手拉葫蘆調(diào)節(jié)懸挑單片次桁架懸挑端的側(cè)向位移，使桁架端部到達(dá)設(shè)計(jì)安裝位置，同時(shí)纜風(fēng)繩在H型鋼梁安裝以前起到臨時(shí)固定的作用。

（8）施工測(cè)量控制

施工測(cè)量控制主要為懸挑結(jié)構(gòu)，包括40個(gè)懸挑次桁架懸挑端部的安裝標(biāo)高和側(cè)向位移。將全站儀架設(shè)在對(duì)應(yīng)的軸線延伸線位置上，以長(zhǎng)邊控制短邊的測(cè)量原則，將桁架弦桿控制在對(duì)應(yīng)的軸線上方，通過(guò)端部的纜風(fēng)繩條件，即可控制桁架的側(cè)向位移。

5 施工過(guò)程模擬及仿真驗(yàn)算

（1） 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

懸挑桁架吊裝驗(yàn)算采用有限元軟件SAP200012.01進(jìn)行計(jì)算。由于結(jié)構(gòu)在南北方向?qū)ΨQ分布，且中部的懸挑桁架懸挑量最大，即⑧軸和⑨軸的桁架為整個(gè)結(jié)構(gòu)中的最危險(xiǎn)部位，因此計(jì)算中只選?、噍S懸挑桁架進(jìn)行應(yīng)力和變形的驗(yàn)算復(fù)核。

（2）結(jié)構(gòu)吊裝應(yīng)力驗(yàn)算

結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)只考慮自重荷載，并取吊裝動(dòng)力系數(shù)為1.2。組合體在自重和兩點(diǎn)集中提拉荷載作用下的桿件應(yīng)力比柱狀圖如圖3所示。

有限元分析軟件較為精確地計(jì)算了吊裝過(guò)程中各桿件的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果顯示，大部分桿件的應(yīng)力比<0.1，只有3根桿件的應(yīng)力比>0.2，結(jié)構(gòu)吊裝桿件的最大應(yīng)力比為0.262，遠(yuǎn)小于桿件的設(shè)計(jì)承載力，滿足結(jié)構(gòu)吊裝安全要求。

（3） 結(jié)構(gòu)吊裝變形驗(yàn)算

⑧軸上桁架的懸挑量達(dá)28m，起吊跨度達(dá)15.7m，是本工程中吊裝的最大組合結(jié)構(gòu)，因此需對(duì)其進(jìn)行吊裝變形驗(yàn)算，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和施工過(guò)程的安全。

由有限元軟件依次計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的變形位移并將結(jié)果對(duì)比可知，最大變形發(fā)生在此桁架與斜撐桿的連接處。計(jì)算結(jié)果顯示，組合結(jié)構(gòu)中梁構(gòu)件相連的12號(hào)節(jié)點(diǎn)最大豎向位移為17.03mm，最大相對(duì)撓度為3.7mm，吊裝最大跨度為15721mm，3.7/15721=1/4249，滿足結(jié)構(gòu)吊裝安全要求。

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，本大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)安裝工程的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)可行，工程的質(zhì)量、進(jìn)度及安全效果良好，均達(dá)到了預(yù)定的目標(biāo)，并受到了社會(huì)各方的贊譽(yù)，維護(hù)了企業(yè)的良好形象和信譽(yù)。希望本工程能為類似工程的施工起到拋磚引玉的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

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