超重大跨度鋼桁架安裝施工方法創(chuàng)新

孫清梅（浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ，浙江 東陽 322100）

1 工程概況

本工程建筑面積為147853.41m2，地下二層，地上四十三層。主體結(jié)構(gòu)為混凝土框架+核心筒結(jié)構(gòu)。主樓建筑高度為193.7m。裙房部分區(qū)域設(shè)勁性梁柱結(jié)構(gòu)，裙房建筑高度30.90m，會議廳屋頂采用大跨度鋼梁雙向受力體系。勁性梁最大截面為H900m×300m×12m×40m，勁性柱最大截面為H 550m×500m×24m×34m。會議廳屋面大跨度鋼梁最大跨度約35.6m，主梁截面采用H1850m×350m×26m×26m。本工程鋼材材質(zhì)為Q420C，會議廳屋頂樓板采用鋼筋桁架樓承板組合樓板結(jié)構(gòu)。工程的特點(diǎn)是跨度大：裙房會議廳最大跨度約35.6m；難點(diǎn)是主梁采用H1850×350×26×26，外框鋼柱采用Q420C。

2 施工重難點(diǎn)分析

2.1 厚板焊接

本工程鋼構(gòu)件最厚板厚為40mm，材質(zhì)為Q420C，厚板在焊接過程中容易產(chǎn)生根部缺陷，丁字和十字接頭容易產(chǎn)生層狀撕裂；焊后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力比較大，所以在制作各階段執(zhí)行合理的工藝措施，控制與消減殘余應(yīng)力，防止裂紋的產(chǎn)生，成為本工程的重點(diǎn)之一。層狀撕裂主要是在焊接過程中產(chǎn)生的，多發(fā)生在角接頭、T形或十字接頭的熱影響區(qū)或遠(yuǎn)離熱影響區(qū)的母材金屬中，裂紋呈階梯狀，基本平行于鋼板軋制表面。

2.2 宴會廳屋頂大跨度梁吊裝

本工程宴會廳屋頂鋼梁最大截面為H1850m×350m×26m×26m，跨度35m。鋼梁的跨度較大，重量較大，塔吊及汽車吊不能滿足吊裝的要求。

2.3 施工場地緊張

本工程設(shè)2層地下室，現(xiàn)場基坑外場地非常狹小，施工現(xiàn)場四周建筑都已形成，用于本工程現(xiàn)場施工臨時的建筑空地幾乎為零，尤其地下室施工時基本沒有鋼結(jié)構(gòu)材料堆放場地，地上結(jié)構(gòu)施工時，大量的鋼構(gòu)件進(jìn)場后，材料須堆放到地下室頂板，如何進(jìn)行材料堆放管理及協(xié)調(diào)是工程的重點(diǎn)。

2.4 超高層鋼-混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中的混凝土核心筒與外框鋼結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)處理

隨結(jié)構(gòu)的不斷增高，混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)變形不斷增大，變形的絕對值也比較大，而且混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)之間的變形并不同步，如何協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)之間的變形差異，并確保施工階段的結(jié)構(gòu)變形不至于影響結(jié)構(gòu)的安全和工程竣工后的使用功能，也是我們考慮的施工重點(diǎn)。

3 選題理由

3.1 本工程質(zhì)量目標(biāo)確保錢江杯，爭創(chuàng)“魯班獎”

本工程安全目標(biāo)：達(dá)到金華市行政主管部門有關(guān)“金華市標(biāo)化工地”及安全文明施工的有關(guān)規(guī)定，爭創(chuàng)“浙江省標(biāo)化工地”。

3.2 跨度大

1#樓鋼梁主梁1-D軸線（寬度34m），1-C軸線（跨度34m）之間，1-F軸線（跨度34m），本工程鋼梁與柱跨度大，柱重量大，鋼結(jié)構(gòu)，重量重，1#樓鋼桁架單跨梁重量為23T，工廠分段制作。整體鋼梁重量為180.76T，支承點(diǎn)少，安裝高度大，高空作業(yè)量大。由于施工場地限制較多，會議室桁架屋面在裙房的東南角，臨近市政道路，場地狹窄，吊裝視野不夠開闊。工期緊，任務(wù)重，不允許出現(xiàn)返工及貽誤工期現(xiàn)象。能否成功按計(jì)劃完成鋼結(jié)構(gòu)吊裝，是該項(xiàng)工程建設(shè)的關(guān)鍵。

3.3 厚板焊接可以解決

1）對層狀撕裂的產(chǎn)生機(jī)理和危害性進(jìn)行認(rèn)識與重視，根據(jù)構(gòu)件受力分析，對焊接接頭的拘束度分析、殘余應(yīng)力分析、層狀撕裂傾向分析，進(jìn)而制定針對性的工藝并進(jìn)行貫徹實(shí)施。

2）嚴(yán)把材料關(guān)，即保證材料的Z向性能，并在焊接前對母材焊道中心線兩側(cè)各2倍板厚加30mm的區(qū)域進(jìn)行超聲波探傷檢查。

3）厚板焊接坡口形式優(yōu)選雙面坡口形式，并對單面坡口進(jìn)行了優(yōu)化，降低了熱輸入量。嚴(yán)格坡口加工精度，利于層狀撕裂的防止。

4）對Q420C材料進(jìn)行全面的焊接性試驗(yàn)及工藝試驗(yàn)，對本工程構(gòu)件制作中涉及的板厚及接頭形式進(jìn)行焊接工藝評定。

5）厚板焊接采取多層多道焊，焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度不小于100℃，層間溫度150～200℃，焊后保溫緩冷。

6）通過合理的裝配和焊接順序，以及控制、消減殘余應(yīng)力措施減少焊接殘余應(yīng)力，減小拘束度，以利于層狀撕裂的防止。

3.4 施工場地緊張問題的解決

1）根據(jù)現(xiàn)場及周邊的施工環(huán)境科學(xué)合理的設(shè)計(jì)施工總平面布置方案以及鋼結(jié)構(gòu)安裝方案。

2）進(jìn)行了周密的運(yùn)輸及現(xiàn)場安裝進(jìn)度計(jì)劃編排，確?，F(xiàn)場供貨的及時性、合理性并確保符合現(xiàn)場施工需求。

3）宴會廳屋頂大跨度鋼框梁隨到隨吊，小梁則在設(shè)置塔吊附近堆場堆置。

3.5 超高層鋼-混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中的混凝土核心筒與外框鋼結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)處理的解決

1）調(diào)整結(jié)構(gòu)的施工順序，根據(jù)國內(nèi)許多權(quán)威研究機(jī)構(gòu)所知，本工程的結(jié)構(gòu)中筒體由于混凝土的徐變和干縮產(chǎn)生的豎向非彈性變形約占總變形的65%以上，由于混凝土的徐變和干縮是個時間的參變量函數(shù)，故可以通過控制混凝土筒體和外鋼框鋼結(jié)構(gòu)的施工時間差來調(diào)整。

2）調(diào)整鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的安裝方法，如當(dāng)梁柱采用剛性連接時，可采用的方法為：先用高強(qiáng)度螺栓將H型梁的腹板與柱連接牢固，隔一斷時間后，視施工流程的需要，再將梁的上下翼緣焊牢，即采取先鉸后剛的特殊施工工藝。

由此可以看出宴會廳屋頂大跨度梁吊裝是要解決的主要問題。

4 目標(biāo)和可行性分析

4.1 目標(biāo)

選用一種滿足質(zhì)量、安全、工期及經(jīng)濟(jì)的鋼梁安裝方法，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全。桁架安裝完成時，符合施工規(guī)范要求，一次驗(yàn)收合格，確保安裝質(zhì)量合格率達(dá)到87%。

4.2 可行性分析

1）本工程由金華建筑設(shè)計(jì)院有限公司設(shè)計(jì)，同時具備鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)深化設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。

2）公司選派具有多年開展施工經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員與項(xiàng)目部人員一起成立研究小組，小組人員新老結(jié)合，具有很強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，并由項(xiàng)目執(zhí)行經(jīng)理任組長。

3）由公司總工程師虞功平對該工程的施工進(jìn)行指導(dǎo)，選擇有類似經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)施工隊(duì)伍。監(jiān)理單位技術(shù)人員對該部位細(xì)部的施工提出了寶貴的意見。

綜上所述，設(shè)定的目標(biāo)是可行的。

5 方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)桁架安裝完成時，符合施工規(guī)范要求，一次驗(yàn)收合格，確保安裝質(zhì)量合格率達(dá)到87%的目標(biāo)要求，制定活動計(jì)劃，小組成員通過“頭腦風(fēng)暴法”集思廣益，共采用了以下四種方法。

第一種方法：汽車吊分榀安裝法是把整體鋼桁架分成多榀[1]

即利用50T汽車吊直接吊至進(jìn)行安裝的方法。具體采用型鋼柱對地下室頂板進(jìn)行加固，將拆分后的鋼梁在地下室頂板上焊接拼裝完成后，利用汽車吊直接吊至型鋼柱牛腿處進(jìn)行螺栓連接并且滿焊。待鋼架全部安裝完畢，涂防腐涂料、防火涂料等工序完成后拆除頂板。

第二種方法：胎架人工分榀安裝法[2]（見圖1）

圖1 胎架人工分榀安裝法簡圖

鋼梁運(yùn)至地下室頂板吊裝位置，汽車吊分段吊至5層屋面，人工倒運(yùn)鋼梁投影位置，利用塔吊拼裝標(biāo)準(zhǔn)節(jié)胎架，安裝H340型鋼作為起吊支點(diǎn)懸掛電動葫蘆，緩慢提升，鋼梁落位至胎架上，測量調(diào)整，利用胎架電動葫蘆進(jìn)行提升，逐個拼裝焊接成整體。

第三種方法：整體提升安裝法[3]

即把整體鋼桁汽車吊分段吊至5層屋面，人工倒運(yùn)鋼梁投影位置，利用龍門架將構(gòu)件吊起，混凝土主梁位置鋪設(shè)鋼梁作為拼裝胎架，鋼梁落位至胎架上，測量調(diào)整定位，焊接成整體，利用在柱頂設(shè)置的提升架進(jìn)行整體提升。

第四種方法：塔吊分榀安裝法：[4]

分別利用1#2#塔吊（TCT5611）將設(shè)計(jì)拆分后的桁架單體構(gòu)件吊至設(shè)計(jì)高度進(jìn)行空中拼裝。安裝從梁兩端到梁中，先安裝主梁再吊次梁順序依次進(jìn)行吊裝。1#塔吊位于裙房的北面，2#塔吊位于裙房南面，基本全部覆蓋鋼梁范圍。

針對滿足質(zhì)量、安全、工期及經(jīng)濟(jì)的鋼梁安裝方法，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全的目標(biāo)，充分收集各種方法進(jìn)行匯總。

6 最佳方案的確定

對以上四種方法從方法的可行性、經(jīng)濟(jì)性、施工難易程度、工期等進(jìn)行評估，選定最優(yōu)方案。

6.1 汽車分榀吊安裝法

1）可行性：安裝精度高，高處作業(yè)量相對較大。

2）經(jīng)濟(jì)性：對起重設(shè)備（汽車吊）性能要求高，經(jīng)測算費(fèi)用為40萬元。

3）施工難易程度：大型汽車吊拼裝施工效率低，高空作業(yè)危險系數(shù)高，控制精度要求高。

4）工期：地下室頂板需要鋼管加固，計(jì)劃10天安裝完成。

5）是否選用：裙房東側(cè)是道路，施工場地狹窄，施工難度較大，此法不選。

6.2 胎架人工分榀安裝法

1）可行性：安裝精度高，高處作業(yè)較小，安全性高。

2）經(jīng)濟(jì)性：按照設(shè)計(jì)的胎架，制作移動龍門架及塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)胎架，其他附材 ，經(jīng)測算費(fèi)用為42萬。

3）施工難易程度：作業(yè)危險性較小，人工操作簡單，安裝精度高，安裝難度較小。

4）工期：塔吊和汽車吊配合人工進(jìn)行單榀桁架提升時，塔吊起吊胎架，汽車吊吊分段鋼梁，鋼桁架全部安裝完成需要1個月時間，工期較為合理。

5）是否選用：作業(yè)安全，費(fèi)用較低，最佳方案。

6.3 整體提升安裝法

1）可行性：安裝精度高，高處作業(yè)量很少，安全性高，整體提升支點(diǎn)設(shè)置困難，需投入大量人、材、機(jī)。

2）經(jīng)濟(jì)性：提升架體用鋼量大，整體提升支點(diǎn)加固措施需不斷求證并投入大量的加固措施費(fèi)及輔材費(fèi)用，大約費(fèi)用為53萬元。

3）施工難易程度：同步控制精度要求高，支點(diǎn)設(shè)置困難。

4）工期：樓板加固需要15天，樓面整體拼裝開始至提升到位安裝完成時間1個半月，工期長。

5）是否選用：作業(yè)安全，費(fèi)用較低，最佳方案。費(fèi)用53萬元最高，工期較長，不采用。

6.4 塔吊分榀安裝法

1）可行性：充分利用塔吊，增加安裝人員操作風(fēng)險，安裝精度較高。

2）經(jīng)濟(jì)性：充分利用塔吊，投入費(fèi)用50萬元。

3）施工難易程度：單榀桁過重，塔吊起吊困難，1#、2#號塔吊東南區(qū)域角不能完全覆蓋。

4）工期：塔吊配合人工，單榀桁架提升時，1#、2#塔吊可以同步進(jìn)行拼裝施工，鋼桁架全部安裝完成需要15天時間，工期較短。

5）是否選用：單榀桁架重時，鋼梁安裝風(fēng)險系數(shù)成倍增加，同時部分位置無法完全覆蓋，增加吊起的難度。此法不可選。

從各方面綜合考慮后選取胎架人工分榀安裝法作為最佳實(shí)施方案。

7 制定對策

根據(jù)擬采用施工方案制定最佳施工工藝流程，然后制定實(shí)施對策。

8 對策實(shí)施

8.1 施工前準(zhǔn)備

在金華建筑設(shè)計(jì)院有限公司設(shè)計(jì)和鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)深化設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)下，編制專項(xiàng)施工方案，方案確定了將34.5m主鋼梁分成三段并對移動龍門架及標(biāo)準(zhǔn)節(jié)胎架提升能力進(jìn)行了計(jì)算，龍門架跨中單點(diǎn)豎向荷載50kN，水平荷載按左右晃動角度10°考慮（取10kN），并取1.4倍動力系數(shù)。結(jié)構(gòu)變形，龍門架頂部橫梁跨中最大合位移約33.6mm，滿足施工要求。應(yīng)力比，龍門架桿件最大應(yīng)力比為0.553，且提升支架各桿件應(yīng)力比均小于0.4，滿足施工要求，確保提升符合安全要求。在提升施工前，此施工方案經(jīng)施工單位、監(jiān)理單位審核、批準(zhǔn)后實(shí)施，并對作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底。確認(rèn)效果：經(jīng)過方案編制，合理對材料、人員、機(jī)械安排，優(yōu)化施工方案。

8.2 樓板加固

目標(biāo)：確保超重鋼結(jié)構(gòu)安裝時樓板有足夠的承載力。措施：利用經(jīng)緯儀放線，在樓面上用墨斗彈出胎架放置位置后，進(jìn)行加固，保證主體結(jié)構(gòu)有足夠的承載力。實(shí)施效果檢查：構(gòu)件均能安全吊裝至指定拼裝位置并安裝到位，精度與設(shè)計(jì)和預(yù)埋鋼牛腿相吻合。

8.3 鋼梁吊裝至屋面樓板

表1 對策表

目標(biāo)：確保鋼梁安全吊至屋面樓板。

措施：將5根大跨度梁分3段加工制作、運(yùn)輸、吊裝，分段重量最重約7.7t；其余鋼梁均整根吊裝（較重鋼梁利用人工吊裝，小次梁等利用塔吊吊裝）。然后在樓板上劃分鋼梁構(gòu)件堆放位置，接著采用50t汽車吊將鋼梁吊至該位置。

實(shí)施效果檢查：構(gòu)件均能安全吊裝至指定拼裝位置并安裝到位，精度與設(shè)計(jì)和預(yù)埋鋼牛腿相吻合。

8.4 鋼梁搬運(yùn)（見圖2）

鋼梁搬運(yùn)見圖2。

圖2 龍門架鋼梁構(gòu)件移動

目標(biāo)：確保鋼梁搬運(yùn)至吊點(diǎn)位置。

措施：1）用經(jīng)緯儀在樓板上定位出鋼梁的投影位置并用墨線標(biāo)識。2）用經(jīng)過計(jì)算論證的自制移動式龍門架進(jìn)行鋼梁搬運(yùn)，將鋼梁移至標(biāo)識處。

實(shí)施效果檢查：鋼梁邊線與樓板定位標(biāo)識吻合，定位精確。

8.5 提升胎架安裝

目標(biāo)：確保在胎架安全可靠性，能有效提升鋼梁至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

措施：用6025塔吊將8個塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)吊至梁兩側(cè)指定位置，進(jìn)行拼裝。有鋼板焊接的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)作為胎架第一標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。胎架共搭設(shè)2個立柱，每個立柱4個塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，該立柱高度能夠滿足鋼梁提升高度。在兩個胎架立柱上擱置H型鋼焊接吊耳作為電動葫蘆的吊點(diǎn)。

實(shí)施效果：胎架立柱位置定位準(zhǔn)確，立柱高度滿足鋼梁提升要求，H型鋼吊點(diǎn)滿足鋼梁構(gòu)件的起吊重量。

8.6 鋼梁分段提升

目標(biāo)：確保鋼梁分段提升到設(shè)計(jì)高度，保證鋼梁構(gòu)件能與主體牛腿精準(zhǔn)對接。

措施：在鋼梁構(gòu)件中心點(diǎn)位置焊接吊耳，用電動葫蘆將鋼梁進(jìn)行提升。將鋼梁吊起離地50cm，24h后對H字鋼進(jìn)行復(fù)核穩(wěn)定性及承載力。確認(rèn)無誤后，將鋼梁按一定速度提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高位置，穩(wěn)定后對鋼梁構(gòu)件位置進(jìn)行復(fù)核。

實(shí)施效果檢查：構(gòu)件均能安全吊裝至指定拼裝位置，確保精度與設(shè)計(jì)和預(yù)埋鋼牛腿相吻合。

表2 鋼桁架拼裝精度檢查表

8.7 與主體牛腿，完成主梁拼裝

目標(biāo)：確保鋼梁與主體牛腿連接符合設(shè)計(jì)要求，焊接質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

措施：待鋼梁吊到設(shè)計(jì)標(biāo)高，利用線錘位置核對完成后，采用高強(qiáng)螺栓將連接板與柱牛腿，另一端用型鋼H340臨時支撐立柱，底部焊接鐵板，將鋼梁穩(wěn)定后，拆除胎架。

實(shí)施效果：焊接質(zhì)量得到保證，連接完成后符合設(shè)計(jì)要求。

8.8 拆除提升架

目標(biāo)：安全拆除提升支架，完成屋面整體鋼結(jié)構(gòu)安裝。

措施：整體鋼架螺栓拼裝完成，等沉降穩(wěn)定后，各弦桿對口焊接、補(bǔ)桿完畢后，利用塔吊分解胎架及加固鋼管架。

實(shí)施效果檢查：塔吊配合拆除，安全可靠；作業(yè)人員系安全帶操作保證高空作業(yè)安全。

9 結(jié)語

從2017年7月至2017年12月期間，經(jīng)歷了從方案的提出、方案初步設(shè)計(jì)、方案比選、方案完善、方案審批到方案實(shí)施的一系列過程，為鋼梁的提升安裝奠定了基礎(chǔ)，也保證了整個提升工程的施工進(jìn)度。

安裝結(jié)束后，會同各單位對鋼梁進(jìn)行檢查，拼裝精度符合設(shè)計(jì)要求，合格率達(dá)90.70%，已達(dá)到設(shè)定的87%目標(biāo)要求，且提高了3.7%；焊縫經(jīng)專業(yè)檢測單位檢測，均為合格。

本工程一共有二級焊縫395條，經(jīng)杭州金輝鋼結(jié)構(gòu)檢測工程有限公司對焊縫超聲波探傷檢測，焊縫合格率為100%。

胎架人工分榀安裝法提升施工技術(shù)，在某工程（一期）I標(biāo)工程中成功應(yīng)用，施工質(zhì)量、施工進(jìn)度、施工安全等方面均取得非常好的成績，為金華市以后的類似工程施工奠定了基礎(chǔ)，取得了良好的社會效應(yīng)。