大跨度棱形單層鋼梁網(wǎng)格結(jié)構(gòu)安裝施工技術(shù)

黃亞均，游建華

（1.中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074；2. 中建三局集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州 215021）

0 引 言

諸如電影院、溜冰場、游泳池、宴會廳等功能建筑要求有較大跨度的空間，各種形式的大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋面應(yīng)運(yùn)而生。大跨度棱形單層鋼梁網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是由單層鋼梁組成的斜向斜交網(wǎng)格體系，其安裝施工方法因施工環(huán)境的不同而有所差異。本文以鎮(zhèn)江蘇寧廣場項(xiàng)目為依托，開展了大跨度棱形單層鋼梁網(wǎng)格結(jié)構(gòu)安裝施工技術(shù)的研究，對類似大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程施工具有一定的參考意義。

1 工程概況

鎮(zhèn)江蘇寧廣場項(xiàng)目位于鎮(zhèn)江市京口區(qū)解放路與中山東路交匯處，總建筑面積 39.5 萬 m2，由東塔樓（77 層，建筑高度 341 m）、西塔樓（62 層，建筑高度228 m）和商業(yè)裙房（7 層，建筑高度 38 m）組成，建成后是集酒店、辦公、大型購物廣場及娛樂設(shè)施于一體的地標(biāo)性城市綜合體。

裙房 7 層的溜冰場屋面鋼結(jié)構(gòu)采用大跨度棱形單層鋼梁網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其外形為不規(guī)則多邊形，最大跨度達(dá) 42.2 m，覆蓋面積 1 277 m2。鋼梁材質(zhì)為 Q 345，截面形式為 H1 000×300×16×28，棱形單元夾角 62°，邊長 5.2 m。由 14 根勁性鋼骨柱支承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋，屋頂結(jié)構(gòu)上方為玻璃幕墻。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋平面形式如圖1 所示，所在位置如圖2 所示。

圖1 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)平面圖（單位：mm）

2 有限元模擬分析

鋼結(jié)構(gòu)在自重和外部荷載的共同作用下，勢必會產(chǎn)生彈性變形。尤其在大跨度鋼結(jié)構(gòu)上，這種變形帶來的影響不可忽視。以本工程為例，大跨度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)作為屋面玻璃幕墻的承載骨架，如果其出現(xiàn)較大彈性變形，則會直接影響玻璃幕墻安裝質(zhì)量。因此，需要重點(diǎn)控制好大跨度鋼結(jié)構(gòu)的下?lián)献冃危蛊湓跇?biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，本工程采用有限元分析軟件Midas/Gen8.0 進(jìn)行模擬分析。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，建立有限元模型，計(jì)算大跨度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在正常工作狀態(tài)下受力與變形情況。

1）荷載取值。施工階段恒荷載主要包括鋼結(jié)構(gòu)自重和幕墻荷載，其中結(jié)構(gòu)自重考慮節(jié)點(diǎn)重量，取系數(shù) 1.1；幕墻荷載取 1.5 kN/m2，折算成線荷載為 3.64 kN/m。恒荷載分項(xiàng)系數(shù)取 1.2。不考慮活荷載。

圖2 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)平面位置圖

2）邊界條件。支撐鋼柱柱底采用固定剛性支座，鋼梁連接節(jié)點(diǎn)采用剛接。計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 有限元分析成果

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，位于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中心位置的點(diǎn)位 5 下?lián)现底畲?，?119.5 mm＞跨度 42 200 mm/400=105.5 mm［1］。為了將其下?lián)献冃慰刂圃谠试S范圍內(nèi)，可以通過預(yù)起拱的方式實(shí)現(xiàn)。起拱值可以參照上述模擬分析確定，但起拱的實(shí)施方法需要結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)安裝工藝來確定。

3 鋼結(jié)構(gòu)安裝工藝選擇

大跨度鋼結(jié)構(gòu)按照其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場施工環(huán)境，常用的施工方法有高空散裝法、分條（分塊）安裝法、滑移安裝法、整體（單元）安裝法等［2］。

本工程溜冰場大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋在裙房 8 層樓面的高度，約 38 m，且位于裙房的中心地帶，安裝環(huán)境復(fù)雜。根據(jù)現(xiàn)場條件，吊裝可利用現(xiàn)場已有的塔吊吊裝鋼構(gòu)件，塔吊型號為 ST 70/30，臂長 55 m，完全覆蓋網(wǎng)格結(jié)構(gòu)范圍。因此，優(yōu)先選擇高空散裝的方法施工。

在確定鋼結(jié)構(gòu)的施工方案之后，下一步就需要制定對應(yīng)的預(yù)起拱方案。在高空散裝法的施工條件下，本工程擬定采用胎架支撐整體預(yù)起拱方案。首先在下層樓板上布置 5 組胎架 TJ 1、TJ 2、TJ 3、TJ 4、TJ 5（見圖3），通過計(jì)算屋蓋在自重和幕墻荷載共同作用下胎架位置的撓度值-X，從而確定該部位預(yù)起拱值應(yīng)為 X（見表2），在屋蓋安裝過程中，胎架工裝標(biāo)高為（屋蓋標(biāo)高+X），通過胎架支撐對整個(gè)屋面進(jìn)行預(yù)起拱，屋蓋結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后，進(jìn)行胎架卸載，屋蓋結(jié)構(gòu)恢復(fù)至設(shè)計(jì)標(biāo)高位置。

圖3 胎架支撐布置圖

胎架主要采用φ325×10與φ89×4 的圓管制作，截面尺寸 2 500 mm×2 500 mm，底座和胎帽采用H 300×300×10×15 型鋼制作，材質(zhì)均為 Q 235。胎架利用塔吊進(jìn)行吊裝，底座固定于結(jié)構(gòu)樓板上，結(jié)構(gòu)樓板承載力需經(jīng)驗(yàn)算；胎帽用于連接頂部工裝。

表2 各胎架預(yù)起拱值表

4 鋼結(jié)構(gòu)安裝施工

為了保證鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中已施工部分鋼結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，整個(gè)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工應(yīng)遵循“先外圍交圈，再對稱填充，后懸挑封邊”的總體施工順序，這樣還能保證網(wǎng)格結(jié)構(gòu)整體變形最小，利于控制安裝精度。

4.1 施工流程

施工準(zhǔn)備→鋼骨柱、支撐胎架安裝→鋼骨柱間連梁安裝→大跨度鋼梁高空散裝→復(fù)測、校正→懸挑邊梁安裝→疊合柱施工→支撐胎架卸載、拆除。

4.2 具體施工步驟

鋼結(jié)構(gòu)安裝施工順序如表3 所示。大跨度鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢、胎架卸載后，鋼結(jié)構(gòu)自然恢復(fù)至設(shè)計(jì)標(biāo)高位置。經(jīng)過對50% 匯交節(jié)點(diǎn)部位標(biāo)高進(jìn)行復(fù)測，與設(shè)計(jì)標(biāo)高對比，最大誤差為±6 mm≤±L/5 000＝42 200/5 000＝8.44 mm，滿足相關(guān)要求［3］。鋼結(jié)構(gòu)安裝完成圖如圖4 所示。

4.3 施工注意事項(xiàng)

采用高空散裝法施工，需要重點(diǎn)注意以下 3 個(gè)方面的問題。

1）結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的具體形式，確定適合的拼裝順序；

2）在施工過程中隨時(shí)對已安裝的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)測、調(diào)整，以保證鋼結(jié)構(gòu)總拼后的總體偏差在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)；

3）采用懸挑法施工時(shí)必須保證已施工部分結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性。

還需要特別注意，鋼梁連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為剛接。安裝時(shí)，首先進(jìn)行腹板高強(qiáng)螺栓施工，使連接節(jié)點(diǎn)臨時(shí)為鉸接，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)整體預(yù)起拱完成后，整體進(jìn)行上下翼緣焊接施工，焊接施工順序?yàn)閺闹虚g向四周依次進(jìn)行，這樣可以減小焊接帶來的結(jié)構(gòu)變形。

表3 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)安裝施工流程

圖4 大跨度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)安裝完成圖

4.4 施工質(zhì)量控制

1）鋼梁的吊裝順序應(yīng)嚴(yán)格按照主次梁的吊裝順序進(jìn)行，及時(shí)形成框架，保證框架的垂直度，為后續(xù)鋼梁的安裝提供方便。

2）處理產(chǎn)生偏差的螺栓孔時(shí)，只能采用機(jī)械方式擴(kuò)孔，不得采用氣割擴(kuò)孔的方式，擴(kuò)孔后的孔徑不得超過 1.2 倍的螺栓直徑。

3）在鋼梁的標(biāo)高、軸線的測量校正過程中，一定要保證已安裝好的標(biāo)準(zhǔn)框架的整體安裝精度。

4）鋼梁安裝完成后應(yīng)檢查鋼梁與連接板的貼合方向。

5）安裝時(shí)應(yīng)用臨時(shí)螺栓進(jìn)行臨時(shí)固定，不得用高強(qiáng)螺栓代替安裝螺栓直接穿入。

5 結(jié) 語

與常規(guī)大跨度鋼結(jié)構(gòu)采用大量胎架或整體提升等施工方法不同，鎮(zhèn)江蘇寧廣場項(xiàng)目通過對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的受力和變形進(jìn)行分析，合理制定鋼結(jié)構(gòu)制作、安裝方案，使工程質(zhì)量達(dá)到理想效果。同時(shí)，減少了施工中存在的危險(xiǎn)因素，縮短了工期，節(jié)省了人、材、機(jī)的投入，降低了措施成本，取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。