大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)跹b技術(shù)

吳光輝

【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)合工程實例，針對大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)難點，重點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，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場實時模擬分析，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)桁架柔性較大，易失穩(wěn)，變形控制困難，工期季節(jié)跨度引起溫度應(yīng)力大等問題。大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)工程的安裝重點是高空組對吊裝及就位安裝。下面，就結(jié)合具體工程實例，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)上實施整體擴(kuò)建改造，工程重點包括主站樓、站臺雨篷、廣場及地下通道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。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，單片主桁架長度為9～12m（見圖1）。

2 施工技術(shù)難點

（1）施工條件復(fù)雜

在施工過程中，該車站一直保持運營狀態(tài)，人流量大，同時⑦～⑩軸區(qū)域進(jìn)行地鐵通道的開挖。因此施工條件復(fù)雜，現(xiàn)場無法進(jìn)行支撐架的設(shè)置，同時大型起重機(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，僅靠一個銷軸將單片桁架與支撐桿結(jié)合在一起，對安裝技術(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，提升過程中極易失穩(wěn)，并且支撐桿與單片桁架只通過一個端部連接組成，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)點繁多，若定位不準(zhǔn)將導(dǎo)致構(gòu)件在節(jié)點處無法正常安裝。為保證建筑效果，滿足受力要求，對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臺大型起重機(jī)進(jìn)行懸挑結(jié)構(gòu)的安裝，1臺500t履帶式起重機(jī)（主臂48m，副臂48m）和1臺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)的懸挑長度最小，為無撐桿三角懸挑次桁架，懸挑長度較小，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，應(yīng)同時完成檁條的裝配工作，保證懸挑結(jié)構(gòu)在安裝時的穩(wěn)定性。

懸挑結(jié)構(gòu)的安裝順序為：16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

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)點構(gòu)造復(fù)雜，增加了施工的難度。針對上述特點，對每個鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行深化設(shè)計，確保節(jié)點設(shè)計準(zhǔn)確及復(fù)雜組合構(gòu)件吊點的計算。

（3）吊點設(shè)置

懸挑單片次桁架與斜撐桿在起吊過程中，需逐步調(diào)整夾角至設(shè)計角度。調(diào)整期間整體構(gòu)件尚未離地，其相對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)確確定吊點位置及索具長度，充分利用CAD實體求出構(gòu)件重心，采用此方法不僅計算簡單，且較為準(zhǔn)確。吊點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)組成一個組合體同時起吊，由于無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，將斜撐桿一端通過汽車式起重機(jī)吊至馬凳上，并保持斜撐桿耳板開口朝上，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)耳板對接好后，保持銷軸孔對齊，然后將銷軸穿入其中，隨即完成拼裝工作（見圖2）。

（5）大角度組合體吊裝技術(shù)

起吊時組合體中桁架和斜撐桿間的夾角很小，需要在提升過程中逐步調(diào)整，直至形成設(shè)計角度。根據(jù)施工現(xiàn)場條件及設(shè)計要求，選用10t手拉葫蘆固定組合體的尾部并調(diào)整其張拉角，鋼絲繩長度根據(jù)角度要求設(shè)置，約比設(shè)計要求長50cm，具體做法為：將斜撐桿的尾部與桁架尾部通過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度在提升過程中放長，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)計安裝位置后，先把斜撐桿與混凝土柱上的預(yù)埋件通過銷軸連接固定，再通過起重機(jī)下鉤的過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)桁架對接，同時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，并起到臨時固定作用。最后，將次桁架上、下弦桿同時進(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)烈晃動而偏離設(shè)計軸線，給結(jié)構(gòu)的精確對位及上下弦桿的焊接安裝造成很大困難。為保證整個結(jié)構(gòu)的臨時穩(wěn)定，同時方便焊接施工，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)計安裝位置，同時纜風(fēng)繩在H型鋼梁安裝以前起到臨時固定的作用。

（8）施工測量控制

施工測量控制主要為懸挑結(jié)構(gòu)，包括40個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)在對應(yīng)的軸線延伸線位置上，以長邊控制短邊的測量原則，將桁架弦桿控制在對應(yīng)的軸線上方，通過端部的纜風(fēng)繩條件，即可控制桁架的側(cè)向位移。

5 施工過程模擬及仿真驗算

（1）結(jié)構(gòu)計算模型

懸挑桁架吊裝驗算采用有限元軟件SAP200012.01進(jìn)行計算。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軸的桁架為整個結(jié)構(gòu)中的最危險部位，因此計算中只選?、噍S懸挑桁架進(jìn)行應(yīng)力和變形的驗算復(fù)核。

（2）結(jié)構(gòu)吊裝應(yīng)力驗算

結(jié)構(gòu)驗算時只考慮自重荷載，并取吊裝動力系數(shù)為1.2。組合體在自重和兩點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算了吊裝過程中各桿件的應(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)，因此需對其進(jìn)行吊裝變形驗算，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和施工過程的安全。

由有限元軟件依次計算每個節(jié)點的變形位移并將結(jié)果對比可知，最大變形發(fā)生在此桁架與斜撐桿的連接處。計算結(jié)果顯示，組合結(jié)構(gòu)中梁構(gòu)件相連的12號節(jié)點最大豎向位移為17.03mm，最大相對撓度為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

實踐證明，本大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)安裝工程的各項關(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)：

[1] 陳鈞頤;劉振海;徐新?lián)P;趙春潮;焦志崗.超高層建筑大懸挑鋼結(jié)構(gòu)屋頂安裝技術(shù)[J].建筑技術(shù)，2011年05期

[2] 張季超;馬旭;周觀根.廣東科學(xué)中心大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)[J].施工技術(shù)，2011年04期

（作者單位：清遠(yuǎn)市新城建筑工程有限公司）