大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架施工技術(shù)研究

王俊

（上海建工一建集團(tuán)有限公司，上海200000）

1 引言

隨著建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，以及當(dāng)今社會對建筑結(jié)構(gòu)美觀實用、經(jīng)濟(jì)安全方面的追求，帶動了鋼結(jié)構(gòu)工程向輕量化、異形化、大跨度方向發(fā)展。本文以合工大智能院研發(fā)中心項目大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程為背景，通過在該項目大跨度鋼桁架實施過程中所采取的優(yōu)化措施以及取得的實際成果，總結(jié)出大跨度鋼桁架施工可以優(yōu)化的幾個主要方向，為類似的工程提供借鑒經(jīng)驗和技術(shù)參考。

2 大跨度鋼桁架概況

本工程大跨度鋼桁架位于整個建筑的主入口部位，地下1層，地上5 層，其中，兩側(cè)為鋼框架結(jié)構(gòu)，中間為42m 跨鋼桁架結(jié)構(gòu)。

大跨度鋼桁架由4 榀桁架及中間連梁組成，每榀桁架長度為42m，共3 層。單榀桁架可以近似為拱形結(jié)構(gòu)，兩側(cè)鋼框架結(jié)構(gòu)作為拱形結(jié)構(gòu)支座（見圖1）。

圖1 42m大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架立面圖

3 胎架支撐施工技術(shù)研究

鋼桁架架空高度13.28m，跨度達(dá)42m，臨時支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)難度較大。原設(shè)計鋼桁架臨時支撐為滿堂腳手架，該支撐體系造價高且施工周期長。經(jīng)方案優(yōu)化，采用胎架作為鋼桁架臨時支撐體系，胎架選取T6013 塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)尺寸為：1.8m×1.8m×2.8m。采用塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)作為胎架具有體系穩(wěn)定、租賃方便、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 胎架布置工藝

因胎架支撐直接落于地庫頂板之上，傳統(tǒng)方式需對地庫頂板進(jìn)行加固，但經(jīng)研究若將胎架旋轉(zhuǎn)45°，使得胎架的4 個支腳支設(shè)于地庫頂板的主梁及次梁上，可避免對樓板的直接作用力，同時經(jīng)計算梁承載力可滿足要求，從而省去了對地庫頂板的加固措施（見圖2）。

圖2 胎架支腳落點(diǎn)

3.2 胎架底部連接方式分析

胎架底部與地庫頂板的連接方式直接關(guān)系到胎架的整體穩(wěn)定性，原考慮在胎架底部設(shè)置固定支座，采取設(shè)置鋼板路基箱的方式擴(kuò)大基礎(chǔ)接觸面積、分散集中力并通過纜風(fēng)繩將胎架上端固定，防止胎架的傾覆風(fēng)險。但經(jīng)計算分析，胎架與頂板的連接按鉸接計算即可滿足要求，將胎架直接與頂板進(jìn)行可靠連接，減少不必要的中間連接構(gòu)件，受力更加明確合理。連接方式如下：

每只胎架底部采用4 塊鋼板墊板進(jìn)行應(yīng)力分散，采用在地下室頂板上預(yù)先植M20 螺栓，螺栓抗拉拔力不小于30kN，墊板與螺栓進(jìn)行連接，底部預(yù)留3～5cm 間隙，中間用H40 灌漿料填充。

胎架支腳的中心正對墊板中心，采用14mm 厚Q345 鋼板制作的U 形鋼板在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)角柱位置將胎架固定于墊板上，防止胎架水平移動并抵抗水平風(fēng)荷載（見圖3）。

圖3 胎架與墊板連接節(jié)點(diǎn)

3.3 胎架上部轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)置

因胎架采用的塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為固定長度，塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與鋼桁架架空高度之間需設(shè)置轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由H 型鋼焊接的方形轉(zhuǎn)換梁及調(diào)節(jié)梁組成（見圖4）【1】。

圖4 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)造

轉(zhuǎn)換梁均采用HM350mm×200mm×8mm×12mm 型鋼，相互之間分別采用翼緣與翼緣對接焊接，腹板與腹板焊接形成主框架。調(diào)節(jié)梁均采用HM350mm×200mm×8mm×12mm 型鋼，高度200mm，沿翼緣及腹板一周采用貼腳焊縫與轉(zhuǎn)換梁焊接。

轉(zhuǎn)換梁與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間采用卡板連接，卡板采用14mm 厚鋼板制作，連接方式同墊板與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)胎架之間的連接。轉(zhuǎn)換梁與最頂部的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接好以后整體吊裝。2 只50t 螺旋千斤頂采用鋼板進(jìn)行卡牢，限制其在水平方向上移動，鋼板與轉(zhuǎn)換梁翼緣采用貼腳焊縫焊接。安裝時先焊三面鋼板，待千斤頂就位后再焊接最后一塊鋼板。

4 卸載施工技術(shù)研究

4.1 樓面混凝土澆筑與胎架卸載關(guān)系分析

鋼結(jié)構(gòu)樓面壓型鋼板上設(shè)計為12cm 厚的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，依據(jù)鋼桁架有4 個樓面計算，現(xiàn)澆混凝土總重量達(dá)12 000kN（1 200t），原設(shè)計做法是先澆筑完樓面混凝土再拆除胎架，鋼桁架與混凝土形成整體共同受力，對于鋼結(jié)構(gòu)受力體系來說是有利的。但經(jīng)分析，混凝土澆筑之后會大大增加支撐體系拆除的難度與風(fēng)險，且整個上部結(jié)構(gòu)的荷載將全部由胎架承擔(dān)，胎架本身及地庫頂板將受到更大的考驗；同時，混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的彈性模量不同，拆除胎架支撐體系時整個桁架難免會產(chǎn)生一定的變形，混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的變形不一致，容易導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫，對工程的質(zhì)量產(chǎn)生影響。

從安全方面考慮，當(dāng)混凝土澆筑之后，胎架本身受力將大大增加。此時卸載，對于卸載的施工工藝將提出更高的要求，尤其是對最后進(jìn)行拆除的胎架來說，其風(fēng)險將會累加到最大。

出于以上幾方面原因，確定先拆除胎架后澆筑混凝土的方案更為合理，先拆除胎架鋼桁架本身可形成近似拱形的受力體系，經(jīng)計算可承受后期混凝土澆筑所造成的荷載增加，同時，可自下而上進(jìn)行樓面混凝土的澆筑，優(yōu)先使桁架底部形成混凝土與壓型鋼板的受力整體，對桁架受力體系更為有利。

4.2 胎架卸載順序分析

鋼桁架的支撐胎架一共16 只，成4×4 的方陣進(jìn)行布置，豎向從左至右為14、15、16、17 軸，橫向從上至下依次為K、J、I、H 軸（見圖5）。

圖5 臨時支撐平面布置圖

鋼結(jié)構(gòu)卸載順序的考慮：原設(shè)計為先沿豎向拆除，先拆15軸、16 軸，后拆17 軸，最后拆除14 軸，豎向每4 個胎架同步卸載，該種拆除方式對于最后拆除的第14 軸4 個胎架卸載難度及風(fēng)險很大，最終所有桁架的荷載均集中于該4 個胎架上，且4 個胎架卸載很難做到完全同步，會存在某個胎架上千斤頂超荷載出現(xiàn)爆缸的風(fēng)險?？紤]到上述問題，對鋼桁架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，橫向（K、J、I、H 軸）為整榀桁架，豎向（14、15、16、17 軸）為桁架之間的連接件，若采取一榀一榀的卸載方式，每榀沉降量值小且可通過連接件將沉降位移消化，不會對相鄰桁架造成影響，且每榀桁架基本對應(yīng)該局部區(qū)域的荷載，可大大降低千斤頂?shù)呢?fù)荷，消除千斤頂爆缸的安全隱患。因此對卸載順序進(jìn)行優(yōu)化，一榀一榀卸載，卸載次序為K 軸→J 軸→I 軸→H 軸，具體分8 個步驟，具體如圖5 所示。

4.3 單點(diǎn)同步等距卸載技術(shù)

單點(diǎn)胎架卸載時采用同步等距的方法，每個卸載行程為5mm，事先在調(diào)節(jié)梁上端標(biāo)記5mm 刻度線。為了防止切割調(diào)節(jié)梁時燒傷母材，切割之前在桁架下弦與調(diào)節(jié)梁接觸面周圍100mm 范圍內(nèi)涂刷防火涂料2mm，切割時火焰向下，卸載時現(xiàn)場設(shè)置指揮員，統(tǒng)一發(fā)號口令，確保2 個胎架卸載順序同步【2】。

5 鋼桁架監(jiān)測技術(shù)研究

采用自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)對鋼桁架沉降、應(yīng)力等變化情況進(jìn)行監(jiān)測，依托智能軟件系統(tǒng)，建立分析預(yù)警模型，實現(xiàn)與短消息平臺結(jié)合，當(dāng)發(fā)生異常時，及時自動發(fā)布短消息到監(jiān)測管理人員，立即預(yù)警。

5.1 監(jiān)測點(diǎn)布置原則

反映整個結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)力及變形規(guī)律；選擇受力較大及變形較大的桿件進(jìn)行監(jiān)測，以得出最不利狀態(tài)下的變形及應(yīng)力結(jié)果，保證體系的結(jié)構(gòu)安全；經(jīng)濟(jì)適用的原則，對于一些變形及應(yīng)力較小的桿件可不進(jìn)行監(jiān)測。

5.2 監(jiān)測點(diǎn)布置方案

沉降變形監(jiān)測采用的是液壓式靜力水準(zhǔn)儀，一共布置13個測點(diǎn)，其中1 個為基準(zhǔn)點(diǎn)，另外，每榀桁架布置3 個測點(diǎn)，布置于桁架的下弦；應(yīng)變監(jiān)測采用的是應(yīng)變計，利用Midas 建模仿真模擬進(jìn)行受力分析，將原設(shè)計每榀桁架27 個測點(diǎn)優(yōu)化為受力較大的19 個測點(diǎn)，一共布置76 個測點(diǎn)。

5.3 監(jiān)測結(jié)果分析

在卸載期間及混凝土澆筑過程中對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)監(jiān)測。卸載期間的最大應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)位于桁架下弦，為拉應(yīng)變，其應(yīng)力為112.3MPa，卸載完畢后，最大應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)位于內(nèi)側(cè)立柱，為壓應(yīng)變，其應(yīng)力為71.4 MPa，其值均小于設(shè)計容許荷載。其他工況監(jiān)測期間最大應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)位于桁架上弦，為壓應(yīng)變，其應(yīng)力為136.7MPa，其值均小于設(shè)計的容許荷載。

自開始卸載到卸載完畢，最大沉降點(diǎn)沉降位移為7.02mm，其他工況監(jiān)測期間最大沉降點(diǎn)沉降位移為18.15mm，小于設(shè)計容許值（42.00mm）。

6 結(jié)語

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架的策劃及施工中，突破原設(shè)計限制采取了較多的優(yōu)化方案，并從結(jié)果上反映出良好的成效，將偏于傳統(tǒng)的滿堂腳手架支撐形式優(yōu)化為16 只胎架支撐體系，節(jié)約了成本提升了工效；將原本澆筑完混凝土再拆除支撐體系優(yōu)化為先拆后澆，大大降低了卸載風(fēng)險；優(yōu)化了胎架拆除次序，降低了胎架拆除過程中千斤頂?shù)呢?fù)荷，消除了安全隱患；采用自動監(jiān)測系統(tǒng)確保了鋼桁架施工及卸載過程中的安全性。

對于大跨度鋼桁架施工技術(shù)的研究還有較大的空間可供挖掘，如何在大跨度鋼桁架施工上做到既經(jīng)濟(jì)合理又安全可靠是我們長期需要探索的方向。