屋面大跨度鋼桁架同步頂升施工技術(shù)

唐志勃 穆立春 蘇 鋼

山東德建集團(tuán)有限公司 山東 德州 253036

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，家用轎車走進(jìn)了千家萬戶。為能夠提供較大的停車空間，建筑及其周邊地下空間大都建設(shè)成了停車場(chǎng)。而地下停車場(chǎng)頂蓋不允許大噸位吊車進(jìn)行作業(yè)，從而造成了有些建筑施工場(chǎng)地比較局促，屋面鋼結(jié)構(gòu)骨架只能通過小型吊車或塔吊將散件吊運(yùn)至屋頂進(jìn)行拼裝成整體，然后通過同步頂升方案使之就位[1-7]。

本文以某縣城一座中學(xué)圖書綜合樓屋頂?shù)拇髧嵨讳撹旒馨惭b為例，詳細(xì)介紹該大跨度、大質(zhì)量空間桁架通過在屋頂拼裝完成后再進(jìn)行整體同步頂升的技術(shù)特點(diǎn)、施工過程及分析重點(diǎn)。該技術(shù)在本項(xiàng)目上成功應(yīng)用所積累的經(jīng)驗(yàn)，可為以后同類項(xiàng)目的施工提供參考。

1 工程概況

某縣城第一中學(xué)新建圖書綜合樓，地下1層，地上主要為6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主體建筑物呈“回”字形結(jié)構(gòu)，東西兩側(cè)建筑地上8層，屋面標(biāo)高36.6 m，南北兩側(cè)主屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高28.2 m。在南北兩側(cè)的建筑屋面處有4根800 mm×800 mm的鋼筋混凝土柱，柱頂標(biāo)高34.0 m，柱間距東西向42 m，南北向11 m，每側(cè)建筑物柱頂上安裝一個(gè)空間桁架的鋼構(gòu)架，鋼構(gòu)架外包鋁板裝飾（圖1）。鋼構(gòu)架長(zhǎng)52.8 m，寬15.4 m，高2.6 m，質(zhì)量160 t。鋼桁架是將材料散裝吊到屋面之后進(jìn)行組裝制作的。鋼桁架的安裝分3段進(jìn)行，從混凝土柱到兩側(cè)建筑物之間部分質(zhì)量不足20 t，采用汽車吊先行吊裝就位。因地下空間頂板不允許大噸位吊車站位，故中間部分42 m跨、質(zhì)量112 t的鋼構(gòu)架采用液壓同步頂升的方法提升就位。

圖1 圖書綜合樓正立面效果圖

2 項(xiàng)目實(shí)施難點(diǎn)

圖書綜合樓及外延部分地下均設(shè)計(jì)為地下停車場(chǎng)。經(jīng)設(shè)計(jì)單位復(fù)核后，中間桁架部分因質(zhì)量和跨度均較大，且地下停車場(chǎng)頂板不允許采用重型履帶式起重機(jī)進(jìn)行單機(jī)起吊或雙機(jī)抬吊，而中庭內(nèi)起重機(jī)也無法駛?cè)?，故無法采用四機(jī)抬吊的方式安裝屋頂鋼桁架。為保證施工工期，從經(jīng)濟(jì)性、安全性等多方面綜合考慮，該項(xiàng)目決定對(duì)中間部分的鋼桁架實(shí)施多臺(tái)千斤頂同步頂升的施工方案。

該項(xiàng)目在實(shí)施過程中存在以下難點(diǎn)：

1）頂升部分的跨度大、噸位大，而且在標(biāo)高28.2 m的屋面進(jìn)行，頂升高度6 m。頂升支架不能設(shè)置在屋面板和屋面梁上，只能設(shè)置在下部有限的4根框架柱頂，端部需要有一部分較大跨度的懸挑。

2）頂升過程中，在頂升支架頂部，鋼桁架四面均存在懸挑現(xiàn)象，而支架不便設(shè)置能保證其垂直度的側(cè)向支撐來加固處理，因此頂升支架的邊界施工模擬相對(duì)比較復(fù)雜。

3）千斤頂自身行程較短，不能將桁架一次頂升到位，需要通過頂升、臨時(shí)固定、回油等多次循環(huán)才能將桁架頂升到位。因此，千斤頂卸載時(shí)的臨時(shí)固定也相對(duì)比較困難。

4）頂升作業(yè)施工時(shí)由多臺(tái)千斤頂采用多點(diǎn)位同步頂升，頂升支架的側(cè)面臨時(shí)固定螺孔加工精度低、初始標(biāo)高不平整以及同步控制系統(tǒng)不精確等，均極易造成鋼桁架頂升支架受力不均而傾斜失穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生倒塌事故。因此，本項(xiàng)目對(duì)頂升作業(yè)的協(xié)同控制要求高。

針對(duì)以上難題，鋼桁架在頂升作業(yè)施工之前應(yīng)先確定頂升支架的結(jié)構(gòu)形式，避開桁架雙向交叉節(jié)點(diǎn)。然后，對(duì)頂升支架底部應(yīng)進(jìn)行找平固化處理，以滿足頂升施工過程中的安全及精度控制要求（圖2）。

3 同步整體頂升的優(yōu)勢(shì)

采用同步控制系統(tǒng)控制油泵站和多臺(tái)千斤頂對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂升作業(yè)已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)。結(jié)合本工程的特點(diǎn)，采用同步整體頂升技術(shù)具備以下優(yōu)勢(shì)：

1）屋頂平面整體拼裝優(yōu)勢(shì)：不必在設(shè)計(jì)標(biāo)高處進(jìn)行高空散件拼裝，而是在平整的屋面結(jié)構(gòu)層上進(jìn)行整體組裝；各桿件的焊接均在樓面胎架上進(jìn)行，全面保證了拼裝的質(zhì)量，使安裝進(jìn)度及工程節(jié)奏受到高效控制，有效提高了鋼桁架的工程質(zhì)量；高空作業(yè)量減少，可以節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力，使安全風(fēng)險(xiǎn)程度降到最低[4]；有效降低了工程安裝成本。

2）施工工期優(yōu)勢(shì)：由于在屋頂平面上進(jìn)行整體拼裝，故極大地縮短了拼裝、焊接時(shí)間，安裝周期縮短，加快了工程施工進(jìn)度。

3）技術(shù)優(yōu)勢(shì)：同步整體頂升作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)成熟，尤其是對(duì)整體頂升過程的控制，使鋼桁架在同步頂升時(shí)各頂升點(diǎn)受力均衡，可以防止鋼桁架各桿件在頂升過程中因受力不均而變形，保障鋼桁架的安裝過程安全可靠。

4）成本優(yōu)勢(shì)：利用散件進(jìn)行空中拼裝時(shí)需搭設(shè)滿堂腳手架，并且需要長(zhǎng)時(shí)間占用吊車；而采用同步整體頂升技術(shù)進(jìn)行施工時(shí)，頂升支架安裝在屋面層混凝土框架柱頂上，能極大降低工程安裝成本，并能保證屋面混凝土結(jié)構(gòu)的安全。

4 施工方案確定

4.1 整體思路

因場(chǎng)地條件限制，鋼桁架必須在屋面上進(jìn)行拼裝。布置好胎架后聯(lián)系設(shè)計(jì)院進(jìn)行鋼筋混凝土屋面結(jié)構(gòu)的復(fù)核工作，確認(rèn)滿足條件后，將散件分批次吊裝到屋面進(jìn)行鋼桁架的加工組裝。

鋼桁架在屋頂分3段拼裝，從桁架支撐柱到兩側(cè)建筑物之間的短跨部分采用自行式吊車吊裝就位，并從支撐柱向柱間方向甩出一個(gè)節(jié)間長(zhǎng)度，以避開桁架上弦負(fù)彎矩最大的位置?？缍?2 m的中間段做成上弦32 m、下弦37 m的預(yù)留斜向接槎（圖3）并采用同步頂升工藝進(jìn)行施工。在保證安全的情況下，頂升結(jié)構(gòu)采用四柱頂升法，頂升支架下端固定在下層混凝土框架柱頂。頂升支架采用2片鋼桁架式柱肢組成格構(gòu)柱，在鋼桁架屋面整體拼裝時(shí)預(yù)留胎架高度范圍內(nèi)，將2片桁架式柱肢用角鋼綴條連接成整體。隨著鋼桁架的不斷頂升，不斷增加綴條將頂升支架拼裝成格構(gòu)柱，直至將鋼桁架頂升到設(shè)計(jì)標(biāo)高。頂升到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，將2層支座與頂升支架通過插銷銷緊，撤除千斤頂，即可對(duì)3段鋼桁架進(jìn)行組裝焊接。

圖3 頂升支架設(shè)置示意

根據(jù)被頂升鋼桁架的長(zhǎng)度、高度和質(zhì)量，考慮采用4臺(tái)高度600 mm、行程500 mm、頂升載荷1 000 kN的液壓千斤頂，1臺(tái)能夠滿足為4臺(tái)千斤頂同時(shí)供油的油泵，另外配備1臺(tái)備用千斤頂。通過查看鋼桁架設(shè)計(jì)施工圖可知，鋼桁架外側(cè)上下弦桿與下部結(jié)構(gòu)的2條軸線重合，故可以將頂升支架設(shè)置在下層框架頂，頂升點(diǎn)設(shè)置在鋼桁架下弦底部，可以有效減小頂升支架的計(jì)算長(zhǎng)度，增加頂升支架的穩(wěn)定承載力。

4.2 頂升支架的設(shè)計(jì)

頂升支架的高度為鋼桁架下獨(dú)立柱與支座高度之和，總高度為34.0 m＋0.2 m－28.2 m＝6.0 m。頂升支架采用正方形斷面的鋼格構(gòu)柱，設(shè)計(jì)截面為600 mm×600 mm，豎向分肢采用100 mm×4 mm鋼方管，綴條采用50 mm×5 mm角鋼，通過節(jié)點(diǎn)板將綴條與分肢連接。頂升支架在設(shè)計(jì)時(shí)按下端固定、上端自由考慮，則頂升支架的計(jì)算長(zhǎng)度為2倍實(shí)際高度。格構(gòu)柱的截面回轉(zhuǎn)半徑為253.06 mm，計(jì)算得長(zhǎng)細(xì)比λ＝47.4＜150，滿足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中受壓桿件的長(zhǎng)細(xì)比規(guī)定。

在千斤頂頂升、回油的過程中，為保證鋼桁架始終處于安全狀態(tài)，設(shè)計(jì)2個(gè)支座將千斤頂連接在一起，千斤頂?shù)捻斏斯潭ㄔ谏现ё南卤砻?，固定端固定在下支座上表面。上下支座采?00 mm×4 mm方鋼管焊接成外尺寸810 mm×810 mm的方框，內(nèi)部焊接1根長(zhǎng)800 mm的HW200 mm×200 mm×8 mm×12 mm鋼梁，方框側(cè)面開圓形螺栓孔，可以與頂升支架分肢上的等間距螺栓孔通過螺栓或銷釘固定。頂升時(shí)，用銷釘將下支座固定在頂升支架上，上支座與頂升支架脫離。當(dāng)千斤頂達(dá)到頂升行程時(shí)，用銷釘將上支座固定在頂升支架上，拔掉下支座與頂升支架的銷釘，使下支座與頂升支架脫開。千斤頂回油卸載時(shí)，千斤頂帶動(dòng)下支座同時(shí)回位（圖4）。頂升支架及支座的鋼材材質(zhì)均為Q235B，銷釘采用Q345B鋼棒制作，鋼管上所有連接螺栓孔均采用專用機(jī)器沖孔。

為確保頂升支架和支座在施工過程中滿足要求，采用Midas Gen軟件對(duì)支架進(jìn)行建模，分析其整體穩(wěn)定性、分肢穩(wěn)定性、各綴條的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。從模型中提取支座支撐梁端部?jī)?nèi)力，然后根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》復(fù)核銷釘?shù)目辜舫休d力、螺栓孔的局部承壓承載力，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇相應(yīng)型號(hào)的銷釘和配套螺栓孔。

因屋面不允許鉆孔，故在施工時(shí)采用頂升支架底部坐漿的方法進(jìn)行整平處理。計(jì)算時(shí)假定支座沿豎向剛度無窮大，2個(gè)水平方向采用鋼與混凝土之間的摩擦因數(shù)μ＝0.4作為水平剛度，限制平動(dòng)而釋放轉(zhuǎn)動(dòng)。頂升作業(yè)時(shí)采用4臺(tái)千斤頂同時(shí)頂升，為保證頂升時(shí)支架的安全，上部荷載考慮自重工況和10年一遇的基本風(fēng)壓同時(shí)存在，計(jì)算自重荷載時(shí)取1.2的不均勻系數(shù)、1.35的荷載組合分項(xiàng)系數(shù)以及1.1的動(dòng)力系數(shù)。經(jīng)計(jì)算（圖5），頂升支架和支座各部分均能滿足規(guī)范要求。

4.3 鋼桁架頂升過程分析

圖4 頂升支架及支座

圖5 頂升支架計(jì)算結(jié)果

鋼桁架在頂升施工過程中，頂升點(diǎn)位置與設(shè)計(jì)的支座位置相比發(fā)生了較大的變化，而且頂升點(diǎn)也不在桁架節(jié)點(diǎn)位置。為確保鋼桁架結(jié)構(gòu)在施工時(shí)能夠滿足要求，應(yīng)對(duì)鋼桁架進(jìn)行施工過程模擬分析，對(duì)不滿足的桿件應(yīng)進(jìn)行加固處理。計(jì)算時(shí)將桁架與千斤頂頂升支座的接觸點(diǎn)作為支座，支座的邊界條件假定豎向剛度無窮大，水平方向的剛度取鋼材之間的摩擦因數(shù)μ＝0.3。計(jì)算過程中桁架弦桿與腹桿管徑的比值及桿件長(zhǎng)度與管徑的比值均滿足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中管桁架的相關(guān)規(guī)定，腹桿兩端均按鉸接進(jìn)行設(shè)計(jì)。從計(jì)算結(jié)果（圖6）可以看出，桁架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在千斤頂頂升點(diǎn)處，最大應(yīng)力為57.1 MPa，小于305 MPa的許用應(yīng)力，施工驗(yàn)算滿足要求。

圖6 鋼桁架頂升施工驗(yàn)算

4.4 頂升施工

頂升設(shè)備采用4臺(tái)100 t雙作用法蘭自鎖式液壓千斤頂，1臺(tái)油泵工作站以及1臺(tái)YT-1型同步控制系統(tǒng)作為同步操作控制平臺(tái)，通過計(jì)算機(jī)控制相關(guān)數(shù)據(jù)，給每臺(tái)千斤頂按設(shè)定值進(jìn)行供油，統(tǒng)一發(fā)布控制指令，再同步進(jìn)行分級(jí)加載頂升施工。頂升作業(yè)施工過程分為試頂升和正式頂升2步。

1）試提升。通過試提升可以對(duì)鋼桁架、千斤頂、油泵站進(jìn)行系統(tǒng)觀察和監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證施工工況與計(jì)算機(jī)模擬工況及設(shè)計(jì)條件是否相符，保證整體頂升過程的安全。在試頂升階段分7級(jí)進(jìn)行加載，分別為設(shè)計(jì)值的20%、40%、60%、75%、90%、95%和100%，每級(jí)加載完畢，均應(yīng)暫停并對(duì)上下支座托梁、銷釘及螺栓孔在加載前后的變形情況進(jìn)行檢查，確保正常后，繼續(xù)進(jìn)行下一級(jí)加載。各分級(jí)加載完畢后，鋼桁架離開屋頂拼裝胎架，上升達(dá)到2個(gè)頂升支架上螺栓孔間距，即200 mm，停留24 h，全面檢查各設(shè)備運(yùn)行及結(jié)構(gòu)體系的情況。各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求后，方可進(jìn)行正式頂升。

2）正式提升。在正式提升階段分4級(jí)進(jìn)行加載，分別為設(shè)計(jì)值的30%、60%、85%和100%，施工步驟與試頂升相同。每頂升一步千斤頂行程，替換一下插銷在上下支座的位置，直到將鋼桁架整體頂升到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，將上支座與頂升支架用銷釘插緊即可撤掉頂升設(shè)備。然后，搭設(shè)操作平臺(tái)，并對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域鋪設(shè)安全防護(hù)網(wǎng)，將主桁架對(duì)口焊接。為保證焊接質(zhì)量，在焊接過程中應(yīng)采取必要的防風(fēng)和防雨措施。

5 結(jié)語

本工程鋼桁架跨度大、質(zhì)量重，又受場(chǎng)地條件限制，只能在屋面上進(jìn)行分段拼裝，然后再通過分段提升后完成整體拼裝，對(duì)同步頂升方案中的頂升點(diǎn)位置、頂升過程的垂直度、懸挑段的豎向變形等控制要求都比較高。為充分保證最后拼裝的整體質(zhì)量，施工前先進(jìn)行頂升支架的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性的計(jì)算，對(duì)鋼桁架在指定頂升點(diǎn)進(jìn)行符合實(shí)際的模擬分析。在施工過程中按照設(shè)計(jì)要求，對(duì)焊接精度逐項(xiàng)進(jìn)行嚴(yán)格檢查，對(duì)垂直度和水平位移進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控，對(duì)頂升設(shè)備提前標(biāo)定并進(jìn)行試頂升等相關(guān)工作。項(xiàng)目成功融合了整體同步頂升施工工藝的先進(jìn)性，使整個(gè)過程順利完工，并在經(jīng)濟(jì)與工期方面均取得了明顯的成效，為以后類似工程的施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。