大跨度鋼結(jié)構(gòu)梁分段吊裝施工技術(shù)探索

蘇廣利 胡 慧

(上海建工五建集團有限公司，陜西 西安 710068)

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，人們對建筑物的要求已經(jīng)從“實際使用功能”的角度提升到涵蓋功能多樣性、設(shè)計美學(xué)性、綠色環(huán)保性等多個方面，各種造型新穎、環(huán)境友好和節(jié)能的建筑結(jié)構(gòu)類型也在涌現(xiàn)。為了滿足這種建筑施工的需求，大跨度空間結(jié)構(gòu)因具有自重輕、輕度高、抗震性能優(yōu)良、內(nèi)部空間利用率高、安裝施工便捷等特點，成為了當(dāng)下結(jié)構(gòu)設(shè)計的首選。在諸如體育場館、大規(guī)模廠房、會議中心等項目的建設(shè)中得到了大量運用。大跨度空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的實際應(yīng)用狀態(tài)和情況已被廣泛地作為一個國家的文明和社會發(fā)展水平的象征，并已經(jīng)成為一個國家的建筑科學(xué)技術(shù)水平最高的重要標(biāo)準(zhǔn)[1]。

鋼結(jié)構(gòu)梁應(yīng)用于大跨度屋蓋中，由于跨度大不便于運輸和制作，故需將預(yù)制鋼桁架分段運輸至現(xiàn)場吊裝連接，從而形成整體結(jié)構(gòu)。在大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工中，由于鋼構(gòu)件長、截面大、構(gòu)件重等特點，使得吊裝方式、順序、位移和應(yīng)力控制都成為施工控制的核心問題[2-7]。這對施工技術(shù)提出了更高的要求，面對復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)項目，需要根據(jù)質(zhì)量、安全、成本、工期等全生命周期角度出發(fā)，制定出有針對性的施工方案。文章在探討大跨度空間施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工程深入分析，對施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)提出解決辦法。

1 工程概況

本工程位于河南省鄭州市劉寨鎮(zhèn)銀基國際旅游度假區(qū)，項目用地面積為109 840.35 m2，總建筑面積159 996.21 m2，其中地上建筑面積116 994.04 m2；地下建筑面積43 002.17 m2。其中宴會廳位于裙房三層，其頂棚鋼梁區(qū)域覆蓋面積1 634 m2，主梁跨度達(dá)30.6 m，單件重量15.9 t。頂棚凈高13.5 m，鋼梁覆蓋區(qū)域位于宴會廳屋蓋結(jié)構(gòu)的中央位置，周圍存在裙房。鋼結(jié)構(gòu)工程主要包括承受屋面荷載的豎向結(jié)構(gòu)體系及屋面平面框架體系，其中豎向結(jié)構(gòu)體系由15根H型鋼勁性混凝土柱組成，主要規(guī)格為：BH600×400×25×30，共15根，最大吊重北側(cè)柱為3.5 t，南側(cè)為3.4 t；平面體系由縱橫向H型鋼主次梁組成，主要規(guī)格分別為：H1 200×400×22×30,H1 700×400×24×34,H400×200×8×12，縱向梁分為三段，依次為：北側(cè)43根，中部37根，南側(cè)43根，最大吊重均為：5.3 t，如圖1所示。

2 鋼梁吊裝方案

2.1 施工總體思路

本工程鋼柱最大重量3.5 t，主梁跨度30.2 m，單根重量15.9 t。采用STT553塔吊吊裝，塔吊臂長70 m，回轉(zhuǎn)范圍內(nèi)剛好覆蓋鋼梁吊運安裝區(qū)域，且大臂末端起重時起重量5.65 t，結(jié)合STT553塔吊吊裝性能將鋼梁分三段加工(吊裝方案確定好后進行圖紙深化)，以減小單次起吊重量，使主梁起吊重量15.9 t變?yōu)榉侄螁未纹鹬?.3 t，這樣主要矛盾得到解決。此方案優(yōu)點在于大型塔吊能充分發(fā)揮塔吊起重臂的高度優(yōu)勢和對吊裝范圍的覆蓋優(yōu)勢，塔吊司機對吊裝過程可視，易于控制；鋼構(gòu)件在地面起吊，避免構(gòu)件中途駁運過程；塔吊租賃費用約6 000元/d，機械租賃費較低，吊裝視線好，安全可靠，經(jīng)濟便捷。

相較于小噸位汽車吊在裙房頂板進行吊裝，機械投入費用少，且不需要大面積預(yù)留內(nèi)模架支撐，減少鋼管租賃費。從安全第一，經(jīng)濟與便捷的原則，項目部進行充分的討論，綜合考慮與對比下選擇該方案實施。

根據(jù)施工起拱3 cm的設(shè)計要求，項目部也經(jīng)過了充分策化，采用了極為經(jīng)濟的實施方案：利用現(xiàn)場使用的QTZ80塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)作為鋼梁高空拼接的操作平臺(鋼梁對接、施焊作業(yè))，塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上設(shè)計制作一種簡易支座平臺，平臺中心安裝液壓千斤頂，調(diào)節(jié)施工起拱高度以滿足起拱設(shè)計及施工要求，且周轉(zhuǎn)利用，較大限度節(jié)省施工投入。較常規(guī)鋼管腳手架為臨時支撐減少大量的鋼管租賃費和搭設(shè)人工費，如圖2所示。

2.2 施工中存在的問題

在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展中，出現(xiàn)越來越多的復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)體系，伴隨出現(xiàn)了諸多力學(xué)、技術(shù)等施工問題，隨著工程要求的提高，施工難度也在不斷增加。其中就包括設(shè)置臨時支撐柱對結(jié)構(gòu)安全的影響及分析[8]。在大跨度鋼梁安裝過程中，由于水平構(gòu)件與水平支撐、豎向構(gòu)件形成空間結(jié)構(gòu)，其失穩(wěn)臨界荷載較小。因此，在施工荷載和水平荷載的影響下，構(gòu)件容易產(chǎn)生變形和失穩(wěn)。在本工程大跨度鋼結(jié)構(gòu)梁吊裝采用分段吊裝工藝，必須設(shè)置臨時支撐，確保鋼結(jié)構(gòu)施工安全。

針對這個問題，本工程擬采用塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)作豎向支撐體系，采用纜風(fēng)繩作為水平支撐的保障措施，形成“塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支架+槽鋼支架+千斤頂(木墊板)+纜風(fēng)繩”的支撐系統(tǒng)，擴大臨時支撐區(qū)域，以此降低鋼梁架對底板的水平推力和鋼梁架的最大豎向撓度，形成空間穩(wěn)定體系；根據(jù)需要在鋼架頂部安放千斤頂及木墊板支撐分段吊裝的鋼梁，調(diào)節(jié)千斤頂高度完成鋼梁的起拱要求，便于順利分段吊裝施工。

3 屋面型鋼分段吊裝

3.1 支撐架體系

宴會廳鋼梁頂棚駕越于三層樓板(樓板標(biāo)高±0.000 m)，由南、北15根勁性柱作為支撐，頂棚臨空高度11.68 m，為完成鋼梁的高空拼接工作，項目部采用QTZ80塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組裝形成鋼梁的安裝支架，單個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)尺寸1 645 mm×1 645 mm×2 800 mm，單個支架由四個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組裝而成，坐落于3層樓板，為了保護和加固三層樓板，保留樓板下層延伸至基礎(chǔ)頂1 200×900的模板排架。設(shè)置支架頂部標(biāo)高11.20 m，距離鋼梁下弦為0.48 m，在此空隙，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)構(gòu)造用20號槽鋼靜焊而成的鋼架坐于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支架頂部，鋼架6個支撐腳設(shè)置成“凹”型企口卡于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的橫梁和斜梁上，在水平方向上形成固定體系避免橫向滑移。以此形成“塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支架+槽鋼支架+千斤頂(木墊板)”的支撐體系，用鋼絲繩將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與四周混凝土柱進行拉結(jié)，以確保支撐架體的穩(wěn)定，如圖3所示。

3.2 型鋼梁分段錨固

根據(jù)設(shè)計要求和規(guī)范規(guī)定，采用高強螺栓方式連接的構(gòu)件，在構(gòu)件出場前進行預(yù)拼裝。構(gòu)件連接處油污及浮銹清除干凈，接觸面采用噴砂處理。并制定了如圖4所示高強螺栓安裝工藝流程。

在施工過程中還要注意：

1)腹板處高強螺栓安裝順序以軸線編號小為起始，穿入方向根據(jù)施工情況，便捷為主。

2)高強螺栓的安裝應(yīng)在結(jié)構(gòu)件位置調(diào)整準(zhǔn)確后，根據(jù)規(guī)定，設(shè)置穿入不少于30%節(jié)點孔數(shù)，嚴(yán)禁強行穿入和擴孔后穿入。

3)高強螺栓與結(jié)構(gòu)件組裝時，螺母的圓臺一側(cè)應(yīng)與墊圈有倒角一側(cè)相接。

4)修孔時，該孔應(yīng)使用鉸刀進行修整，修整后孔的最大直徑滿足設(shè)計和施工規(guī)范要求，做好相關(guān)預(yù)防措施，防止鐵屑落入板迭縫中。

5)根據(jù)規(guī)范規(guī)定，安裝高強螺栓確保摩擦面的摩擦系數(shù)達(dá)到設(shè)計要求。

6)螺栓采用兩次緊固。第一次初擰采用定矩扳手，緊固到螺栓設(shè)計預(yù)拉力的70%，第二次終擰達(dá)到設(shè)計值，定矩扳手需要檢定合格方可使用。

7)高強螺栓在緊固時，連接處的螺栓從中間向外對稱，依次擰緊。

3.3 型鋼梁分段吊裝和焊接

1)吊裝施工。所有鋼梁吊裝前應(yīng)核查編號和設(shè)計吊點，使鋼梁平衡起吊，吊索角度控制在60°為宜，構(gòu)件吊點處采用麻布或橡膠皮進行保護，布置情況如圖5所示。鋼梁水平吊至安裝部位，使主梁一端與勁性柱拼接處吻合，用塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支架體系作為支撐，用支撐架上千斤頂托起鋼梁另一端使鋼梁受力而保持靜止，由技術(shù)工人完成主梁與勁性柱的臨時錨固工作。在完成橫向跨度內(nèi)兩側(cè)勁性柱與單段主梁的焊接工作后，吊運中間段主梁，用兩個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支架體系托起主梁梁端，完成中間段主梁與兩側(cè)同跨度內(nèi)主梁的臨時拼接工作。

鋼梁吊運到安裝位置時，用兩端溜繩旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)安裝軸線，隨之緩慢落鉤。梁的方向和連接板同向，鋼梁找正就位后用安裝螺栓臨時固定，固定穩(wěn)妥后方可脫鉤。按照主、次梁吊裝順序分別吊裝。梁頭掛吊欄用于工人拼裝和焊接的操作平臺。鋼梁吊裝到位后進行校正、檢查、初擰，待該層鋼梁全部安裝到位和校正后換高強螺栓完成初擰、終擰和焊接施工。

2)焊接施工。本工程存在焊縫間隙過大的情況，應(yīng)采用堆焊工藝，在坡口的單側(cè)或兩側(cè)堆焊，以增加構(gòu)件長度和減小組裝的間隙，如圖6所示。單板厚大于一定的厚度時，在焊接之前應(yīng)考慮進行焊前的預(yù)熱，使母材預(yù)熱到一定的溫度后，再進行焊接。焊接結(jié)束后，為避免熱量散發(fā)過快，進行焊縫焊后的保溫。

3.4 支撐體系拆卸方案

在主體結(jié)構(gòu)拼接完成，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)聯(lián)合驗收合格后，即準(zhǔn)備支撐體系的拆卸。為了避免在拆卸過程中發(fā)生加大的應(yīng)力重分布，順利過渡到設(shè)計狀態(tài)，確保屋面鋼梁協(xié)同受力，此時確定合理的拆卸順序和措施，成為了保證支撐體系拆卸成功的關(guān)鍵。本項目采用整體分組逐步拆卸法，遵循下列要求：

1)拆卸采取“中心對稱”的原則，由中間向兩邊逐段施工。首先拆除支撐系統(tǒng)的纜風(fēng)繩，此時將結(jié)構(gòu)在拆卸過程中作為一個整體考慮，確保結(jié)構(gòu)受力狀況滿足要求。

2)其次拆除支撐系統(tǒng)的豎向支撐體系，此時將豎向支撐體系以“組”或“幾組”為單位拆分，逐組拆卸臨時支撐系統(tǒng)，通過調(diào)整單組豎向支撐體系頂部的千斤頂，使千斤頂油缸回位，支撐下降，保證結(jié)構(gòu)在拆卸過程中“荷載穩(wěn)定、平衡轉(zhuǎn)移”。在拆卸過程中設(shè)置控制點，嚴(yán)格控制拆卸時的精度和一致性。

3)最后將單組豎向支撐體系分槽鋼和塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拆卸，通過塔吊先將千斤頂下方的槽鋼支撐體系逐個吊出，隨后對豎向支撐體系內(nèi)采用的塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)整體吊出，置于施工場地內(nèi)分段拆卸。塔吊施工時要選擇晴天無雨或風(fēng)力小于6級的天氣，以確保施工的安全性。

4 結(jié)語

4.1 取得效益

現(xiàn)場使用QTZ80塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)作為鋼梁分段吊裝拼接的支撐架，聯(lián)合上部鋼支架的運用以及千斤頂?shù)牟贾眯纬梢粋€支架系統(tǒng)。在經(jīng)濟上，由于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)可以用塔吊直接吊運組裝，利用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)剛度大的優(yōu)勢，上部支架也可重復(fù)利用。此項運用因地制宜，產(chǎn)生費用少，減少了傳統(tǒng)支架搭設(shè)過程中的人工費及材料費，根據(jù)現(xiàn)場鋼梁拼裝點的個數(shù)(38個)，材料租賃費及人工工資水平，此項費用節(jié)約成本約70 000元。在社會效益上，塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支架系統(tǒng)的運用是公司管理水平的體現(xiàn)，為以后的類似工程提供參照，可與其他施工單位共同學(xué)習(xí)和探討，以利于更好地創(chuàng)新。

4.2 推廣價值

大跨度鋼梁吊裝施工方法通過將鋼梁合理分段，使單次起重量與塔吊起重性能相匹配；借助于塔吊臂長的優(yōu)勢，完成構(gòu)件的吊運工作；通過借用現(xiàn)場塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)作為鋼構(gòu)件拼裝的支撐架；并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)構(gòu)造用槽鋼設(shè)計精悍而成特定鋼支架，鋼支架上布置千斤頂和木墊板，補充支撐高度，以實現(xiàn)拼裝鋼構(gòu)件標(biāo)高的控制。本吊裝方法在冰雪酒店項目宴會廳頂棚鋼梁吊裝工程中得到了良好的運用，在今后類似工程中可以加以借鑒。