大跨度拱形鋼管桁架雙片組合分段吊裝

藍(lán)祥畢 楊 淵

廣西建工第一建筑工程集團(tuán)有限公司 廣西 南寧 530001

近年來(lái)，鋼管桁架因其良好的受力性能在大跨度空間結(jié)構(gòu)中大受青睞，建筑師也熱衷于在大跨度上不斷加碼，但超長(zhǎng)超重的鋼管桁架也給吊裝施工帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。目前普遍采用將桁架化整為零后再吊裝合攏的施工方式，但大部分方案僅考慮吊裝單元質(zhì)量與機(jī)械起重量是否匹配，并未考慮建筑外框架對(duì)桁架吊裝的限制，也未考慮各榀桁架分割后重新組合的可能性，最終陷入吊裝和高空就位次數(shù)多、工期不易把控的局面[1-2]。

本文通過(guò)BIM技術(shù)對(duì)單片桁架吊裝質(zhì)量、建筑外框架限制、起重設(shè)備吊裝性能、安裝胎架受力性能等因素進(jìn)行了分組組合模擬分析，采用“單榀桁架分段，分段后相鄰2榀組合；先吊裝邊跨固定，后吊裝中跨合攏”的吊裝方案，并在后續(xù)的吊裝施工中通過(guò)了實(shí)踐驗(yàn)證。該技術(shù)能有效將吊裝施工的設(shè)計(jì)工作前移至深化設(shè)計(jì)階段，減少了吊裝次數(shù)和高空定位次數(shù)，縮短了吊裝工期。

1 工程概況

百色市體育中心二期體育館項(xiàng)目位于廣西壯族自治區(qū)百色市，建成后將作為廣西壯族自治區(qū)第十四屆全區(qū)運(yùn)動(dòng)會(huì)的主場(chǎng)館。體育館外觀為葉子形狀（圖1），其屋面為大跨度拱形鋼管桁架結(jié)構(gòu)，屋面最高點(diǎn)標(biāo)高37.5 m，長(zhǎng)軸方向長(zhǎng)度171 m，單榀桁架最大跨度達(dá)87 m，重達(dá)28.5 t，施工吊裝難度大。

圖1 項(xiàng)目效果圖

2 方案設(shè)計(jì)

1）通過(guò)已建立的Tekla模型進(jìn)行可視化操作，合理地選取桁架分段位置，主要做以下考慮：

① 由于屋蓋呈葉子形，中間較長(zhǎng)的6榀框架需根據(jù)其質(zhì)量考慮多分段，兩邊的框架少分段。

② 按照規(guī)范要求，弦桿在節(jié)點(diǎn)間最多只能設(shè)置1個(gè)接頭，對(duì)接焊縫留在節(jié)間長(zhǎng)的1/3附近。

③ 結(jié)合吊裝設(shè)備，體育館外部可以擺放大型履帶吊車，但僅有小型汽車吊方能進(jìn)入場(chǎng)館內(nèi)部，所以考慮采用增大邊跨段、減小中跨段的分解方式，以便在場(chǎng)館內(nèi)外使用相應(yīng)起重能力的吊車吊裝。

④ 分段應(yīng)避開桁架受力較大處。

⑤ 為減少吊裝次數(shù)，將分段后的桁架再按相鄰位置兩兩組合作為一個(gè)吊裝整體，在Tekla軟件中同步查詢組合后的桁架質(zhì)量是否匹配吊車起重量，否則應(yīng)調(diào)整分段和組合，直至達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

⑥ 腹桿在分段處不斷開，在合攏過(guò)程中同步安裝。

2）在進(jìn)行吊裝受力分析時(shí)，Tekla模型經(jīng)轉(zhuǎn)換為Revit模型后再導(dǎo)入Midas Gen軟件，可進(jìn)行吊裝受力計(jì)算分析。根據(jù)應(yīng)力變形，確定桁架雙片組合單元的吊裝鋼絲繩數(shù)量、捆綁點(diǎn)及捆綁角度。

3）在吊裝施工階段，單段桁架先兩兩起吊至裝配式格構(gòu)柱胎架進(jìn)行組裝焊接，然后再整體吊裝到裝配式單元格構(gòu)柱臨時(shí)支撐架就位安裝。

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程

BIM軟件建模、深化→鋼構(gòu)件工廠加工→裝配式單元格構(gòu)柱臨時(shí)支架安裝→拼裝胎架安裝→單片桁架分段拼裝、雙片分段桁架組合拼裝→焊縫探傷→焊縫補(bǔ)涂→兩邊跨桁架段吊裝→中間跨桁架段吊裝合攏→連系桿件安裝→焊縫清理、噴涂→臨時(shí)支撐架卸荷拆除→驗(yàn)收

3.2 關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

3.2.1 深化設(shè)計(jì)

采用Tekla Structures軟件進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)建模，以中間較長(zhǎng)6榀桁架為例，按設(shè)計(jì)方案將單榀桁架分為3段，分段后的桁架再按相鄰位置兩兩組合（圖2），在軟件中同步查詢組合后的雙片桁架質(zhì)量，并經(jīng)綜合調(diào)整后確定單次起吊質(zhì)量及起重設(shè)備型號(hào)。邊跨選定400 t級(jí)履帶吊吊裝，中跨選定100 t級(jí)汽車吊吊裝。

圖2 單榀桁架分段再組合

3.2.2 裝配式單元格構(gòu)柱臨時(shí)支架安裝

結(jié)合分段吊裝單元質(zhì)量、起重設(shè)備安裝工況及模擬計(jì)算分析，確定在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)布置22個(gè)裝配式單元格構(gòu)柱臨時(shí)支撐架（圖3）。架體采用四肢鋼柱混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)（圖4），基礎(chǔ)隨工程主體底板施工同步進(jìn)行預(yù)埋。

圖3 臨時(shí)支撐架布置

圖4 四肢鋼柱混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

支撐架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)按最不利工況進(jìn)行驗(yàn)算。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上部焊接雙排20a#工字鋼，工字鋼上焊接φ180 mm×12 mm的鋼管立柱作為桁架支撐的底座，立柱高度結(jié)合臨時(shí)支撐鋼管高度、桁架設(shè)計(jì)標(biāo)高、設(shè)計(jì)預(yù)拱確定。

為增強(qiáng)臨時(shí)支撐架的防傾覆能力，在支墩2/3高度處增設(shè)縱向支撐，在端跨處設(shè)置剪刀撐，增強(qiáng)臨時(shí)支撐架的平面外整體穩(wěn)定性。

3.2.3 吊裝單元組裝

1）分段桁架地面焊接。各桁架單元在工廠加工完成。運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，根據(jù)安裝位置卸在相應(yīng)的拼裝場(chǎng)地，在地面利用平面型鋼拼裝胎架進(jìn)行分段單片拼裝。

2）雙片桁架組合拼裝。2組單片桁架在地面拼裝完成后，再吊運(yùn)至格構(gòu)式門形拼裝胎架處進(jìn)行雙片桁架組合拼裝。雙片桁架吊裝單元需借助焊接胎架固定再進(jìn)行焊接。焊接胎架做法與格構(gòu)柱支撐架類似，在2個(gè)格構(gòu)柱支撐之間加裝角鋼格構(gòu)式連梁，連梁寬度同2榀桁架設(shè)計(jì)寬度，形成格構(gòu)式門形焊接胎架。

3.2.4 兩邊跨桁架段吊裝

吊裝單元經(jīng)焊縫探傷、補(bǔ)涂及驗(yàn)收合格后，從屋蓋中部開始向兩端對(duì)稱吊裝。

吊裝前，需對(duì)吊裝單元和鋼絲繩進(jìn)行受力分析。利用Tekla模型中的分析查詢構(gòu)件重心功能，輔助確定鋼絲繩捆扎點(diǎn)。Tekla模型經(jīng)過(guò)Revit軟件轉(zhuǎn)格式后導(dǎo)入Midas Gen軟件，可進(jìn)行吊裝受力計(jì)算分析。根據(jù)應(yīng)力及變形，確定桁架雙片組合單元的吊裝鋼絲繩數(shù)量、捆綁點(diǎn)及捆綁角度。

按設(shè)計(jì)方案，邊跨桁架采用400 t級(jí)履帶吊在體育館外側(cè)進(jìn)行。

3.2.5 中間跨桁架段吊裝合攏

中間跨合攏節(jié)段采用1臺(tái)100 t汽車吊進(jìn)入場(chǎng)館內(nèi)部進(jìn)行吊裝，必要時(shí)可配合塔吊。吊裝準(zhǔn)備工作同邊跨桁架段。

3.2.6 連系桿件安裝

每榀主桁架吊裝就位后立即吊裝連系桁架，形成整體結(jié)構(gòu)。連系桁架按工作區(qū)域可分別采用履帶吊、汽車吊、塔吊進(jìn)行吊裝，直至所有桁架桿件安裝完畢。

3.2.7 臨時(shí)支撐架卸荷拆除

所有桁架桿件焊接完成后，經(jīng)驗(yàn)收合格，需拆除臨時(shí)支撐，此時(shí)鋼桁架由臨時(shí)支架支撐轉(zhuǎn)換為完全依靠自身受力，臨時(shí)支撐架拆除過(guò)程中需合理釋放荷載，保證卸載過(guò)程安全過(guò)渡。

采用“分步驟多次循環(huán)微量下降”卸載方法，分步驟多次循環(huán)微量下降，每階段下降量按理論計(jì)算值下降，根據(jù)理論計(jì)算計(jì)劃分5個(gè)階段修割支撐點(diǎn)來(lái)進(jìn)行卸載。采用同步緩慢修割支撐點(diǎn)的方法，使桁架自然平緩地下降到第一階段，檢查桁架安全及整體下降情況，若正常則采用同樣的方法，下降到第二階段，重復(fù)進(jìn)行，直至桁架完全脫離支撐點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）運(yùn)用BIM技術(shù)將吊裝施工設(shè)計(jì)工作前移至深化設(shè)計(jì)階段，減少吊裝次數(shù)和高空定位次數(shù)，縮短吊裝工期。

2）利用格構(gòu)式門形拼裝胎架進(jìn)行雙片分段桁架組合拼裝，解決了大構(gòu)件分段拼裝問(wèn)題。

3）分段起吊后，借助裝配式單元格構(gòu)柱臨時(shí)支架進(jìn)行支撐焊接，最后進(jìn)行管桁架高空合攏，有效保證了施工質(zhì)量，并縮短了工期。

4）合理的分段質(zhì)量，搭配不同起重能力的起重設(shè)備分別在場(chǎng)館內(nèi)外進(jìn)行吊裝，減少對(duì)起重設(shè)備的需求，降低了吊裝難度。