大跨度H型及箱型鋼梁吊裝施工技術(shù)

王平，劉上鑫，吳碧蓮，郭永旺，涂魏矯

（北京建工四建工程建設(shè)有限公司，北京 110103）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展，體育場館建設(shè)越來越多，由于要滿足各種體育活動的需求，設(shè)計(jì)常采用大跨度鋼梁來提升空間，這對施工技術(shù)提出了更高的要求。針對大跨度鋼梁安裝提出“構(gòu)件高空散裝+支撐鋼架+支撐鋼架移動軌道”的吊裝方法，預(yù)先制定出吊裝施工的具體專項(xiàng)方案，并對其可行性與安全性進(jìn)行論證，是施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵步驟。國內(nèi)外許多專家與學(xué)者對大跨度鋼梁的安裝做了深入研究，取得了大量研究成果，本文基于實(shí)際項(xiàng)目對大跨度H型以及箱型鋼梁的吊裝施工技術(shù)進(jìn)行分析。

1 工程概況

項(xiàng)目工程位于北京市豐臺區(qū)花鄉(xiāng)鎮(zhèn)樊家村，南側(cè)臨近馬草河，東側(cè)臨近郭公莊路，北側(cè)為康辛路，其中8#樓單體為框架結(jié)構(gòu)的體育館，建筑高度為36m。項(xiàng)目二、六層為大跨H型鋼梁和箱型鋼梁，H鋼梁規(guī)格為H1900x650x36x36，箱型鋼梁規(guī)格為□1600x400x30x30，鋼梁跨度為32.2m；二層與四層大跨鋼梁共26根，其中H鋼梁分為4段，箱型鋼梁分為5段，二層大廳高13.8m，四層大廳高10.9m。二、四層大跨鋼梁平面布置圖如圖1所示。

圖1 二、四層大跨鋼梁平面布置圖

2 施工重難點(diǎn)

（1）二層、四層鋼梁跨度為32.2m，受運(yùn)輸與吊重限制需合理分段，現(xiàn)場對接精度要求高。

（2）鋼梁自重較大，鋼梁在自重和其他荷載下會出現(xiàn)下?lián)系默F(xiàn)象。

（3）在塔吊使用受限制的情況下需注意安全移動支撐架的問題。

（4）鋼結(jié)構(gòu)主要的連接方式為焊接，大量運(yùn)用會引起構(gòu)件變形。

3 施工方案

大跨鋼梁的施工方法有很多，主流的有：高空原位安裝技術(shù)[1]、單根鋼梁提升技術(shù)、提升結(jié)合滑移安裝技術(shù)[2]等。根據(jù)工程實(shí)際情況，體育館的四周未回填，不宜使用汽車吊，而塔吊最大起重參數(shù)為10t，綜合這些情況，施工現(xiàn)場采用高空散裝的施工技術(shù)。吊裝施工流程如下：放置臨時安裝措施架→綁扎起吊→穿入安裝螺栓→測量調(diào)整鋼梁標(biāo)高（中間段起拱）→用高強(qiáng)螺栓替換安裝螺栓→高強(qiáng)螺栓終擰→鋼梁焊接→鋼梁超聲波探傷（探傷合格）→臨時安裝措施架移除。

3.1 臨時安裝措施架制作

施工過程充分結(jié)合BIM施工過程模擬情況，在大梁斷開處設(shè)置臨時支撐架；臨時支撐架由工字鋼通過大六角螺栓和焊接的方式組裝而成，支撐底部為鉸接鏈接，節(jié)間鏈接為剛接。構(gòu)件材質(zhì)均為Q235B，立柱和橫梁均為H200x100x6x10，斜向撐桿為L75x5。其規(guī)格為2000mm x2000mm的井字架，高度為8.78m和9.08m。支撐架井字架構(gòu)造圖[3]如圖2所示。

圖2 支撐架井字架構(gòu)造圖

3.2 臨時安裝措施架放置與移動

大跨度鋼梁安裝中，臨時支撐架作為鋼梁重力的承載架，需要把鋼梁的重量均勻傳遞到混凝土樓板上，同時支撐架在樓板上需按指定路線移動，在井字架下方添加移動導(dǎo)軌，使用卷揚(yáng)機(jī)固定在前方柱子上，拉動支撐架在導(dǎo)軌上移動，并用塔吊扶著支撐架，防止支撐架傾斜。

在與支撐架移動的平行方向焊接槽鋼，槽鋼開口朝上，以避免移動時支撐架與混凝土樓面產(chǎn)生較大摩擦，同時也有利于在承受荷載時分散荷載，保證結(jié)構(gòu)的安全性。支撐架一共設(shè)置10個，采用流水式施工方法。當(dāng)一根鋼梁安裝完成24小時后進(jìn)行探傷檢測，檢測合格后卸載，再移動支撐架進(jìn)行下一組鋼梁的安裝，循環(huán)往復(fù)，每層大跨鋼梁（13根鋼梁）的安裝用時15天即可安裝完成。臨時支撐架的安裝布置圖如圖3所示。

圖3 臨時支撐架平面圖

3.3 鋼梁吊裝

受場地影響，200t以下汽車以及大型吊車均不能滿足現(xiàn)場起吊鋼梁要求，故采用6#號塔式起重機(jī)（C7050），8#樓體育場范圍全覆蓋。塔式起重機(jī)塔尖最大起吊重量為15t,構(gòu)件最大重量為10t,滿足使用要求。

鋼梁吊裝的過程為從北向南依次進(jìn)行吊裝。為確保鋼梁拼裝成一條直線，采用水準(zhǔn)儀測量腹板南北方向是否在同一條直線上；鋼梁高度位置采用全站儀進(jìn)行測量調(diào)整，鋼梁就位后不摘鉤，進(jìn)行鋼梁的標(biāo)高調(diào)整；調(diào)整完畢后，用角鐵將鋼梁下翼緣與支撐架固定，防止在拼裝下一段鋼梁時發(fā)生移位。

3.4 鋼梁預(yù)起拱

由于鋼梁采用現(xiàn)場安裝焊接，跨度較大且每根自重達(dá)32t，且鋼梁上還有120mm的鋼勁混凝土，考慮到鋼梁會因?yàn)楹奢d的原因出現(xiàn)下?lián)锨闆r，為避免鋼梁在受到自重與混凝土的重量影響下而出現(xiàn)下?lián)系默F(xiàn)象，鋼梁在安裝時應(yīng)采取預(yù)起拱的措施，預(yù)起拱高為2cm；起拱位置為鋼梁長度方向的中間位置，鋼梁上翼緣整體呈弧線形，最高位置與最低位置高差為2cm。

3.5 臨時支撐受力極限分析和極限承重模擬

計(jì)算荷載模型假定該工程支撐架上部承受總計(jì)8t的鋼梁荷載，分?jǐn)傇陧敳克母鶛M梁上，每根承受20000N荷載，另外考慮了臨時支撐各構(gòu)件自重荷載。分析分為兩種情況：（1）不考慮風(fēng)荷載；（2）考慮風(fēng)荷載。北京地區(qū)基本風(fēng)壓為0.35kN/m2，分布于立柱上，則正面線荷載為0.8×0.35×2.2/2=0.3kN/m；背面線荷載為0.5×0.35×2.2/2=0.2kN/m，分左風(fēng)和正面風(fēng)分別施加，并與上端面荷載組合1.3D+1.5W。

3.5.1 不考慮風(fēng)荷載

（1）SAP2000計(jì)算結(jié)果

變形結(jié)果：頂部變形最大，其中頂部橫梁變形最大為1.36mm，小于橫梁彈性變形限值2200/400=5.5mm；其他構(gòu)件變形均小于1mm，滿足要求，如圖4所示。

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果：頂部應(yīng)力最大，橫梁最大應(yīng)力為53.38MPa，立柱最大應(yīng)力為29.15MPa，斜撐最大應(yīng)力為20.2MPa，均小于Q235B的設(shè)計(jì)應(yīng)力205MPa，滿足要求，如圖5所示。

圖5 支撐架失效模型

（2）節(jié)點(diǎn)中間支座純剪切計(jì)算

3.5.2 考慮風(fēng)荷載

（1）SAP2000計(jì)算結(jié)果

變形結(jié)果：頂部變形最大，無論X向還是Y向均沿垂直于支撐所在面的方向發(fā)生側(cè)移，最大可達(dá)10mm。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果：頂部應(yīng)力最大，橫梁最大應(yīng)力65.77MPa，立柱最大應(yīng)力32.76MPa，斜撐最大應(yīng)力25.57MPa，均小于Q235B的設(shè)計(jì)應(yīng)力205MPa，滿足要求，如圖6、圖7所示。

圖6 支撐架失效模型圖

圖7 支撐架失效時水平偏移

（2）手算節(jié)點(diǎn)

根據(jù)構(gòu)件內(nèi)里分析，1.3D+1.5XW，支座部位鋼柱均受壓，最大剪力5190N，最大壓力65925N；1.3D+1.5YW，支座部位鋼柱均受壓，最大剪力4928N，最大壓力67778N。則根據(jù)計(jì)算假定，一個S10.9級高強(qiáng)螺栓規(guī)格為M20，摩擦系數(shù)0.4，得155000×0.9×1×0.4=55800N，因此每個柱腳至少需要1個高強(qiáng)螺栓。

支撐架在施工過程中最大受力狀態(tài)下的變形模擬如圖8。

圖8 受力云圖

3.6 鋼結(jié)構(gòu)焊接與卸載

針對泵工程焊接需求，采用“手工電弧焊+二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊”的組合焊接方法。由于二氧化碳保護(hù)焊焊絲較細(xì)，電流較大，熱量集中，熱影響區(qū)較窄，焊接變形較小，故二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊主要運(yùn)用于焊縫的正式焊接[4]。焊接時嚴(yán)格按照工藝評定的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接施工，鋼梁截面較大的位置采用2人對稱焊接的方式，同時施工前必須預(yù)熱以減少應(yīng)力產(chǎn)生。焊接順序?yàn)橛杀毕蚰弦来芜M(jìn)行焊接，有利于焊接應(yīng)力的釋放，同時鋼梁的兩端與鋼柱連接采取鉸接的方式進(jìn)行連接，此設(shè)計(jì)有利于減少焊接應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響。

鋼梁卸載前，焊縫必須進(jìn)行超聲波探傷，合格之后再卸載。卸載之后進(jìn)行標(biāo)高復(fù)測，觀測鋼梁復(fù)位情況，卸載之后還有一定的起拱量，這是因?yàn)闃前寤炷吝€未打，所以還存在起拱量；當(dāng)混凝土樓板澆筑完之后，再次進(jìn)行鋼梁的標(biāo)高測定。

4 BIM技術(shù)運(yùn)用

鋼結(jié)構(gòu)施工前期采用Tekla進(jìn)行構(gòu)件深化，通過三維軟件進(jìn)行可視化交底。施工過程中運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行施工模擬，更好地對“構(gòu)件高空散裝+支撐鋼架+支撐鋼架移動軌道”的吊裝方法進(jìn)行驗(yàn)證，及時更改方案中不合理的施工方法以及施工工序，從而有效控制施工成本，同時在結(jié)算過程中更能精確導(dǎo)出各種鋼材的使用量，從而降低預(yù)算人員因?yàn)橛?jì)算原因造成的額外損失。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

與采用大型塔吊、吊車相比，采用“構(gòu)件高空散裝+支撐鋼架+支撐鋼架移動軌道”進(jìn)行散拼可以節(jié)約大量資金。大跨度鋼梁一共26根，在整個單體建筑中所占吊次較少，故采用設(shè)立大型塔吊的方式不合理；由于場地限制，可設(shè)立吊車位置距離安裝大跨度鋼梁的位置較遠(yuǎn)，要滿足吊裝鋼梁的需求，只能使用500t吊車，而采用支撐架進(jìn)行施工，可節(jié)約高昂的施工機(jī)具費(fèi)用。本技術(shù)與采用大型塔吊、吊車的費(fèi)用分析見表1。

表1 經(jīng)濟(jì)分析表

6 結(jié)論

在實(shí)際施工過程中采用高空散拼進(jìn)行大跨度鋼梁安裝的方法比較傳統(tǒng)，在施工工期較短、施工場地受限的施工場景中，運(yùn)用支撐架輔助進(jìn)行散拼的施工方法在施工項(xiàng)目中依然較為常見。在大跨度H型以及箱型鋼梁廣泛運(yùn)用于體育場、商場等公共建筑中的情況下，通過對“構(gòu)件高空散裝+支撐鋼架+支撐鋼架移動軌道”的施工技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，可為以后大跨度H型以及箱型鋼梁的吊裝施工提供相應(yīng)的技術(shù)參考。