異型鋼胎架在斜面大噸位鋼柱吊裝中的應(yīng)用技術(shù)

張振禮

0 引言

隨著時(shí)代和建筑材料科學(xué)的發(fā)展，異形建筑設(shè)計(jì)為建筑風(fēng)格和功能需求提供了更好的支撐。近年來(lái)鋼結(jié)構(gòu)因質(zhì)量相對(duì)較輕，易于構(gòu)筑復(fù)雜結(jié)構(gòu)造型，實(shí)現(xiàn)建筑師設(shè)計(jì)理念被應(yīng)用于各類異形公共建筑。較傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)形式，異形鋼結(jié)構(gòu)建筑為實(shí)現(xiàn)其獨(dú)特造型工程結(jié)構(gòu)形式更為復(fù)雜，施工工藝及質(zhì)量控制難度較大，因此須強(qiáng)化全過(guò)程施工工藝分析，優(yōu)選安裝方案，多舉措強(qiáng)化過(guò)程施工質(zhì)量控制。

1 工程概況

景德鎮(zhèn)綠地陶瓷文化旅游城項(xiàng)目位于景德鎮(zhèn)市昌南擴(kuò)展區(qū)，其中藝術(shù)中心展館為全鋼框架結(jié)構(gòu)，總用鋼量約4 327t，單體建筑面積約9 928m。建筑整體呈碗形發(fā)散狀，結(jié)構(gòu)外側(cè)斜面與自然水平面呈50°夾角，底部直徑約50m，頂部直徑約100m，共5 層。

鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)12 根大噸位斜鋼柱，單根重量為23.2t。吊裝過(guò)程控制拼接精準(zhǔn)度及確保焊接施工時(shí)鋼柱的穩(wěn)定性是斜面鋼柱施工質(zhì)量控制重難點(diǎn)。

2 方案設(shè)計(jì)

為保證鋼結(jié)構(gòu)斜面鋼柱吊裝質(zhì)量，經(jīng)方案設(shè)計(jì)擬采用12個(gè)長(zhǎng)方形格構(gòu)式胎膜架作為斜柱支撐（如圖1 所示）。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)斜面鋼柱胎膜架示意圖

在結(jié)構(gòu)大底板施工完成后，現(xiàn)場(chǎng)配備兩臺(tái)150t 履帶吊先將內(nèi)側(cè)豎直段鋼柱吊裝固定就位，按施工順序外側(cè)斜面鋼柱的鋼胎膜架放線定位焊接固定，分層分段進(jìn)行斜面鋼柱吊裝焊接及相應(yīng)連接鋼梁的安裝施工，最后分段拆除胎膜架。

3 斜面鋼柱施工模擬分析

施工過(guò)程模擬采用有限元軟件Midas Gen 進(jìn)行計(jì)算分析，鋼結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程模擬，模擬分析所涉及的荷載工況包括3 種類型，主要考慮恒載（D）、溫度荷載[升溫荷載T（+）、降溫荷載T（-）]、風(fēng)荷載（X 向風(fēng)荷載Wx、Y 向風(fēng)荷載Wy）等作為設(shè)計(jì)荷載依據(jù)。

確保各施工階段下結(jié)構(gòu)的承載力、變形、整體穩(wěn)定等性能的安全可靠，并依據(jù)過(guò)程模擬計(jì)算設(shè)計(jì)驗(yàn)算支撐胎架。施工步驟如下：

（1）第一階段：第一節(jié)斜柱及對(duì)應(yīng)鋼梁框架安裝。完成時(shí)最大變形矢量和約為2mm；最大組合應(yīng)力約為29MPa ＜215 MPa（支撐胎架采用Q235 鋼材），滿足要求。屈曲模態(tài)，最小一階屈曲因子為19.26。

（2）第二階段：第二節(jié)斜柱及對(duì)應(yīng)鋼梁框架安裝。完成時(shí)最大變形矢量和約為7mm；最大組合應(yīng)力約為64MPa ＜215 MPa（支撐胎架采用Q235 鋼材），滿足要求。屈曲模態(tài)，最小一階屈曲因子為18。

（3）第三階段：第三節(jié)斜柱及對(duì)應(yīng)鋼梁框架安裝。完成時(shí)最大變形矢量和約為10mm；最大組合應(yīng)力約為95MPa ＜215 MPa（支撐胎架采用Q235 鋼材），滿足要求。屈曲模態(tài)，最小一階屈曲因子為18.28。

（4）第四階段：胎架同步卸載。完成時(shí)最大變形矢量和約為15mm，X 向8mm，Y 向3mm，Z 向13mm；最大組合應(yīng)力約為90MPa ＜215 MPa，滿足要求。屈曲模態(tài)，最小一階屈曲因子為75.05。

四階段結(jié)構(gòu)組合變形分析如圖2 所示。

圖2 四階段結(jié)構(gòu)組合變形分析

從施工模擬分析結(jié)果中提取各個(gè)支撐點(diǎn)最不利荷載，對(duì)臨時(shí)支撐胎架進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果顯示：胎架最大組合應(yīng)力約為147MPa ＜215 MPa，頂端最大變形矢量和約為12mm，屈曲模態(tài)，最小一階屈曲因子為23.7，胎架桿件最大應(yīng)力比0.48，滿足強(qiáng)度要求。胎架強(qiáng)度驗(yàn)算，未考慮纜風(fēng)繩等措施。

通過(guò)分析可知在方案設(shè)計(jì)工況下，溫度荷載和風(fēng)荷載對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的施工影響不大，施工作業(yè)結(jié)束后，鋼構(gòu)件的應(yīng)力比在0～0.27之間，應(yīng)力及變形總體水平較小。但現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)仍要重視對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的臨時(shí)加固處理，降低環(huán)境不利因素對(duì)施工的影響。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 測(cè)量放線

根據(jù)場(chǎng)內(nèi)基礎(chǔ)底板施工階段控制樁位將三級(jí)控制網(wǎng)布設(shè)到圓心點(diǎn)和內(nèi)圈鋼柱中心點(diǎn)，做好測(cè)點(diǎn)保護(hù)，后續(xù)每段鋼柱吊裝固定進(jìn)行測(cè)距復(fù)核，確保內(nèi)圈鋼柱垂直度和角度偏差在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

4.2 吊裝施工順序

首先進(jìn)行中間垂直區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)安裝，鋼柱分三段運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，自下向上逐層進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)框架安裝[3]。然后搭設(shè)支撐胎架，進(jìn)行外圈傾斜鋼結(jié)構(gòu)吊裝，斜柱對(duì)應(yīng)分三段逐層吊裝，每吊裝一根斜柱，完成對(duì)應(yīng)鋼梁安裝，及時(shí)形成臨時(shí)穩(wěn)定體系。最后鋼結(jié)構(gòu)胎架卸載，支撐拆除。

4.3 胎架加固

為確保斜面鋼柱結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定，沿斜面每根鋼柱下方布置一組胎膜架，鋼柱及胎膜架安裝均采用對(duì)稱安裝方式，盡可能地減少主體結(jié)構(gòu)所受到的斜向傾覆力。

胎架采用鋼管做成長(zhǎng)方形格構(gòu)，格構(gòu)平面尺寸為2.5m×6.713m，格構(gòu)柱主支Φ609×16mm，長(zhǎng)度方向橫桿及斜桿均為Φ299×8mm，寬度方向橫桿及斜桿均為Φ159×6mm，材質(zhì)Q235B；胎架頂部采用HW400×400×13×21mm 鋼梁，作為支撐點(diǎn)，材質(zhì)Q345B；胎架底部墊支路基箱，焊接固定在路基箱上。鋼結(jié)構(gòu)胎架安裝施工實(shí)景如圖3 所示。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)胎架安裝施工實(shí)景

4.4 胎架卸載

通過(guò)對(duì)卸載點(diǎn)的支撐反力、位移變化和結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力變化進(jìn)行計(jì)算分析，選取對(duì)結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件內(nèi)力、變形產(chǎn)生較小影響和支撐胎架承載能力要求相對(duì)較低的卸載方案。所選取的卸載方案的每次卸載量需要依據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)卸載前后的變形量進(jìn)行確定，以保證卸載過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全，其位形變化和應(yīng)力應(yīng)變滿足設(shè)計(jì)要求。

本項(xiàng)考慮支撐點(diǎn)同步卸載。由于各個(gè)卸載點(diǎn)變形量不同，根據(jù)各卸載點(diǎn)的變形量，對(duì)卸載量進(jìn)行分解，采用逐級(jí)分步卸載的方式進(jìn)行卸載。通過(guò)切割桁架下支撐的HW400×400×13×21mm型鋼，逐次切割，每次割除與10mm 高度，逐步緩慢下降，使屋蓋結(jié)構(gòu)最終脫離支撐系統(tǒng)，達(dá)到自身承重。

5 注意事項(xiàng)

（1）鋼柱起吊前應(yīng)橫放在枕木上，柱腳板位置墊好模板或方木，起吊時(shí)，不得使柱的底端在地面上有拖拉現(xiàn)象。

（2）鋼柱起吊時(shí)必須邊起鉤、邊轉(zhuǎn)臂使鋼柱垂直離地。

（3）斜柱吊裝180°直線對(duì)稱位置同步施工，避免斜柱安裝時(shí)出現(xiàn)單側(cè)水平拉力過(guò)大導(dǎo)致內(nèi)圈鋼柱變形情況的發(fā)生。鋼胎架后期拆除也按安裝時(shí)順序?qū)ΨQ依次拆除，確保鋼結(jié)構(gòu)整體受力均衡穩(wěn)定。

（4）高強(qiáng)螺栓的初擰和終擰，都要按照緊固順序進(jìn)行，從螺栓群中央開(kāi)始，依次由里向外、由中間向兩邊對(duì)稱進(jìn)行，逐個(gè)擰緊。

（5）原試驗(yàn)用的電測(cè)軸力計(jì)、油壓軸力計(jì)、電阻應(yīng)變儀、扭矩扳手等計(jì)量器具，應(yīng)在試驗(yàn)前進(jìn)行標(biāo)定，其誤差不得超過(guò)2%。

（6）每根鋼柱吊裝固定過(guò)程中用經(jīng)緯儀對(duì)垂直度進(jìn)行校正，偏差調(diào)整完成再進(jìn)行焊接固定。

6 結(jié)語(yǔ)

碗狀斜面鋼柱采用組合鋼胎膜架支撐技術(shù)從深化設(shè)計(jì)方案、施工模擬計(jì)算分析、三維建模、測(cè)量放線、現(xiàn)場(chǎng)安裝及拆除、檢驗(yàn)試驗(yàn)等方面嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行控制，保證現(xiàn)場(chǎng)安全、有序的施工作業(yè)，解決了斜面鋼柱吊裝時(shí)穩(wěn)定支撐的難題，且占用施工場(chǎng)地較小，顯著縮短工程施工總工期，可為后續(xù)其他類似鋼結(jié)構(gòu)工程斜面鋼柱施工提供很好的借鑒價(jià)值。