基于某游泳館工程的大體積鋼結(jié)構(gòu)單機吊裝關(guān)鍵技術(shù)探討

林 虎，黃佩兵

（中國電建集團江西省水電工程局有限公司，南昌 330096）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民對物質(zhì)文化需求的日益增長，社會對建筑行業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求，因此大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造型新穎的建筑應(yīng)運而生。而鋼結(jié)構(gòu)因其強度高、自重輕和外形可塑性強等優(yōu)點，在建筑工程尤其大型群眾性活動場館中應(yīng)用越來越廣泛。分段吊裝、高空拼接、整體提升（或頂升）、整體（或部分）滑移等新方法、新技術(shù)被應(yīng)用到大型鋼結(jié)構(gòu)施工中[1]。為保證施工質(zhì)量，減少高空安裝工作量，降低施工成本和安全風險，施工單位更傾向于采用地面組裝+整體（分區(qū)）提升或吊裝的方案，因此大體積鋼結(jié)構(gòu)吊裝的現(xiàn)象越來越常見。

在編制一般鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案時，主要對施工場地布置、索具受力、吊機選型及其工況選擇等方面進行闡述并進行必要的計算。而大跨度鋼結(jié)構(gòu)在安裝、吊裝過程中，其受力形式往往會不同于正常使用時的受力形態(tài)[2]。且大體積鋼結(jié)構(gòu)具有桿件多、形狀復(fù)雜、投影（迎風）面積大等特點，吊裝過程中起重機械的穩(wěn)定性也容易受風荷載的影響。一般鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案的內(nèi)容不能滿足指導(dǎo)大體積鋼結(jié)構(gòu)施工的需求。針對大體積鋼結(jié)構(gòu)的特點，技術(shù)人員應(yīng)在重心確定、吊點布置、鋼絲繩受力、鋼結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性和作業(yè)時的吊機穩(wěn)定性等方面進行詳細認真地分析計算。

本文以某游泳館屋面鋼結(jié)構(gòu)吊裝工程為例，詳細介紹了吊裝單元的確定、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算、吊點布置和鋼絲繩受力計算等關(guān)鍵技術(shù)。通過關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，保證施工質(zhì)量和安全。

1 方案選擇

1.1 工程概況

該游泳館屋面采用管桁架結(jié)構(gòu)，由6 榀主桁架（AE、AA、 AB、 AC、 AD、 AF）及若干次桁架組成，總重約530 t，支承在24 根砼柱上。安裝高程為23.80 m。屋面投影為橢圓形，長軸長89.971 m，短軸長77.860 m，如圖1 所示。主、次桁架橫斷面均為倒三角形，其弦桿和腹桿均為鋼管，桿件之間連接均采用相貫節(jié)點。鋼管規(guī)格為?89×4～?351×24，材質(zhì)為Q355B。

圖1 游泳館屋面鋼結(jié)構(gòu)布置

1.2 工程重點及難點分析

由于游泳館內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，吊車不能進入內(nèi)部作業(yè)，只能采用在游泳館外側(cè)吊裝屋面鋼結(jié)構(gòu)的施工方案，因此需要使用大型起重設(shè)備。從節(jié)約施工成本方面考慮，應(yīng)盡量減少吊裝次數(shù)，縮短大型起重設(shè)備使用時間。

主、次管桁架桿件之間連接均采用相貫節(jié)點，如采用單榀主桁架安裝方案，主桁架之間的次桁架安裝前，需要預(yù)留大量的后裝段，增加高空拼裝和焊接工作量，從而嚴重影響施工進度、質(zhì)量和安全。如果將橢圓形屋面劃分為若干區(qū)塊吊裝，有些區(qū)塊外形就變得非常復(fù)雜且不規(guī)則。如何確定重心、布置吊點和計算吊裝鋼絲繩受力將是一個難題。同時大體積鋼結(jié)構(gòu)具有形狀復(fù)雜、迎風面積大及吊裝時對風荷載敏感等特點，確保吊裝過程中的安全將十分重要。

吊點設(shè)置常取決于構(gòu)件重量和形狀，為了計算方便，吊點不宜太多，否則吊點（鋼絲繩）受力計算將變得非常困難。而大體積鋼結(jié)構(gòu)因吊裝過程中自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的需要，吊點位置和數(shù)量不完全由人控制，更多地取決于結(jié)構(gòu)自身。因此吊點的設(shè)置及其受力計算變得十分重要。

1.3 吊裝單元及安裝順序確定

根據(jù)施工場地現(xiàn)狀和工期要求，綜合考慮施工質(zhì)量、安全和成本因素，經(jīng)過多次討論和對比分析，確定了吊裝單元和主吊設(shè)備。

將屋面鋼結(jié)構(gòu)劃分為AE～AA（含次桁架）、AB、AC、AD～AF（含次桁架）4個主要吊裝單元。在游泳館西北側(cè)、東北側(cè)地面上將AE～AA、AD～AF區(qū)塊桁架組裝焊接成一體，主桁架AB、AC 及其他次桁架在游泳館南側(cè)組裝焊接。

履帶吊分別站位于游泳館西南側(cè)、東南側(cè)將AE～AA、AD～AF 區(qū)塊桁架吊裝就位，履帶吊站位于游泳館南側(cè)將主桁架AB、AC 吊裝就位，屋面中心區(qū)域的次桁架采用履帶吊吊裝，周邊次桁架采用汽車吊吊裝。

安裝順序如下：AE～AA 桁架區(qū)塊安裝→AA 與AB之間次桁架安裝→AB 桁架安裝→AB 與AC 之間次桁架安裝→AC 桁架安裝→AC 與AD 之間次桁架安裝→AD～AF區(qū)塊桁架安裝。

1.4 大體積鋼結(jié)構(gòu)吊點布置

吊點布置前，應(yīng)精確求出該大體積鋼結(jié)構(gòu)的重心位置。由于AE～AA、AD～AF 區(qū)塊桁架重86.6 t，桿件多達664根，平面投影封閉面積約為1 018 m2，桁架矢高約3.3 m，體積約為3 360 m3，且空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此先采用Tekla structures 軟件建立實體模型，然后利用塊單元三維實體模型，測量出其重心[3]。AE～AA區(qū)塊鋼結(jié)構(gòu)重心位置如圖2 所示。吊點宜對稱布置于鋼結(jié)構(gòu)自身的對稱軸線，且須滿足結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性需要，同時應(yīng)方便吊點受力計算。根據(jù)以上吊點設(shè)置原則，在鋼結(jié)構(gòu)上初步選定8個吊點，如圖2所示。

圖2 AE～AA區(qū)塊鋼結(jié)構(gòu)吊點布置

2 結(jié)構(gòu)計算

在3D3S 軟件中建立AE～AA 區(qū)塊鋼結(jié)構(gòu)計算模型，利用已求出的重心點作出豎直線，在該豎直線上距鋼結(jié)構(gòu)上表面15 000 mm位置設(shè)置鉸支座，鉸支座與8個吊點之間的構(gòu)件為索具（鋼絲繩），索具的與水平面夾角不應(yīng)小于45°，鉸支座位置其實就是起重機械的吊鉤位置。

吊裝過程的結(jié)構(gòu)計算采用一般的線性分析。由于吊裝階段鋼結(jié)構(gòu)自身重量和吊裝所需的施工平臺等重量均不會發(fā)生變化，因此可采用1.0×恒荷載+1.0×活荷載的工況組合。

通過3D3S軟件分析計算可知，結(jié)構(gòu)能夠滿足承載力要求，所有桿件中應(yīng)力比最大值為0.24。鋼結(jié)構(gòu)吊裝時桿件總體應(yīng)力比分布如圖3所示。

圖3 應(yīng)力比分布

同時由圖4～6 可知，桿件X向最大位移為12.2 mm，Y向最大位移為3.1 mm，Z向最大位移為30.4 mm。位移較大的桿件均處于吊點以外區(qū)域（懸挑區(qū)域），其位移值均小于L/500，符合相關(guān)規(guī)范要求。

圖4 Ux位移（mm）

圖5 Uy位移（mm）

圖6 Uz位移（mm）

3 鋼絲繩受力計算

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置8 個吊點，對稱布置于鋼結(jié)構(gòu)自身的對稱軸線，吊鉤距構(gòu)件上表面距離為15 000 mm，鋼絲繩吊裝模型如圖7所示。為方便鋼絲繩受力計算，吊點1與吊點2 采用同一根鋼絲繩的兩端捆綁，鋼絲繩中部掛設(shè)在吊鉤上。同理，采用同一根鋼絲繩的兩端捆綁吊點3與吊點4、吊點5與吊點6、吊點7與吊點8。由于同一鋼絲繩拴住2 個吊點（如吊點1 與吊點2），鋼絲繩中部掛設(shè)在吊鉤上，因此可以將吊鉤視為定滑輪，只要鋼絲繩與吊鉤之間潤滑良好，吊鉤兩側(cè)的鋼絲繩受力近似相等。由前述可知，雖然鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置了8 個吊點，但只需求出4 個未知量。即便如此，仍需將鋼絲繩受力模型進行簡化，否則無法計算出鋼絲繩受力。由于吊點1～4 位于同一直線上，因此可視為將其組合后位于軸線A-A與C-C相交點的虛擬吊點14，同理可將吊點5～8 視為其組合后位于軸線A-A與B-B相交點的虛擬吊點58。

圖7 鋼絲繩吊裝模型

由于虛擬吊點14、58 和構(gòu)件重心位于同一平面，其相互之間尺寸也可知，因此依據(jù)力的合成與分解原理分別求出虛擬吊點14、58的受力F14和F58（圖8）。

圖8 鋼絲繩受力簡化模型

鋼結(jié)構(gòu)重86.6 t，施工平臺等重量按1.5 t計，合計重量為88.1 t，折算成重力值為863.4 kN。采用上述方法，求出F14=407.7 kN，F(xiàn)58=498.1 kN。

如圖9所示，吊點1～4的鋼絲繩合力為F14，由于吊點1、吊點2共用同一根鋼絲繩，受力大小相等，同理吊點3、吊點4 的鋼絲繩受力大小也相等，因此根據(jù)圖9 所示尺寸可計算出F1=F2=F3=F4=115.71 kN。同理可求出F5=F6=F7=F8=142.0 kN。

圖9 C-C軸吊點受力分解模型

圖10 大體積鋼結(jié)構(gòu)吊裝

4 吊裝節(jié)點加固

鋼結(jié)構(gòu)吊裝時，由于鋼絲繩拴在上弦鋼管上，其對該鋼管下半圈產(chǎn)生擠壓作用，因此容易造成鋼絲繩兩側(cè)的鋼管部位發(fā)生局部屈服現(xiàn)象。為分散鋼絲繩兩側(cè)鋼管的內(nèi)應(yīng)力，在該鋼管下半圈位置外襯一塊弧形加強板（如厚度12 mm，寬度120 mm），點焊在鋼管上，加強板內(nèi)弧度與鋼管相吻合，寬度對稱于鋼絲繩布置[4]。

5 實施效果

在該大體積鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案設(shè)計階段，通過合理布置吊點，經(jīng)理論分析計算，確保吊裝過程中的鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形符合規(guī)范要求。同時采用虛擬吊點方法，較精確地計算出鋼絲繩的受力，并對鋼絲繩捆綁部位進行局部加固。吊裝實施階段，采用一臺400 t履帶吊完成該鋼結(jié)構(gòu)安裝（圖10），考慮到大體積鋼結(jié)構(gòu)迎風面積較大，吊裝對風荷載很敏感，履帶吊負荷控制在其額定荷載的75%以內(nèi)。吊裝過程中對桿件應(yīng)力和變形進行了監(jiān)測，檢測結(jié)果符合相關(guān)規(guī)范要求，吊裝過程的安全得到了有效保證。

6 結(jié)束語

在編制大體積鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案時，應(yīng)采用鋼結(jié)構(gòu)分析軟件對吊裝過程中的鋼結(jié)構(gòu)自身應(yīng)力和變形等進行了計算。通過合理布置吊點，采用虛擬吊點方法，較精確地計算出鋼絲繩的受力，并根據(jù)計算結(jié)果對吊裝節(jié)點進行加固。如具備條件，可對吊裝細部節(jié)點進行有限元分析，確保吊裝節(jié)點的安全?？紤]到大體積鋼結(jié)構(gòu)吊裝對風荷載很敏感，選擇吊機型號和作業(yè)參數(shù)時，應(yīng)預(yù)留一定的安全裕度。從而在技術(shù)方面規(guī)避了大體積鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程中的安全風險，確保吊裝過程的順利進行。

對于大體積鋼結(jié)構(gòu)而言，不同的吊裝方案對鋼結(jié)構(gòu)自身內(nèi)力和變形影響比較大，給構(gòu)件的加工和安裝帶來了一定的難度。為了保證施工的順利進行以及吊裝時結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)滿足設(shè)計要求，選擇一個合理、經(jīng)濟的施工方案非常關(guān)鍵[5]，本文的吊裝關(guān)鍵技術(shù)對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的單機吊裝具有一定的借鑒意義。