雙向鋼桁架高空拼裝施工技術(shù)

曹克昕，于新華，李 真，歷 楠

（1.中建二局河北建設(shè)有限公司，河北 廊坊 065000；2.北京建工集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100055；3.中建二局安裝工程有限公司，北京 102600）

1 工程概況

回龍觀體育文化公園羽毛球館屋面桁架南北向為主桁架，跨度為45.0m；東西向為次桁架，跨度為54.6m。桁架高3.1m，桁架上弦標(biāo)高為22.5m，下弦標(biāo)高為19.4m，桁架上下弦為390mm×300mm×10mm×16mm/HM400mm×300mm 的H 型桿件，腹桿為294mm×200mm×85mm×12mm 的焊接H 型鋼。主桁架（南北向），從2-9 軸至2-13 軸共5 榀；次桁架（東西向），從2-D 軸至2-G 軸共4 榀。羽毛球館屋頂桁架施工采用臨時支撐原位高空拼裝，結(jié)構(gòu)形式為雙向鋼桁架。桁架總量約205.92t。根據(jù)桁架施工特點及現(xiàn)場環(huán)境條件，該區(qū)域桁架安裝施工采用臨時支撐原位高空拼裝，支撐點設(shè)在二層樓板對應(yīng)位置，采用?609mm×16mm 圓管支撐，支撐高度約12.5m。

2 技術(shù)重難點

本工程羽毛球館屋面桁架為正交雙向鋼桁架，主桁架跨度為45m ＞36m（屬于超危項目），次桁架54.6m，重205.92t，因此對桁架臨時支撐體系位置的選擇是本工程的技術(shù)難點之一。臨時支撐體系高度長達(dá)12.5m，為保證支撐體系的穩(wěn)定性，故對支撐體系上、下支撐點的設(shè)計及構(gòu)件加工過程中桁架分段重量的控制是本工程的第二個技術(shù)難點。

3 施工技術(shù)

3.1 臨時支撐體系位置的布置

羽毛球館屋頂桁架安裝采用臨時支撐支撐原位高空拼裝，支撐柱置于二層樓板，在二層樓板澆筑之前在支撐柱柱腳四角位置預(yù)埋預(yù)埋件及預(yù)埋鋼筋，具體布置如下圖2 所示（圖中□為支撐柱及埋件位置）。

圖2 支撐柱及埋件布置

3.2 臨時支撐柱安裝

羽毛球館屋頂桁架安裝采用支撐柱原位高空拼裝，支撐柱置于二層樓板，樓面可承載均布載荷為4.0kN/m2，樓面承載力滿足支撐要求。

1）羽毛球館二層樓板板厚120mm，C30 混凝土，澆筑之前在支撐柱柱腳四角位置預(yù)埋預(yù)埋件及預(yù)埋鋼筋，埋件規(guī)格尺寸為350mm×350mm×100mm，材質(zhì)Q235。

2）臨時支撐柱采用法蘭連接，法蘭通過10.9 級M24 高強(qiáng)螺栓連接副連接緊固。參照《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（GB50205-2020），高強(qiáng)螺栓緊固軸力應(yīng)處于225～270kN，標(biāo)準(zhǔn)偏差≤22.5kN。

3）臨時支撐采用?609mm×16mm 圓管，高度約12.5m。通過L 型角鋼或通過20mm×100mm 的板條現(xiàn)場組焊成L 型角鋼將支撐柱柱腳與預(yù)埋件連接。連接形式如圖3所示。

4）測量支撐柱柱頂至羽毛球館桁架下標(biāo)高高差（包括設(shè)計高差+起拱值），采用現(xiàn)場切割圓管補足支撐柱柱頂至桁架下標(biāo)高。頂部拉設(shè)4 根纜風(fēng)繩錨固在埋件板上，纜風(fēng)繩直徑不小于12mm，使用倒鏈時，倒鏈不小于1t，錨板厚度不小于10mm。當(dāng)相鄰兩榀桁架安裝完成后，即可拆除該兩榀桁架支撐的纜風(fēng)繩。

3.3 桁架分段及起拱

1）桁架分段 羽毛球館屋面桁架層主桁架5榀，次桁架4 榀，根據(jù)塔機(jī)性能將桁架分為51 個小單元，單個單元構(gòu)件重量控制在6.3t 以內(nèi)，每段桁架上下弦對接口應(yīng)錯開500mm。

2）桁架起拱 桁架施工時需要起拱，安裝時通過調(diào)整臨時支撐架頂部D150mm×10mm 圓管長度來實現(xiàn)桁架起拱。依據(jù)圖紙會審記錄：即羽毛球館屋頂桁架主桁架方向按照第一榀30mm 起拱，第二榀40mm 起拱，第三榀45mm 起拱，第四榀40mm 起拱，第五榀30mm 起拱。

3）焊縫質(zhì)量等級 焊接要求：全熔透焊縫，一級，100%超聲波檢測。

4）吊裝設(shè)備選擇 羽毛球館桁架拼裝主要使用3#T8036、5#T8036 塔機(jī)，塔機(jī)起吊重量如表1 所示。羽毛球館屋頂主桁架（南北向）構(gòu)件全部位于3#、5#塔機(jī)55m 臂范圍內(nèi)，單段最大桁架重量約6.2t，塔機(jī)55m 范圍內(nèi)最大起吊重量6.25t，在塔機(jī)相應(yīng)吊裝能力范圍（吊索具及安全措施重量500kg）。屋頂次桁架（東西向）單節(jié)桁架重量不超3.6t，塔機(jī)端部起吊重量4.2t，在塔機(jī)相應(yīng)吊裝能力范圍，（吊索具及安全措施重量500kg），故3#、5#吊完全滿足吊裝要求。

表1 3#、5#塔機(jī)（75m）起吊重量 (單位：t)

5）吊索具選型 根據(jù)桁架分段，本方案涉及的桁架單桿件均不超過7t，選用2 點吊裝方式，選用直徑為28mm、公稱抗拉強(qiáng)度為1 550N/m2的6×37 鋼絲繩作主繩。

3.4 桁架分段吊裝

羽毛球館桁架分為主桁架（南北方向）與次桁架（東西方向），主桁架每榀桁架分成4 段，主桁架與次桁架相交位置，主桁架設(shè)置牛腿與次桁架連接。

首先安裝屋面主桁架，然后安裝屋面次桁架，單榀桁架安裝順序為桿件施工順序為由兩邊向中間。如圖4 所示，每榀主桁架安裝順序依照①-②-③-④，次桁架緊隨主桁架安裝，第一時間形成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。整體桁架安裝順序依照由西向東方向依次安裝。桁架安裝施工流程：支撐柱預(yù)埋件埋設(shè)→支撐柱安裝→2-9、2-10 軸線主桁架安裝→2-9、2-10 軸線間次桁架安裝，2-11軸線主桁架安裝→2-10、2-11 軸線間次桁架安裝，2-12 軸線主桁架安裝→2-11、2-12 軸線間次桁架安裝，2-13 軸線主桁架安裝→2-12、2-13軸線間次桁架安裝→屋頂結(jié)構(gòu)安裝完畢，拆除支撐結(jié)構(gòu)。

圖4 桁架安裝順序

3.5 臨時支撐卸載

桁架卸載的過程實際上是結(jié)構(gòu)由支承體系轉(zhuǎn)變?yōu)樽猿辛w系的過程。因此，卸載工作關(guān)系到結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量和施工安全，十分重要。通過數(shù)值模擬對卸載方案進(jìn)行比較與優(yōu)化，結(jié)合施工場地的實際條件和結(jié)構(gòu)特點，確定卸載方案，在卸載工程中，要遵循“以計算分析為依據(jù)、以結(jié)構(gòu)安全為宗旨、以變形協(xié)調(diào)為核心、以實時監(jiān)控為手段”的原則。

羽毛球館桁架整體重205.92t，單點承載力最大約8t，面積約4 000m2，點位45 個，卸載順序由跨中至邊緣結(jié)構(gòu)柱依次卸載。卸載采用切割支撐柱頂部圓管方式，圓管切割前應(yīng)采用10t 千斤頂在相應(yīng)位置頂緊，圓管切割后再通過千斤頂卸荷。卸載完成后先通過全站儀觀測桁架卸載后結(jié)構(gòu)是否正常，無異常情況方可繼續(xù)卸載后續(xù)部位。卸載后總卸載位移量不得超過相應(yīng)位置起拱值。

支撐柱拆除先決條件：支撐柱拆除前，主次桁架間連梁不得安裝，為支撐柱拆除留夠空間。桁架卸載后臨時支撐留置不小于24h，觀測桁架撓度穩(wěn)定后再行拆除臨時支撐。

卸載時通過全站儀監(jiān)測桁架撓度的變化情況，羽毛球館卸載時選取主桁架進(jìn)行檢測，相應(yīng)位置卸載位移總量不得超過起拱值。桁架卸載時用2 臺經(jīng)緯儀安置在臨時支撐兩個垂直方向隨時觀測，當(dāng)垂直度偏差變化較大時，立即停止卸載，采取纜風(fēng)繩等措施，對臨時支撐進(jìn)行固定牢固后，方可繼續(xù)卸載。

3.6 卸載監(jiān)測

1）桁架撓度監(jiān)測 卸載時通過全站儀監(jiān)測桁架撓度的變化情況，監(jiān)測點設(shè)置在主桁架下弦，圖5 中A、B、C 位置。羽毛球館卸載時選取主桁架進(jìn)行檢測，相應(yīng)位置卸載位移總量不得超過起拱值。

圖5 桁架監(jiān)測點位置

2）臨時支撐垂直度監(jiān)測 桁架卸載時用兩臺經(jīng)緯儀安置在臨時支撐兩個垂直方向隨時觀測，當(dāng)垂直度偏差變化較大時，立即停止卸載，采取纜風(fēng)繩等措施，對臨時支撐進(jìn)行固定牢固后，方可繼續(xù)卸載。

3）監(jiān)測條件 為滿足監(jiān)測成果的精度要求，必須在外界條件許可的情況下進(jìn)行測量工作：①雨、雪天及暴曬天氣時不應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測工作；②風(fēng)力大于4 級應(yīng)停止監(jiān)測工作；③惡劣氣候下不宜進(jìn)行監(jiān)測工作。

4）監(jiān)測時間 應(yīng)盡量選擇溫度變化小的時機(jī)進(jìn)行測量，力求將溫度、日照對施工控制的影響降低到最低程度。

5）監(jiān)測記錄 應(yīng)保存施工期間所有監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄，并進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理，同時在檢測過程中必須由監(jiān)理旁站，要求在監(jiān)測日之后三日內(nèi)形成監(jiān)測數(shù)據(jù)報告。

3.7 質(zhì)量要求

驗收依據(jù)為以下標(biāo)準(zhǔn)：GB/T11345-2013《焊縫無損檢測超聲檢測技術(shù)、檢測等級和評定》、GB50755-2012《鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》、GB50205-2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》、GB50661-2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》、GB50300-2013《建筑工程施工質(zhì)量驗收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》。

3.7.1 檢查與驗收項目、部位

1）構(gòu)件進(jìn)場驗收 構(gòu)件進(jìn)場時根據(jù)設(shè)計圖紙、施工深化圖紙對構(gòu)件的尺寸、截面高度、截面寬度、防腐油漆外觀質(zhì)量進(jìn)行驗收。另除構(gòu)件實體驗收外，還需對進(jìn)場構(gòu)件的技術(shù)資料、質(zhì)量資料、加工資料等進(jìn)行驗收，主要資料有：材料復(fù)試報告、焊縫檢測報告、加工資料、合格證、檢驗批驗收資料等。

2）臨時設(shè)施及支撐系統(tǒng)驗收 合格證、使用說明書、規(guī)格尺寸、固定措施、螺栓連接、攬風(fēng)繩的拉設(shè)等。

3）單榀桁架驗收 桿件軸線交點偏移、對接接口錯位、結(jié)構(gòu)尺寸、桁架起拱拱度、焊接質(zhì)量驗收。

4）整體桁架驗收 整體結(jié)構(gòu)尺寸、跨中垂直度驗收。

5）卸載后整體桁架驗收 整體結(jié)構(gòu)尺寸、跨中垂直度驗收、側(cè)向彎曲矢高、桁架撓度驗收。

3.7.2 驗收相關(guān)要求

1）箱型構(gòu)件進(jìn)場驗收 箱型截面高度h允許偏差±2mm、箱型截面寬度b允許偏差±2mm、箱型截面垂直度允許偏差b/200，且≯3mm、尺寸允許偏差±3mm。

2）H 型鋼構(gòu)件進(jìn)場驗收 尺寸允許偏差±3mm。

3）單榀桁架驗收 桿件軸線交點偏移≤4.0mm、接口錯位允許偏差±2.0mm、結(jié)構(gòu)尺寸允許偏差+5.0mm～-10.0mm、拱度允許偏差±L/5000。

4）焊接質(zhì)量驗收 100%探傷。

5）卸載前整體桁架驗收 跨中垂直度允許偏差±10.0mm、結(jié)構(gòu)尺寸荀彧偏差+5.0mm～-10.0mm。

6）卸載后整體桁架驗收 側(cè)向彎曲矢高允許偏差L/1000 且不大于30.0mm。

3.8 承載力計算

3.8.1 支撐柱承載力計算

支撐柱采用?609mm×16mm 圓管支撐，支撐高度約12.5m，單個支撐柱最大壓力約為80kN，采用歐拉公式計算其壓桿穩(wěn)定性。

其中彈性模量E=210GPa，

慣性矩I=（πD4-πd4）/64=1.31×10-3m4，

則支撐柱失穩(wěn)壓力值為Fcr=17376.8kN。

由上得出支撐柱為小柔度桿，只考慮桿件所受壓強(qiáng)即可。

支撐桿頂端為?150mm×10mm 圓管，材質(zhì)Q235B，屈服極限取200MPa，則其能承受極限壓力為F=σsA=879.2kN ≥80kN。

由上可知，支撐柱滿足支撐要求。

3.8.2 支撐樓面承載力計算

通過仿真模擬分析，最大應(yīng)力102.0MPa，最大應(yīng)變7.7mm，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形滿足施工要求

3.8.3 吊索具驗算

鋼絲繩的許用拉力為：[S]=62.39kN，鋼絲繩吊裝7t的構(gòu)件時，兩點起吊水平運輸垂直吊裝（其中0.82 為換算系數(shù)，6 為安全系數(shù)）。

吊具取0.5t，動載系數(shù)K取1.1，則吊裝重量為8.25t。

吊裝過程最大角度60°，使用2 根鋼絲繩吊裝，單個吊點最大受力=82.5kN/（2cos30°）=47.63kN ＜鋼絲繩的許用拉力62.39kN，故選用2 根鋼絲繩直徑為28mm、公稱抗拉強(qiáng)度為1550N/mm2的6×37 型號可滿足吊裝要求。

4 結(jié)論

方案制定階段采用計算軟件模擬桁架結(jié)構(gòu)受力工況，為現(xiàn)場施工提供技術(shù)指導(dǎo)。

采用雙向鋼桁架高空拼裝施工技術(shù)，解決了大型高層桁架結(jié)構(gòu)吊裝難題。優(yōu)化了吊裝工藝，提高作業(yè)效率，保證了安裝質(zhì)量，降低工程成本，不僅保證了施工進(jìn)度，更進(jìn)一步，在如此快速的施工頻率中，保證了施工質(zhì)量與安全，取得了較好的應(yīng)用效果。