高層鋼結(jié)構(gòu)建筑桁架安裝技術(shù)研究

茹 幸，鄭銘隆，姬永鐵，李 波，張 聰

（中國(guó)建筑第二工程局有限公司，北京 101121）

在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用桁架結(jié)構(gòu)，能夠有效地減少工程用鋼量，降低工程施工的難度與復(fù)雜度。當(dāng)前傳統(tǒng)的桁架安裝技術(shù)在既有高層鋼結(jié)構(gòu)建筑工程應(yīng)用中，仍然存在部分問題與不足，主要體現(xiàn)在不能較好地對(duì)桁架構(gòu)件安裝過程中內(nèi)力與變形的實(shí)際情況做出實(shí)時(shí)分析，導(dǎo)致桁架安裝質(zhì)量得不到保障，影響了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。針對(duì)以上問題，本文在傳統(tǒng)桁架安裝技術(shù)的基礎(chǔ)上，做出了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以某既有高層鋼結(jié)構(gòu)建筑工程為例，開展了建筑桁架安裝技術(shù)的全方位深入研究。

1 工程概況

選取某既有高層鋼結(jié)構(gòu)建筑工程作為本次研究背景，該建筑工程屋頂屬于管桁架結(jié)構(gòu)，由次桁架與檁條構(gòu)成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 年，鋼結(jié)構(gòu)支撐與桁架抗震等級(jí)均為四級(jí)。該工程中使用的鋼桁架參數(shù)，如表1 所示。

表1 某既有高層鋼結(jié)構(gòu)建筑工程鋼桁架參數(shù)

該工程建設(shè)施工過程中，鋼結(jié)構(gòu)建筑桁架制作量較大，包括大量的高空作業(yè)，且鋼桁架安裝中存在構(gòu)件跨度大、重量較重的特點(diǎn)，均增加了整體工程的施工難度。除此之外，桁架在加工制作階段，由于節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換構(gòu)件截面較為復(fù)雜，匯交節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，在節(jié)點(diǎn)焊接時(shí)由于熱集中，可能引發(fā)構(gòu)件變形問題。在現(xiàn)場(chǎng)安裝階段，桁架安裝對(duì)空間定位與測(cè)量的要求較高，常規(guī)的定位與測(cè)量方法無(wú)法滿足桁架安裝精度的要求，增加了桁架安裝難度。

2 桁架安裝技術(shù)

2.1 基于BIM技術(shù)分段處理桁架

由于既有高層鋼結(jié)構(gòu)建筑工程建設(shè)規(guī)模龐大，桁架構(gòu)件數(shù)量較多，各個(gè)桁架構(gòu)件均存在造型扭曲多變的問題，且具有復(fù)雜的空間分布結(jié)構(gòu)。為了控制桁架構(gòu)件整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保證其能夠順利地進(jìn)入工程施工場(chǎng)地，本文引入BIM 技術(shù)對(duì)桁架構(gòu)件進(jìn)行分段分節(jié)處理，保證其運(yùn)輸質(zhì)量與效率，減少后續(xù)安裝過程中桁架吊裝次數(shù)，方便后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)安裝施工操作。

在分段分節(jié)處理中，綜合考慮桁架構(gòu)件滿足運(yùn)輸與吊裝施工需求。在既有高層鋼結(jié)構(gòu)建筑桁架構(gòu)件中，箱體巨柱主要由桁架角部鋼柱與圓管交匯組成，箱體由桁架上弦桿、斜腹桿與下弦桿組成，桁架的中弦桿多數(shù)為H 型?；贐IM 技術(shù)，對(duì)桁架構(gòu)件進(jìn)行分段分節(jié)處理，得出如下所示的桁架分節(jié)信息。上弦桿：規(guī)格1 200mm×1 200mm×600，最大單重為36.4t，焊縫長(zhǎng)度為150.8m；斜腹桿：規(guī) 格1 200mm×1 200mm×80mm×40，最大單重為23.6t，焊縫長(zhǎng)度為302.4m；下弦桿：規(guī) 格1 200mm×1 200mm×600，最大單重為16.5t，焊縫長(zhǎng)度為154.8m；中弦桿：規(guī)格1 150mm×500mm×30mm×40，最大單重為2.3t，焊縫長(zhǎng)度為20.8m；鋼柱：異形箱體，最大單重為80.4t，焊縫長(zhǎng)度為167.2m。通過對(duì)桁架構(gòu)件進(jìn)行分段處理，使其結(jié)構(gòu)構(gòu)造全方位滿足運(yùn)輸與吊裝的需求，方便現(xiàn)場(chǎng)施工操作，保證了桁架安裝施工的穩(wěn)定性與安全性。

2.2 設(shè)計(jì)桁架下弦桿預(yù)留吊柱對(duì)接牛腿

根據(jù)桁架分布位置，對(duì)桁架下弦桿預(yù)留吊柱對(duì)接牛腿進(jìn)行設(shè)計(jì)，方便后續(xù)桁架安裝施工過程中及時(shí)對(duì)桁架與吊柱之間進(jìn)行對(duì)接就位與校正。根據(jù)某既有高層鋼結(jié)構(gòu)建筑工程的實(shí)際施工需求，結(jié)合桁架分段分節(jié)后空間分布結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的桁架下弦桿預(yù)留吊柱對(duì)接牛腿。

圖1 桁架下弦桿預(yù)留吊柱對(duì)接牛腿

預(yù)留吊柱對(duì)接牛腿包括兩種，分別為桁架預(yù)留吊柱牛腿與吊掛層鋼結(jié)構(gòu)預(yù)留吊柱對(duì)接牛腿，通過二者，實(shí)現(xiàn)施工過程中對(duì)接就位與校正的目標(biāo)。在吊柱對(duì)接牛腿下部位置，安裝臨時(shí)對(duì)接固定裝置，保證桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。

2.3 吊點(diǎn)及吊耳設(shè)計(jì)

首先，針對(duì)桁架吊點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。桁架吊點(diǎn)設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)對(duì)吊點(diǎn)的數(shù)量與布設(shè)位置進(jìn)行設(shè)計(jì)。依據(jù)桁架吊點(diǎn)布設(shè)相關(guān)原則可知，桁架吊點(diǎn)可以布設(shè)在3 個(gè)位置處。第一個(gè)，布設(shè)在桁架構(gòu)件結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處，能夠方便構(gòu)件結(jié)構(gòu)傳力。第二個(gè)，布設(shè)在桁架吊件重心以上位置，避免被吊構(gòu)件產(chǎn)生失穩(wěn)問題。第三個(gè)，布設(shè)在桁架構(gòu)件結(jié)構(gòu)支座處，具有較高的穩(wěn)定性，相對(duì)變形較小。吊點(diǎn)的數(shù)量盡量控制為偶數(shù)，使吊點(diǎn)兩側(cè)布設(shè)數(shù)量保持對(duì)稱，避免吊點(diǎn)兩端力矩出現(xiàn)失衡。結(jié)合吊點(diǎn)的布設(shè)情況，設(shè)計(jì)吊耳。本文設(shè)計(jì)的桁架吊點(diǎn)及吊耳示意圖，如圖2 所示。

圖2 桁架吊點(diǎn)及吊耳布設(shè)示意圖

如圖2 所示，本文設(shè)計(jì)的桁架吊點(diǎn)與兩個(gè)端口的距離為H／4，兩個(gè)桁架吊點(diǎn)之間的距離為H／2，其中H表示桁架分段分節(jié)處理后節(jié)段的單元長(zhǎng)度，保證吊點(diǎn)與吊耳能夠布設(shè)在桁架構(gòu)件的中間位置，起到穩(wěn)定支撐的作用。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)建筑桁架安裝

在上述準(zhǔn)備工作結(jié)束后，接下來(lái)，安裝鋼結(jié)構(gòu)建筑桁架。首先，根據(jù)桁架構(gòu)件的實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)造與吊裝設(shè)備的性能，計(jì)算桁架構(gòu)件吊裝荷載公式為

其中，k1表示桁架構(gòu)件吊裝動(dòng)載系數(shù)，通常情況下取值1.2；k2表示桁架構(gòu)件吊裝不均衡荷載系數(shù)，通常情況下在1.1～1.25 范圍內(nèi)取值；dG表示桁架構(gòu)件吊裝的重力荷載分項(xiàng)系數(shù)，通常情況下取值1.3；Gk1表示桁架構(gòu)件荷載標(biāo)準(zhǔn)值。通過計(jì)算，得出桁架構(gòu)件的吊裝荷載，綜合考慮吊具重量后，得出吊裝荷載設(shè)計(jì)值。在此基礎(chǔ)上，分3 段進(jìn)行桁架流水安裝作業(yè)，桁架安裝順序?yàn)椋?6～21 軸桁架安裝→8～1 軸桁架安裝→20～9軸桁架安裝。

首先，安裝桁架整榀，確認(rèn)安裝無(wú)誤后，安裝2 段次桁架。按已安裝次桁架間隔，安裝剩余外挑部分桁架與四周側(cè)弦桿。復(fù)核無(wú)誤后點(diǎn)焊，并固定對(duì)接焊接?；诔曁絺?，探測(cè)桁架構(gòu)件各個(gè)位置的實(shí)際安裝情況，并進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后，完成既有高層鋼結(jié)構(gòu)建筑桁架安裝。

3 桁架安裝結(jié)果對(duì)比分析

選取桁架構(gòu)件位移變形量作為實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在既有高層鋼結(jié)構(gòu)建筑桁架安裝過程中，對(duì)桁架進(jìn)行位移變形監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)獲取各個(gè)安裝施工階段桁架結(jié)構(gòu)的位移變形情況。將位移變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨機(jī)布設(shè)在桁架構(gòu)件上弦桿、下弦桿、中弦桿、斜腹桿以及鋼柱上，保證每個(gè)結(jié)構(gòu)位置處均含有3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別標(biāo)號(hào)為SXG-#01、SXG-#02、SXG-#03、XXG-#01、XXG-#02、XXG-#03、ZXG-#01、ZXG-#02、ZXG-#03、XFG-#01、XFG-#02、XFG-#03、GZ-#01、GZ-#02、GZ-#03。設(shè)定監(jiān)測(cè)周期，在該周期內(nèi)，使用高精度全站儀，實(shí)時(shí)讀取并記錄各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變形值，最后，取監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變形平均值作為最終的監(jiān)測(cè)結(jié)果。為了更加客觀地得出桁架安裝優(yōu)勢(shì)與效果，采用對(duì)比分析的實(shí)驗(yàn)方法，將本文提出的桁架安裝技術(shù)設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，將文獻(xiàn)[1]提出的桁架安裝技術(shù)、文獻(xiàn)[4]提出的桁架安裝技術(shù)設(shè)置為對(duì)照組。采用MATLAB 統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)3 種技術(shù)應(yīng)用后，桁架構(gòu)件的位移變形結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與對(duì)比，結(jié)果如表2 所示。

表2 桁架安裝后位移變形值對(duì)比結(jié)果（單位：mm）

根據(jù)表2 的桁架位移變形值對(duì)比結(jié)果可以得知，本文提出的桁架安裝技術(shù)應(yīng)用后，桁架構(gòu)件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性得到了顯著提升，桁架構(gòu)件各個(gè)結(jié)構(gòu)位置處的位移變形值均小于另外兩種安裝技術(shù)，最大位移變形值為3.24mm，位于桁架斜腹桿處。由此不難看出，本文提出的桁架安裝技術(shù)具有較高的可行性，安裝效果優(yōu)勢(shì)顯著，適用于既有高層鋼結(jié)構(gòu)建筑工程桁架安裝。

4 結(jié)語(yǔ)

通過本文的研究，提高了鋼結(jié)構(gòu)桁架吊裝與施工的質(zhì)量，獲取了不同時(shí)間變化規(guī)律下桁架應(yīng)變的動(dòng)態(tài)變化，全方位地保證了建筑工程施工安全，降低了既有高層鋼結(jié)構(gòu)建筑桁架位移變形的概率，對(duì)大跨度鋼桁架的深入研究以及既有高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的建設(shè)與發(fā)展均具有重要研究意義。