大跨度鋼結構首榀桁架吊裝施工及數(shù)值模擬分析

孫 武 （安徽富煌鋼構股份有限公司，安徽 合肥 238076）

1 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，各種大型工業(yè)和公共建筑采用大跨度鋼結構體系。在大跨度鋼結構的施工過程中，鋼結構屋架吊裝施工是施工的重點和難點。而在吊裝施工中，首榀桁架的施工無疑又是其中更加重要的環(huán)節(jié)。此時還未形成完整穩(wěn)定的結構體系，不僅受到周邊環(huán)境不利荷載的影響比成型結構更大，同時還會受到施工荷載的影響，所以面臨著環(huán)境復雜、施工難度大、安全風險高等各種不利問題，因此目前亟需一種快速安全可靠的施工方法。

2 工程概況及施工重難點

2.1 工程概況

合肥長鑫集成電路制造基地項目位于合肥空港經(jīng)濟示范區(qū)，占地面積約15.2km2，由長鑫12 英寸存儲器晶圓制造基地、空港集成電路配套產(chǎn)業(yè)園、空港國際小鎮(zhèn)三個片區(qū)組成，主要圍繞長鑫存儲項目布局上下游配套產(chǎn)業(yè)鏈，提供生活服務設施，致力于打造產(chǎn)城融合的國家存儲產(chǎn)業(yè)基地、世界一流的存儲產(chǎn)業(yè)集群。長鑫12 英寸存儲器晶圓制造基地項目是中國大陸第一家投入量產(chǎn)的DRAM 設計制造一體化項目，也是安徽省單體投資最大的工業(yè)項目，總投資約1500億元。

201A 芯片生產(chǎn)廠房鋼結構主要由屋面鋼桁架、屋面檁條、下掛檁條、鋼骨柱、鋼梁、管架等組成，用鋼量約11200t，其中鋼柱重量約2700t。廠房東西向長324.0m，南北向寬146.0m，最大單跨43.2m，結構頂標高31.0m，內部為混凝土樓層結構。201A 廠房鋼柱主要分布在S、L、E、D、A 這5 個軸線，鋼骨柱東西向5 排，南北向46 排，共224 個，鋼材主要為Q355B材質。

2.2 施工重難點分析

2.2.1 工期緊

本項目鋼結構工程體量大、工期緊，如何合理組織施工、配置充足的資源、確保按計劃完工是本工程的重點。

2.2.2 安裝中的安全防護

兩榀桁架還未形成穩(wěn)定結構體系前，加大了高空作業(yè)施工安全風險。

2.2.3 安裝過程結構變形的控制

大跨度鋼桁架在拼裝和吊裝過程中的變形控制是保證鋼桁架能否順利安裝的關鍵。

3 首榀桁架吊裝施工過程

筆者基于豐富的大跨度鋼結構工程施工經(jīng)驗，并結合國內外先進的工程做法，創(chuàng)新性地開發(fā)了“三吊協(xié)同施工”技術?？茖W拆分整個首榀桁架吊裝過程，利用不同類型吊機的特點，在吊裝的關鍵施工節(jié)點形成了合理的卸載與負載過渡。同時利用數(shù)字化監(jiān)控、測量設備控制桁架坐標及標高，將首榀桁架安裝在預定位置，極大地提升了施工效率，同時保證了安裝的精準度，也為后續(xù)的主體結構吊裝施工打下了一個堅實的基礎。

3.1 施工過程

選用機械1 臺260t 履帶吊和1 臺100t 汽車吊，安裝三個連續(xù)軸線的鋼柱，采用纜風繩臨時固定鋼柱，并進行校正及焊接工作。纜風繩底部拉結點有兩種類型，一是拉設在首節(jié)柱底部焊接耳板處，二是利用套絲鋼筋環(huán)拉結在微震柱鋼筋連接器處。

鋼柱加固，提前安裝2-3 軸間鋼柱20m 標高以上的柱間鋼梁及柱間支撐，1-2 軸間柱間鋼梁僅安裝到23m 標高以下，且沿鋼柱方向分別在7.5m、15.0m 標高處設置一道直徑203mm、壁厚6mm 的圓管，并與鋼柱剛性連接，且該加固方式僅適用于每檔首榀桁架吊裝，首榀桁架安裝完成并形成穩(wěn)定體系后，其余鋼柱安裝不再進行加固。

地面拼裝單榀桁架，單榀桁架按跨中L/500進行起拱。

桁架上弦及腹桿位置設置生命線。

桁架上弦設置吊裝吊耳，履帶吊吊裝吊耳4 處，汽車吊吊裝吊耳2 處（汽車吊吊裝吊耳僅首榀桁架設置）。

圖3 首榀桁架施工示意圖

圖4 現(xiàn)場施工實景圖

桁架整體吊裝，根據(jù)桁架長度選擇合適的吊點數(shù)。以最大一跨43.2m跨為例，鋼桁架采用四點吊裝，選用62.0m主臂工況吊車。根據(jù)工況性能分析，履帶吊吊裝桁架越過柱頂后依舊有比較寬裕的高度余量。履帶吊吊裝前需提前在地面標注履帶中心站位點，待履帶吊行至吊裝站位點時停止移動，進行下一步起吊及就位工作。為減少碰撞的發(fā)生，首榀桁架從3軸往2軸方向平移，通過抬桿起吊等機械動作的配合就位桁架。起吊時在桁架的兩端分別掛根溜繩，兩個人分別拉住兩根溜繩，鋼桁架開始的起吊速度一定要慢。待桁架吊至就位位置以上時，開始就位桁架，先將桁架緩慢落入就位位置一側，并控制下落高度使桁架上弦桿略高柱頂。待桁架姿態(tài)穩(wěn)定后，履帶吊緩慢爬桿使桁架水平推入到就位位置，此時兩名安裝工人在先就位一側通過爬梯爬到柱頂，進入操作平臺并用手扶住鋼梁，將桁架拖至就位位置。就位后另外兩名安裝工人攀爬進入另一根鋼柱的操作平臺就位另一端桁架。

就位臨時固定，桁架到位后，將上下弦桿端部連接板分別用一顆安裝螺栓進行連接，固定桁架端部。

桁架栓接固定后，用全站儀檢測桁架跨中測量點的偏差，采用纜風繩調整偏差，并臨時固定桁架姿態(tài)，待桁架焊接完成后拆除纜風繩。

焊接固定，在測量校正完成后對桁架進行固定連接，并通過焊接進行固定。為加快焊接進度，桁架上下弦位置分別安排一名焊工進行焊接，上下空間位置動火作業(yè)存在交叉，為避免交叉作業(yè)帶來的安全隱患，在下弦牛腿上方1.2m 處設置1.5m 寬、2.0m 長接火斗，內布防火棉。

待首榀桁架焊接完成后，汽車吊進場，先將汽車吊2根鋼絲繩與桁架內側2個吊耳采用17T 卸扣連接，此時鋼絲繩為松弛狀態(tài)。待履帶吊卸載完成后，汽車吊再逐漸起吊，保持吊裝繩緊繃狀態(tài)。

履帶吊松鉤后，汽車吊帶載狀態(tài)。此時履帶吊進行下一榀桁架的安裝。

嵌補桁架間桿件，第二榀桁架安裝狀態(tài)下，采用塔吊安裝桁架間嵌補桿件，嵌補桿件至少安裝上下各兩道，保證桁架間縱向拉結及穩(wěn)定性。

履帶吊倒退安裝第三榀單榀桁架，并采用汽車吊先安裝1-2軸線間柱間鋼梁及支撐，再安裝桁架間補缺桿件。

桁架起吊翻身細節(jié)要求為木楔子放置在下弦桿節(jié)點位置，一共布置兩個，防止桁架翻身過程中的擾動。

3.2 鋼桁架安裝注意事項

在鋼桁架的標高、軸線的測量校正過程中，一定要保證已安裝好的標準鋼架的整體安裝精度。

鋼桁架安裝完成后應檢查鋼桁架與連接板的貼合方向。

鋼桁架的吊裝順序應嚴格按照鋼柱的吊裝順序及時形成結構單元，保證鋼桁架的垂直度，為后續(xù)鋼桁架的安裝提供方便。

安裝后應及時拉設安全繩，以便于施工人員行走時掛設安全帶，確保施工安全。

鋼桁架吊裝盡量選擇有水平支撐的結構單元先吊裝。第一榀鋼桁架梁吊裝到位后，在松鉤之前，為防止鋼桁架歪扭，應拉設臨時纜風繩。纜風繩在吊裝之前固定到屋面鋼桁架上翼緣，在每跨鋼桁架兩邊對稱設置2根，共設4根。拉設位置在鋼桁架長度約1/3 處，下面拉設在附近的鋼柱柱腳。選用Ф16mm 的纜風繩，并使用1t 手拉葫蘆拉緊。待第二榀鋼桁架吊裝就位后，起重機未完全卸載之前，立即安裝第一個結構單元的上下弦水平支撐等構件，使之形成一個空間框架的穩(wěn)定結構。屋面桁架間聯(lián)系桿件安裝后，即可拆除纜風繩。

圖5 起步狀態(tài)下應力及變形圖

吊裝前在地面模擬吊裝時卸載不大于10%的操作過程，指揮人員和司機通過對講機實時溝通，履帶吊駕駛人員及時關注儀器顯示器荷載數(shù)值的變化。

4 有限元分析模擬

根據(jù)首榀桁架預定吊裝施工方案，軟件模擬針對幾個關鍵過程節(jié)點進行有限元分析，主要包括桁架地面起步吊裝階段、首吊階段、首吊卸載階段、形成2榀體系階段以及穩(wěn)定性分析，主要結果如下。

4.1 起步階段模擬

在桁架未離開地面之前，選取桁架平面與地面分別形成5°、22.5°、45°和67.5°的4 個典型瞬間作為研究對象，考慮桁架從靜止狀態(tài)到垂直吊起狀態(tài)的過程中桁架自身變形情況及應力水平，此時僅考慮桁架的自重荷載。

分析結果表明，最大變形出現(xiàn)在22.5°，為16.2mm，最大應力出現(xiàn)在67.5°，為20.7N/mm2，均不超過規(guī)范容許值。

表1 起步狀態(tài)下應力及變形

4.2 首吊階段模擬

首榀桁架吊裝剛好落位的瞬間，桁架與鋼柱進行臨時固定，分析此時結構的變形及應力水平。經(jīng)計算，考慮結構自重荷載（D）以及結構2 個主軸方向的風荷載0.15kN/m（Wx/Wy），并考慮施工上人荷載（集中荷載0.75kN），以此為基礎進行組合工況分析。邊界條件將6 根鋼柱柱腳設置為剛結點，施工時屋架跨中上下弦系纜風繩位置設置為彈性支座，剛度為150N/mm。

將自重荷載（1.2D）和橫向風荷載（1.4Wx）組合定義為荷載工況1，自重荷載（1.2D）和縱向風荷載（1.4Wy）組合定義為荷載工況2。 該桁架跨度為43.2m，依據(jù)鋼結構設計標準，自身變形容許值為43200/250=172.8mm，Q355鋼材強度設計值為295N/mm2。分析結果表明，在兩種工況條件下，考慮了纜風繩有利作用的桁架最大變形和最大應力均不超過規(guī)范容許值。

圖6 首吊狀態(tài)下應力及變形圖

圖7 卸載狀態(tài)下應力及變形圖

圖8 形成體系狀態(tài)下應力及變形圖

4.3 卸載階段模擬

首榀桁架吊裝落位并臨時固定后，隨即開始桁架和鋼柱的焊接過程，此時履帶吊是拉緊狀態(tài)。在焊接結束形成單榀穩(wěn)定體系后，開始分級卸載過程。

該工況屬于短暫過程，僅考慮桁架自重荷載35T，吊裝桁架的卸載荷載（作用于下弦牛腿處）分別考慮卸載5%、10%、20%和30%這4 種情形。桁架自重卸載平均分擔到兩側柱牛腿上，偏心荷載對牛腿產(chǎn)生力和等效彎矩作用。在卸載的全過程中，同時用汽車吊作為附加約束施加在桁架上，在軟件模擬中不考慮該有利作用。分析結果表明，卸載過程中的最大變形和最大應力均不超過規(guī)范容許值。

表2 首吊狀態(tài)下應力及變形

表4 形成體系狀態(tài)下應力及變形

4.4 形成體系階段模擬

在兩榀桁架吊裝完成后，及時進行焊接作業(yè)，待塔吊嵌補完次要桿件后，形成兩榀桁架體系狀態(tài)。不考慮汽車吊以及纜風繩的有利作用，荷載工況同首吊階段。

分析結果表明，在兩種工況條件下，不考慮汽車吊有利作用的兩榀桁架最大變形和最大應力均不超過規(guī)范容許值。

4.5 穩(wěn)定性分析

作為補充驗算，對結構進行了穩(wěn)定性分析，主要是屈曲模態(tài)分析，得出最后臨界系數(shù)大于5 是偏于安全的。同時對鋼構件的截面穩(wěn)定應力比進行驗算，結果表明設計截面的穩(wěn)定性均滿足要求。

5 結語

本文詳細論述了一種大跨度鋼結構首榀桁架安裝方法，安裝快速便捷、精準度高、步驟清晰合理，適用于大跨度鋼結構廠房首榀桁架吊裝施工，旨在解決豎向承重構件剛設立、首榀桁架還未安裝的情形，此時結構還未形成穩(wěn)定的受力體系，如在不利天氣或極端災害情況下施工具有極大的安全隱患。同時，利用有限元軟件對首榀桁架吊裝施工的全過程進行數(shù)值模擬，為實際施工過程提供了科學的指導，對于同類大跨度鋼結構的首榀桁架施工具有積極的參考意義。