大跨度張弦梁鋼結(jié)構(gòu)屋蓋分塊吊裝施工關(guān)鍵技術(shù)研究

張 敏

（鄭州商學(xué)院，河南 鄭州 451200）

張弦梁鋼結(jié)構(gòu)屋蓋廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)和建設(shè)大跨度建筑物。因此，研究大跨度張弦梁鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工對(duì)推動(dòng)現(xiàn)代化建筑施工行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。傳統(tǒng)的大跨度結(jié)構(gòu)施工常受制于場(chǎng)地限制、運(yùn)輸困難和施工作業(yè)高空風(fēng)險(xiǎn)等問題[1-2]。因此，研究者開始探索張弦梁鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的分塊吊裝施工技術(shù)，以此提高工期效率、降低安全風(fēng)險(xiǎn)并保證施工質(zhì)量。傳統(tǒng)的大跨度結(jié)構(gòu)通常需要現(xiàn)場(chǎng)焊接或拼裝，而這種施工方式有局限性，例如施工周期長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)工序復(fù)雜和人力資源需求大等[3]。另外，大跨度結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸過程中也有尺寸和質(zhì)量限制，不能整體運(yùn)輸使現(xiàn)場(chǎng)細(xì)分組裝成為必要的施工方式。因此，分塊吊裝施工技術(shù)逐漸成為解決上述問題的有效手段。該技術(shù)將大跨度結(jié)構(gòu)分成若干個(gè)較小的構(gòu)件或塊，用吊裝設(shè)備將這些構(gòu)件或塊分別運(yùn)輸至指定位置，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝[4]。應(yīng)用該技術(shù)可以降低施工風(fēng)險(xiǎn)，加快工期進(jìn)度。為提升分塊吊裝施工的效果，該研究對(duì)大跨度張弦梁鋼結(jié)構(gòu)屋蓋分塊吊裝施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 大跨度張弦梁鋼結(jié)構(gòu)屋蓋分塊吊裝施工關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 張弦梁鋼結(jié)構(gòu)吊裝前準(zhǔn)備工作

1.1.1 確認(rèn)鋼結(jié)構(gòu)材料

在鋼結(jié)構(gòu)吊裝前，需要先確認(rèn)材料。具體工作要點(diǎn)如下：首先，對(duì)基礎(chǔ)軸線和標(biāo)高進(jìn)行復(fù)核，確保柱子的柱間距、柱垂直度以及柱頂面預(yù)埋鋼板的支承面偏差符合要求。其次，在施工現(xiàn)場(chǎng)，按照總體平面布置圖的指示將構(gòu)件臨時(shí)堆放在指定位置，并在地面上鋪設(shè)木方，減少堆放鋼構(gòu)件可能產(chǎn)生的變形，并注意排水方向，避免阻礙地面排水。再次，為清點(diǎn)數(shù)量，對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收，并在地面上對(duì)可能存在缺陷的構(gòu)件進(jìn)行處理，確保質(zhì)量有問題的構(gòu)件不會(huì)進(jìn)入安裝流程。為保證加工廠和現(xiàn)場(chǎng)間的一致性，必須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)記，并對(duì)每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行準(zhǔn)確編號(hào)?？刹捎脳l形碼掃描系統(tǒng)掃描構(gòu)件上的銘牌條形碼，并將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理。只有按照規(guī)則和順序堆放鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，才能確保安裝進(jìn)程有條不紊。按照以上步驟，確認(rèn)鋼結(jié)構(gòu)的材料后，可現(xiàn)場(chǎng)拼裝鋼結(jié)構(gòu)。

1.1.2 鋼結(jié)構(gòu)材料分塊拼裝

由于大跨度張弦梁鋼結(jié)構(gòu)屋蓋中鋼構(gòu)件數(shù)量多，因此材料運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)后，應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行拼裝。具體的操作如下。

首先，根據(jù)圖紙或設(shè)計(jì)要求，清點(diǎn)每個(gè)鋼構(gòu)件，確認(rèn)數(shù)量齊全，對(duì)其進(jìn)行分類和組織，以便有效拼裝。對(duì)較大且重的構(gòu)件，例如梁、柱等，可以利用起重機(jī)械或吊車將其移動(dòng)到指定位置后進(jìn)行拼裝。采用合適的連接方式（如螺栓連接、焊接等），按照預(yù)定的位置準(zhǔn)確地連接鋼構(gòu)件。可以采用手動(dòng)搬運(yùn)的方式將較小的構(gòu)件放在指定的位置上。同樣，要確保構(gòu)件的準(zhǔn)確位置和對(duì)齊，并使用適當(dāng)?shù)倪B接方式進(jìn)行固定。在拼裝過程中，須嚴(yán)格按照規(guī)范和圖紙要求進(jìn)行操作，檢查每個(gè)連接點(diǎn)是否緊固，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和修正，要做好記錄，確保后續(xù)工作順利進(jìn)行。完成拼裝后驗(yàn)收，檢查每個(gè)連接處是否完整和牢固，構(gòu)件的垂直度、水平度等是否滿足要求。保證拼裝的質(zhì)量和保障安全性后，可以開始鋼結(jié)構(gòu)屋蓋吊裝工作。分塊拼裝鋼結(jié)構(gòu)材料為后續(xù)工作提供了基礎(chǔ)，保證鋼結(jié)構(gòu)屋蓋吊裝的穩(wěn)定性。

1.2 布置張弦梁鋼結(jié)構(gòu)起步架吊裝拉索

在屋蓋吊裝的過程中，隨著鋼結(jié)構(gòu)跨度增加，自重也隨之增加。大跨度張弦梁鋼結(jié)構(gòu)屋蓋主體結(jié)構(gòu)以拱形為主，吊裝與臨時(shí)支撐產(chǎn)生了較大的張力與形變，影響后期的正常使用[5]。在張弦梁鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程中，該文利用布置拉索來平衡鋼桁架的張力，防止桁架形變，使局部桿件、鋼柱受到的水平推力與位移變小。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的組合長(zhǎng)度與受力情況布置拉索，并向其施加預(yù)拉力，人為調(diào)整預(yù)拉力，使支座的水平推力減少，甚至為零。此時(shí)，吊裝部分呈自主平衡的狀態(tài)，避免了屋蓋吊裝形變的問題。該文以合理布置拉索為原則，拉索結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 拉索結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

如圖1所示，在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的兩端布置拉索，一端在支座處，另一端在臨時(shí)支撐處[6]。當(dāng)布置拉索時(shí)，靜力平衡方程如公式（1）所示。

式中：δ1為靜力平衡系數(shù)；P為拉索的索力；?1P為截?cái)嗬鞯乃髁Σ睢?/p>

當(dāng)拉索滿足公式（1）時(shí)，布置拉索的位置能保證預(yù)拉力與水平推力為均衡狀態(tài)。

1.3 分段吊裝大跨度張弦梁鋼桁架

分段吊裝對(duì)場(chǎng)地的要求較低，搭設(shè)一個(gè)臨時(shí)支撐胎架，預(yù)設(shè)吊裝機(jī)械運(yùn)行路線，即可滿足吊裝需求[7]。該文根據(jù)吊裝單元選擇起重機(jī)械，并在高空吊裝鋼桁架。將吊點(diǎn)設(shè)置在支座上，結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)將鋼桁架的重力傳輸?shù)街ё?，保證各段桁架單元吊裝穩(wěn)定性。在屋蓋吊裝的過程中，主桁架有12榀，桁架高度均為2.5m。在1～28軸桁架中，最大長(zhǎng)度為53m，最高頂標(biāo)高為17m。根據(jù)實(shí)際吊裝情況，在8～21軸設(shè)計(jì)最大長(zhǎng)度為117m，最高頂標(biāo)高為24m。鋼桁架分段情況見表1。

表1 鋼桁架分段表

由表1可知，8軸～21軸為鋼桁架的主桁架位置，桁架從左到右分別為A軸、D軸和H軸。在分塊吊裝的過程中，每榀桁架按照AD、DH的順序進(jìn)行吊裝。同時(shí)吊裝H軸外側(cè)的主桁架H′與A軸外側(cè)的主桁架A′，使A′軸、A軸、D軸、H軸和H′軸形成一個(gè)整體[8]。為保證鋼桁架的吊裝穩(wěn)定性，該文將初始吊點(diǎn)設(shè)置在支座處，其他吊點(diǎn)以被吊裝的鋼桁架段重心為中心，均勻地分布在重心的兩側(cè)，使被吊單元中部與兩端的力矩保持平衡。吊點(diǎn)的數(shù)量為偶數(shù)，能確保分段單元被平穩(wěn)起吊。另外，吊點(diǎn)位置受力均勻，吊點(diǎn)與鋼絲繩間的夾角在45°～60°，可以保障鋼桁架的吊裝安全性。該文將鋼桁架的吊裝區(qū)域分為3個(gè)部分：1～7軸、8～21軸和22軸～28軸。單獨(dú)吊裝8～21軸，同時(shí)吊裝1軸～7軸和22軸～28軸，滿足鋼桁架的吊裝需求。

1.4 抬吊鋼結(jié)構(gòu)屋蓋鋼柱

采用25t汽車將屋蓋鋼柱吊上高架層，并在標(biāo)高樓面安裝，保證工具柱與結(jié)構(gòu)柱的焊接質(zhì)量。工具柱與結(jié)構(gòu)柱在工廠預(yù)制焊接后，統(tǒng)一運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，待屋蓋提升到位后，對(duì)其進(jìn)行割除、打磨和搭接。考慮高架層樓板施工荷載與其他現(xiàn)場(chǎng)施工的因素，該文根據(jù)汽車吊裝能力、起吊高度等，將鋼柱吊裝分為超高、超重和正常這3種吊抬方式，確保屋蓋鋼柱與鋼桁架分塊吊裝原則保持一致。超高、超重的分段鋼柱采用2臺(tái)25t汽車進(jìn)行吊裝，根據(jù)屋蓋結(jié)構(gòu)與分塊吊裝原則，選用?1200mm×50mm與?1200mm×42mm兩種屋蓋鋼柱截面。屋蓋鋼柱布置情況如圖2所示。

圖2 屋蓋鋼柱布置圖

如圖2所示，黑色框內(nèi)的鋼柱截面為?1200mm×50mm，其余鋼柱截面均為?1200mm×42mm。在?1200mm×50mm鋼柱抬吊的過程中，選用主臂長(zhǎng)為32.25m、吊裝半徑為8m，分段吊重為11.8t+2.5t、吊裝能力為21.2t、起吊高度為31.2m的機(jī)械。最先吊裝?1200mm×50mm的鋼柱，用50t汽車吊就近吊裝淺灰色的鋼柱，并完成焊接拼裝。在4根鋼柱安裝完成后，采用350t履帶吊分段吊裝分段柱節(jié)?1200mm×50mm的鋼柱。當(dāng)?shù)跹b第一節(jié)鋼柱時(shí)，吊裝半徑控制在12m內(nèi)，50t汽車吊30.92m，主臂半徑為12m，在此工況下，能夠吊起10.1t的鋼柱。該工程第一節(jié)鋼柱最大質(zhì)量為7.5t，可以滿足吊裝的質(zhì)量需求。該工程用到履帶吊的鋼柱最大分段質(zhì)量為51.6t，最高為48m，同樣可以滿足鋼柱分段吊裝需求。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

為驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的施工技術(shù)是否滿足屋蓋吊裝施工的質(zhì)量需求，以某鐵路站站房為例，對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行實(shí)例分析。某鐵路站站房是交通樞紐的核心，集市域軌道、鐵路和公路等多種交通方式為一體的綜合性客運(yùn)站。車場(chǎng)規(guī)模為4臺(tái)10線，有4座島式中間站房，尺寸為450m×7.5m×1.25m，站房總建筑面積約為2250m2。某鐵路站站房的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)體系為鋼管混凝土柱與空間管桁架結(jié)合的形式，屋蓋鋼柱間的間距約為24.7m、74.1m。在中央的站房屋蓋主桁架為三角桁架，最大跨度約為75m，最高約為40m，鋼柱直徑為?1200mm×42mm、?1200mm×50mm。中央站房正立面情況如圖3所示。

圖3 中央站房正立面圖

中央站房屋蓋鋼柱為圓管混凝土柱，截面尺寸為?1200mm×50mm，材質(zhì)為Q355GJB，鋼柱內(nèi)管C40混凝土。屋蓋桿件為無縫圓管，規(guī)格包括?159mm×6mm、?245mm×10mm、?325mm×16mm、?450mm×18mm和?500mm×25mm等。旅服夾層鋼梁截面以“H”形為主，輔以少量的箱型，鋼梁尺寸為H250mm×200mm×6mm×10mm，材質(zhì)為Q355B。該文將中央站房屋蓋分為提升區(qū)與吊裝區(qū)，在高架層拼裝屋蓋分塊結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)跹b時(shí)設(shè)置臨時(shí)支撐，承擔(dān)屋蓋大部分壓力，保證屋蓋吊裝施工質(zhì)量。

2.2 應(yīng)用結(jié)果

在上述條件下，該文隨機(jī)選取CSF_1～CSF_8這8種吊裝施工工況，并根據(jù)吊裝環(huán)境設(shè)定對(duì)應(yīng)工況的最大形變量。在工況施工條件滿足實(shí)際需求的情況下，使用大跨度張弦梁鋼結(jié)構(gòu)屋蓋分塊吊裝施工關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)其形變量、主結(jié)構(gòu)應(yīng)力、支撐應(yīng)力和反力等質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行分析。應(yīng)用結(jié)果見表2。

表2 應(yīng)用結(jié)果

CSF_1～CSF_8為屋蓋吊裝施工工況。其中，CSF_1為屋蓋邊緣桁架發(fā)生形變的工況；CSF_2為第二根屋蓋桁架發(fā)生形變的工況；CSF_3為兩端桁架發(fā)生形變的工況；CSF_4為中間桁架發(fā)生形變的工況；CSF_5為CSF_1區(qū)域鋼柱發(fā)生形變的工況；CSF_6為CSF_2區(qū)域鋼柱發(fā)生形變的工況；CSF_7為CSF_3區(qū)域鋼柱發(fā)生形變的工況；CSF_8為CSF_4區(qū)域鋼柱發(fā)生形變的工況。在不同工況下，屋蓋鋼桁架的允許形變量存在變化。該文根據(jù)每種工況的實(shí)際吊裝施工情況，設(shè)定了最大形變量。在最大形變量的范圍內(nèi)，可滿足吊裝施工的質(zhì)量需求。

在已知其他條件的情況下，使用大跨度張弦梁鋼結(jié)構(gòu)屋蓋分塊吊裝施工關(guān)鍵技術(shù)后，屋蓋鋼桁架的形變量在-11mm～-20mm，主結(jié)構(gòu)應(yīng)力在-120MPa～120MPa，支撐應(yīng)力在-8MPa～-84MPa，反力在300kN～785kN。由此可見，使用該文設(shè)計(jì)的方法后，形變量在最大形變量的需求內(nèi)，主結(jié)構(gòu)應(yīng)力、支撐應(yīng)力和反力均能夠滿足吊裝施工的質(zhì)量需求。

3 結(jié)語

隨著大型車站、機(jī)場(chǎng)等大容量高空間要求的公共設(shè)施逐漸興起，大跨度施工形式廣泛應(yīng)用于建筑中，保障了建筑物的施工安全。受普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉性能限制，大跨度鋼結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)形變較大，易坍塌等問題。為提升大跨度鋼結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性，該文研究了大跨度張弦梁鋼結(jié)構(gòu)屋蓋分塊吊裝施工關(guān)鍵技術(shù)。從拉索、鋼桁架和鋼柱等方面，減少屋蓋吊裝的自重，提高鋼結(jié)構(gòu)的剛度，使大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的吊裝整體性更佳，抗震性能更強(qiáng)，保證大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工質(zhì)量。