大跨度異形空間鋼桁架安全吊裝施工技術(shù)

張濤

（中鐵建重慶投資集團(tuán)有限公司，重慶 400700）

0 引言

近年來隨著城市綜合體、產(chǎn)業(yè)園區(qū)在各個(gè)城市大范圍出現(xiàn)，大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑因形式多樣、施工方便、功能強(qiáng)大等突出優(yōu)勢而具有強(qiáng)大的生命力[1]?？臻g鋼桁架作為連接不同建筑間的通道，由于自重小、美觀、造價(jià)低等優(yōu)勢，在展覽館、體育館、大型商場、工業(yè)園區(qū)等建筑中應(yīng)用越來越廣泛[2-6]。然而，大跨度空間桁架式鋼結(jié)構(gòu)連廊作為一種創(chuàng)新性的空間連接布局，雖然設(shè)計(jì)新穎，但在實(shí)際建設(shè)過程中也會(huì)遇到諸多建筑技術(shù)難題[7]，如何選擇合理的安裝方法和制定合理的施工工藝成為工程成敗的關(guān)鍵。由于大跨度空間桁架式鋼結(jié)構(gòu)具有施工難度大、整體施工工序復(fù)雜、危險(xiǎn)性大等特點(diǎn)，所以必須保證施工方案、施工技術(shù)、安裝精度等重要環(huán)節(jié)的合理性和科學(xué)性。對于大跨度空間鋼桁架的吊裝方案，目前主要有滑移施工[8-9]、整體安裝[10]、高空拼裝[11-12]等。本文結(jié)合具體工程項(xiàng)目情況，研究了大跨度異形空間鋼桁架結(jié)構(gòu)安裝方案的比選，詳細(xì)介紹了大跨度異形空間鋼結(jié)構(gòu)桁架分段吊裝的施工工藝，致力于深入分析施工技術(shù)，為業(yè)內(nèi)人士提供一定借鑒和思路。

1 工程概況

該工程為重慶市傳感器特色產(chǎn)業(yè)基地暨西部(重慶)科學(xué)城北碚園區(qū)，項(xiàng)目以MZ3路為界分B、C兩個(gè)功能區(qū)域，B區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)化廠房、C區(qū)為研發(fā)孵化樓。鋼結(jié)構(gòu)桁架橫跨MZ3路，位于B5#樓與C1#樓之間，連接屋面位于樓面標(biāo)高35.4 m處，有效地將兩地塊建筑群連為一體，同時(shí)形成園區(qū)“大門”。鋼桁架結(jié)構(gòu)形式采用空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，總重為297.16 t，跨度為81.92 m，高4.33 m，兩端寬16.7 m，中間寬8.0 m，其中南側(cè)立面為曲面結(jié)構(gòu)。

鋼桁架所有構(gòu)件均采用Q355B鋼，上、下弦桿、腹桿均采用圓鋼管，弦桿截面尺寸有D325×20 mm、D159×12 mm、D140×10 mm，腹桿截面尺寸有D300×20 mm、D159×20 mm、D159×12 mm。主結(jié)構(gòu)弦桿與腹桿連接點(diǎn)的相貫焊縫均采用全焊透焊縫。鋼桁架與主體結(jié)構(gòu)采用柔性連接方式，連接支座采用成品支座。工程完成安裝后效果見圖1。

圖1 項(xiàng)目實(shí)施后效果圖

2 吊裝方案比選

2.1 影響吊裝方案選擇的主要因素

為保證施工的安全和質(zhì)量，針對該工程鋼桁架跨度大、單體構(gòu)件較重、高度高等特點(diǎn)，在施工方案比選階段提出了整體吊裝、三段吊裝和四段吊裝三種吊裝施工方案。重點(diǎn)分析對比了三種吊裝方案在提升過程中結(jié)構(gòu)的受力和變形特點(diǎn)，最后綜合考慮桁架的運(yùn)輸、場地條件、高空焊接工作量等因素，選擇適合該工程的最佳吊裝方案。

由于空間桁架為異形結(jié)構(gòu)，重心在平面上不對稱，為了保證起吊過程空間桁架受力均勻及姿態(tài)平穩(wěn)，首先采用有限元軟件計(jì)算出每節(jié)吊裝段的重心在平面上的位置，然后以該重心為圓心，以合適的半徑畫圓，半徑大小需根據(jù)吊車的起吊高度以及鋼絲繩與水平的夾角θ確定，θ宜控制在45°～60°，沿著水平和豎直方向找到距離圓最近的節(jié)點(diǎn)作為吊裝點(diǎn)。為了減少起吊高度和保證鋼絲繩與水平夾角θ在控制要求范圍內(nèi)，將吊裝點(diǎn)全部設(shè)置在桁架下弦節(jié)點(diǎn)。

2.2 吊裝方案比選分析

2.2.1 整體吊裝

整體吊裝法是將桁架構(gòu)件在工廠分段加工及試拼完成，分段運(yùn)達(dá)，在現(xiàn)場完成拼裝及結(jié)構(gòu)的焊接施工；設(shè)置整體提升吊點(diǎn)，開始整體吊裝至提升位置，進(jìn)行桁架與主結(jié)構(gòu)的連接工作，完成桁架施工。吊點(diǎn)設(shè)置如圖2所示，1和2、3和4、4和5、6和7吊點(diǎn)分別用一臺汽車吊設(shè)置兩根鋼絲繩，起吊汽車布置在一側(cè)；8和9、10和11、11和12、13和14吊點(diǎn)分別用一臺汽車吊設(shè)置兩根鋼絲繩，起吊汽車布置在相對一側(cè)。同時(shí)用8臺汽車吊，吊起總重為297.16 t的桁架。整體吊裝法在起吊過程中桿件最大應(yīng)力比為0.27，整體應(yīng)力比較低，結(jié)構(gòu)安全；最大變形2.65 mm，發(fā)生在桁架兩端，滿足規(guī)范要求。此方案優(yōu)點(diǎn)：整體吊裝一定程度減少了吊裝工作量，縮短了鋼桁架施工周期；同時(shí)，整體吊裝法高空拼接和焊接工作量少，可以降低安全風(fēng)險(xiǎn)。此方案缺點(diǎn)：整體吊裝需要大功率吊裝設(shè)備和足夠的現(xiàn)場施工作業(yè)面，對場地條件要求高；8臺吊車同時(shí)抬吊作業(yè)指揮及控制難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。經(jīng)驗(yàn)算，MZ3路承載力、沉降變形不能滿足要求；同時(shí)路面寬度不足，兩側(cè)管廊區(qū)域無法承力，吊車難以布設(shè)。故整體吊裝方案不可行。

圖2 整體吊裝吊點(diǎn)布置及應(yīng)力、變形分析圖

2.2.2 三段吊裝

三段吊裝法是將桁架構(gòu)件在工廠分段加工及試拼完成，編號并分段運(yùn)達(dá)?，F(xiàn)場設(shè)置兩處臨時(shí)鋼支撐，將鋼桁架分三段按照順序吊裝至指定位置后完成拼接處焊接工作以及桁架與主結(jié)構(gòu)的連接，進(jìn)行胎架卸載，完成桁架鋼結(jié)構(gòu)施工。吊點(diǎn)布置如圖3所示，對于第一段，1和2、8和9吊點(diǎn)分別用一臺汽車吊設(shè)置兩根鋼絲繩，2臺起吊汽車分別布置在相對兩側(cè)。對于第三段，6和7、13和14吊點(diǎn)分別用一臺汽車吊設(shè)置兩根鋼絲繩，2臺起吊汽車分別布置在相對兩側(cè)。對于第二段，3和4、4和5吊點(diǎn)分別用一臺汽車吊設(shè)置兩根鋼絲繩，2臺起吊汽車布置在北面的同一側(cè)；10和11、11和12吊點(diǎn)分別用一臺汽車吊設(shè)置兩根鋼絲繩，2臺起吊汽車布置在南面的同一側(cè)。起吊過程中桿件最大應(yīng)力比為0.24，發(fā)生在桁架跨中的腹桿處，整體應(yīng)力比較低，結(jié)構(gòu)安全；在起吊過程中的最大變形為7.87 mm，發(fā)生在第二段桁架的兩端部，整體變形滿足規(guī)范要求。此方案的特點(diǎn)是：雖然高空焊接工作量相對于方案一有所提高，且需要設(shè)置臨時(shí)支撐，但分三段吊裝的單次吊裝自重輕，對吊裝設(shè)備和場地要求低，且有利于鋼桁架的運(yùn)輸；吊裝危險(xiǎn)性較低；可實(shí)施性較高，吊車數(shù)量少，經(jīng)濟(jì)性較好。

圖3 三段吊裝吊點(diǎn)布置及應(yīng)力、變形分析圖

2.2.3 四段吊裝

四段吊裝方案如圖4所示。對于第一段，1和2、9和10吊點(diǎn)分別用一臺汽車吊設(shè)置兩根鋼絲繩，2臺起吊汽車分別布置在相對兩側(cè)；對于第二段，3和4、11和12吊點(diǎn)分別用一臺汽車吊設(shè)置兩根鋼絲繩，2臺起吊汽車分別布置在相對兩側(cè)；對于第三段，5和6、13和14吊點(diǎn)分別用一臺汽車吊設(shè)置兩根鋼絲繩，2臺起吊汽車分別布置在相對兩側(cè)；對于第四段，7和8、15和16吊點(diǎn)分別用一臺汽車吊設(shè)置兩根鋼絲繩，2臺起吊汽車分別布置在相對兩側(cè)。在起吊過程中桿件最大應(yīng)力比為0.24，發(fā)生在第一、二段桁架左端的腹桿處，整體應(yīng)力比較低，結(jié)構(gòu)安全。在起吊過程中的最大變形為7.09 mm，發(fā)生在第一段桁架的右端，整體變形滿足規(guī)范要求。相比于分三段的吊裝方法，四段吊裝法起吊重量更小、更容易更安全，但需要進(jìn)行多次吊裝和焊接，需要更多的勞動(dòng)力投入，會(huì)增加施工成本，施工周期較長；同時(shí)，需要在地面設(shè)置多個(gè)臨時(shí)支撐，對施工通道影響較大；而且拼接位置處于受力較大的跨中，對結(jié)構(gòu)影響不利。

圖4 四段吊裝吊點(diǎn)布置及應(yīng)力、變形分析圖

2.3 吊裝方案比選結(jié)果

綜合上述分析，三種吊裝方法在吊裝過程中結(jié)構(gòu)的受力和變形都能滿足要求，因此吊裝方案選擇主要考慮現(xiàn)場施工條件、臨時(shí)設(shè)施設(shè)置、高空焊接量等因素。方案一雖然不需要設(shè)置臨時(shí)支撐，同時(shí)也不需要進(jìn)行高空焊接，但整體起吊重量大，需要同時(shí)工作的吊車臺數(shù)多，而現(xiàn)場施工場地條件有限，難以同時(shí)布置多臺吊車。方案三雖然起吊重量均勻，但拼接位置設(shè)在了受力最大的跨中位置，且臨時(shí)支撐設(shè)置較多，高空焊接量也大。方案二雖然第二段起吊重量大，但現(xiàn)場有條件布置汽車吊和臨時(shí)支撐，且拼接位置在受力較小的位置，高空焊接量也相對較少。因此，針對整體吊裝法受現(xiàn)場施工條件限制以及四段吊裝法對結(jié)構(gòu)使用階段受力的不利影響，分三段的分段吊裝法最為合適。分三段吊裝的方案既能滿足安全的要求，又能滿足結(jié)構(gòu)受力、變形和場地條件要求，可實(shí)施性最高，且較為經(jīng)濟(jì)。

3 吊裝方案實(shí)施

3.1 吊裝準(zhǔn)備工作

3.1.1 鋼桁架拼裝

為確保吊裝過程安全可控，通過結(jié)構(gòu)重量分析及現(xiàn)場吊裝構(gòu)件作業(yè)半徑情況將桁架分為三段，如圖3所示。為了避免在桁架拼接處形成薄弱截面，三段斷開處不得為上下齊口，就位后桁架焊接不得出現(xiàn)上下通縫。分段要求為：桁架上弦主桿比下弦主桿短0.3 m，同一平面相鄰主弦桿長度錯(cuò)開0.3 m，各段尺寸如表1所示。

表1 鋼結(jié)構(gòu)吊裝構(gòu)件明細(xì)表

各段在加工廠做成半成品，運(yùn)至現(xiàn)場二次拼裝成整體。拼裝平臺基礎(chǔ)采用50 mm×2000 mm×12000 mm鋼板平鋪在地面，經(jīng)過計(jì)算承載力滿足拼裝重量。拼裝臺架采用工字鋼焊接固定在基礎(chǔ)上，防止移動(dòng)，臺架拼裝完成后用水平儀抄平。在拼裝臺架上將桁架整體拼裝完成后，檢查桁架的整體性。

3.1.2 臨時(shí)支撐

鋼桁架下設(shè)置兩個(gè)臨時(shí)支架支撐。臨時(shí)支架在現(xiàn)場加工、拼裝好后安裝。支架主體高34.24 m（不含基礎(chǔ)部分），四角采用?630 mm×10 mm螺旋鋼管，兩頭焊接法蘭盤，做成6 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，采用高強(qiáng)螺栓連接，螺旋管與法蘭盤加肋焊接；螺旋管之間用10槽鋼、?200 mm鋼管連接加固，拼裝時(shí)保證每節(jié)的垂直度，螺栓不得偏位。

為保證臨時(shí)支架穩(wěn)定，每個(gè)支架均配備兩條纜風(fēng)繩（纜風(fēng)繩直徑?25 mm）。支架頂部承重梁采用800 mm×300 mm×14 mm×25 mmH型鋼，分配梁采用500 mm×200 mm×8 mm×12 mmH型鋼，H型鋼全部滿焊接，保證安全牢固。承重梁頂焊接3個(gè)沙箱，沙箱采用?600 mm、高450 mm的鋼筒，行程為120 mm。吊裝第二段時(shí)，為防止構(gòu)件接口處對應(yīng)不平整，將3臺50 t螺旋千斤頂?shù)踔僚R時(shí)支架平臺上，配合沙箱使用，保證焊接質(zhì)量。

臨時(shí)支撐基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)，呈“E”字形，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面尺寸為3 m×0.5 m，并借助下部人行天橋樁基礎(chǔ)，鋼筋綁扎時(shí)將鋼筋植于天橋樁基礎(chǔ)一側(cè)，使兩基礎(chǔ)形成整體。筏板基礎(chǔ)采用C30混凝土，雙層雙向鋼筋網(wǎng)片，鋼筋型號為?16 mm螺紋鋼，間距@200 mm，箍筋為?12 mm螺紋鋼，間距@200 mm?；A(chǔ)內(nèi)預(yù)埋地腳螺栓，螺栓桿為16根?20螺紋鋼，并綁扎在鋼筋網(wǎng)片上，間距與螺旋管鋼支柱相對應(yīng)，澆筑混凝土?xí)r此部位振搗密實(shí)。

3.1.3 臨時(shí)支撐基礎(chǔ)驗(yàn)算

鋼桁架自重第一段重81.9 t，第二段重149 t，臨時(shí)支架重59 t。則臨時(shí)支撐基礎(chǔ)最大反力可按下式計(jì)算：

N=81.9/2+149/2+59=174.45 t=1744.5 kN

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007—2011要求，基礎(chǔ)底面的壓力，應(yīng)符合下式要求：

式中：Pk——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值；fa——修正后的地基承載力特征值，取250 kN/m2。

式中：Fk——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力值，以最大數(shù)值1744.5 kN計(jì)算；A為基礎(chǔ)底面面積。

滿足要求。

3.1.4 吊裝設(shè)備驗(yàn)算

根據(jù)現(xiàn)場吊裝情況、鋼結(jié)構(gòu)桁架重量以及吊裝提升高度將第一段、第二段、第三段鋼結(jié)構(gòu)吊裝半徑選取最大為21 m，起重高度為35.4 m，仰角為79°，單臺汽車吊起吊荷載分別為81.9/2=40.95 t、149/4=37.25 t、66.26/2=33.13 t，單臺汽車吊最大起吊重量為40.95 t。采用SCA6000型汽車吊為主吊車，選主臂長61.8 m，載荷率80%以下，額定起重量為70 t，對其進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果如下：

起重吊裝荷載：QK=[40.95+0.2(鋼絲繩)]×1.1(安全系數(shù))=45.265 t；

起重機(jī)額定起重能力(t)：QK=45.265t≤[QK]=70 t；

負(fù)載率：45.265/70×100%=64.5%，滿足要求。

現(xiàn)場吊車作業(yè)位置處理完畢且具備吊裝條件后，安排大型吊車進(jìn)場；提前確認(rèn)吊車站位，道路封閉準(zhǔn)備完畢；汽車吊在作業(yè)位置進(jìn)行組裝，架設(shè)配重塊；清除吊車作業(yè)區(qū)域障礙，確認(rèn)吊車作業(yè)區(qū)域地下無暗溝管道，保證順利安全作業(yè)。

3.2 桁架吊裝施工

3.2.1 安裝流程

桁架安裝程序?yàn)椋号R時(shí)支架安裝→支架上操作平臺架設(shè)→現(xiàn)場拼裝→地面焊接→檢查起拱度并保存起拱數(shù)據(jù)→超聲波檢驗(yàn)→合格后準(zhǔn)備吊裝→600 t吊車進(jìn)場→吊車就位檢測→吊裝就位后固定→空中焊接→超聲波檢測→合格后補(bǔ)漆→拆除臨時(shí)支架→吊車退場→清理現(xiàn)場。主要工藝流程如圖5所示。

圖5 安裝工藝流程

3.2.2 吊裝施工吊裝時(shí)為確保吊裝的穩(wěn)定性，第一段、第三段選用2臺吊車，第二段選用4臺吊車對稱起吊，吊車平面布置如圖6所示。吊裝順序按照圖7中第一段→第三段→第二段的順序進(jìn)行。

圖6 吊車平面布置

圖7 吊裝順序示意圖

以第一段吊裝為例，每段吊裝主要分為三個(gè)步驟：（1）吊裝前準(zhǔn)備工作就緒后，先進(jìn)行試吊，檢查各項(xiàng)設(shè)備性能及穩(wěn)定性和安全性之后方可繼續(xù)緩慢上升（圖8a）；（2）上升超過臨時(shí)支架頂3 m，1號吊車起鉤同時(shí)趴桿，2號吊車回鉤同時(shí)仰桿，兩臺吊車同時(shí)配合起回，緩慢變幅將構(gòu)件移至設(shè)計(jì)的中心軸線位置（圖8b）；（3）待異形桁架達(dá)到安裝指定位置中心之后將其緩慢放下，為了保證構(gòu)件側(cè)向穩(wěn)定性，在吊裝過程中采用人工牽引纜繩作為輔助手段（圖8c）。

圖8 構(gòu)件吊裝步驟示意圖

吊裝就位后，鋼桁架結(jié)構(gòu)分塊采用焊接連接。施焊時(shí)先焊主弦桿、后焊垂直桿，再焊斜腹桿。對收縮量大的部位先焊，主弦桿焊接安排4名焊工在網(wǎng)架的兩側(cè)對稱焊接；平面上從中部對稱地向四周擴(kuò)展。支座處焊接時(shí)，要求支座處的支承加勁板與底板及下弦桿內(nèi)加勁板與上翼緣板均頂緊。焊接過程中平衡加熱量，并采取錘擊、預(yù)熱等有效方法以減少焊接變形和焊接應(yīng)力。待鋼桁架焊接完成后，按照規(guī)范要求對鋼桁架焊縫進(jìn)行驗(yàn)收，保證滿足規(guī)范要求。最后對焊縫部位補(bǔ)漆、拆除臨時(shí)支撐，吊裝施工完成。

4 質(zhì)量與安全保障措施

施工前制定專項(xiàng)方案，組織專家論證并按程序?qū)徟蛔龊孟嚓P(guān)的安全技術(shù)交底工作，向管理及班組人員詳細(xì)講解施工過程的注意事項(xiàng)和準(zhǔn)備工作、安全防護(hù)措施。同時(shí)成立吊裝指揮小組，負(fù)責(zé)整個(gè)過程的指揮工作。認(rèn)真檢查所有工具和設(shè)備，保證施工器械的穩(wěn)定性和安全性，防止發(fā)生施工意外。施工前對施工作業(yè)環(huán)境進(jìn)行檢查，保證場地承壓能力達(dá)到要求，驗(yàn)算臨時(shí)支架穩(wěn)定性和承載能力以及鋼絲繩、卸扣等構(gòu)件承載力。起吊前劃定作業(yè)及警戒區(qū)域、專人值守，對構(gòu)件認(rèn)真檢查，檢查吊運(yùn)過程有無障礙物、查看吊點(diǎn)是否正確可靠等。吊運(yùn)過程的每個(gè)環(huán)節(jié)，都應(yīng)有人監(jiān)護(hù)，保證起吊過程同步平穩(wěn)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)匯報(bào)并停止吊運(yùn)，處理好后方可繼續(xù)。

5 結(jié)語

結(jié)合整體吊裝法和分段吊裝法的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮場地條件的限制以及鋼桁架構(gòu)件的運(yùn)輸和施工質(zhì)量，項(xiàng)目吊裝分三段完成，并基于該項(xiàng)目詳細(xì)介紹了三段吊裝法的施工工藝。相比于整體吊裝法，分段吊裝法可選用小型吊裝設(shè)備，吊車可充分發(fā)揮其功率，更加經(jīng)濟(jì)安全；同時(shí)，分段吊裝施工空間小，大大降低了鋼桁架施工工作對下一工序作業(yè)環(huán)境的影響。該工程對大跨度異形鋼結(jié)構(gòu)桁架吊裝方案的探討和嘗試，為相關(guān)復(fù)雜工程的吊裝方案提供了一定的借鑒。