某高層建筑屋頂薄壁鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)探討

（廈門象嶼工程咨詢管理有限公司，福建 廈門 361000）

某高層建筑屋頂薄壁鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)探討

曾遠峰

（廈門象嶼工程咨詢管理有限公司，福建 廈門 361000）

本文以某工程為例，闡述對鋼結(jié)構(gòu)安裝工藝、臨時支撐體系、施工階段結(jié)構(gòu)以及塔吊拆除工藝的研究，總結(jié)施工過程得到的經(jīng)驗，最終本工程是圓滿完工。

高層建筑；薄壁鋼結(jié)構(gòu)；支撐；安裝

1 工程概況

本工程建筑主樓結(jié)構(gòu)176.23m，加上39m的薄壁鋼管構(gòu)成空間屋頂鋼結(jié)構(gòu)，屋頂結(jié)構(gòu)外邊線距地面205.23m。鋼結(jié)構(gòu)屋頂用的鋼管結(jié)構(gòu)中，面積最大的300mm*18mm，最小的60mm*9mm。鋼管間用相關(guān)焊接，整個鋼結(jié)構(gòu)總重426000千克。整個建筑結(jié)構(gòu)形狀為 “三腳凳”形，3個支腳均為倒錐形，整個結(jié)構(gòu)靠11根鑄鋼件支撐。

工程特點和難點為：（1）吊裝問題。屋頂管桁架內(nèi)部在屋頂結(jié)構(gòu)設(shè)計方案發(fā)生改變后無法滿足吊裝要求。（2）風荷載影響。主樓結(jié)構(gòu)高176.23 m，屋頂鋼結(jié)構(gòu)高達39 m，高空風荷載影響嚴重。（3）吊裝測量要求高。鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)跹b封閉前是不穩(wěn)定的，且同一個節(jié)點有數(shù)根桿件，因此吊裝測量需要十分注意。（4）施工階段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定至關(guān)重要。由于屋頂結(jié)構(gòu)高度高41 m，且屋頂結(jié)構(gòu)四周無結(jié)構(gòu)依靠，在屋頂結(jié)構(gòu)吊裝封閉前都是鉸接連接，整個結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，加重施工難度。（5）腳手架搭設(shè)難度高。

2 鋼結(jié)構(gòu)安裝工藝研究

2.1 確定方案和技術(shù)路線

圖1 構(gòu)件吊裝示意

圖2 全站儀軸線控制網(wǎng)示意

本案例最后施工方案是：采用鋼管桁架構(gòu)成“三腳凳”形的空間結(jié)構(gòu)。最后決定的設(shè)計方案中采用的屋頂結(jié)構(gòu)構(gòu)件為薄壁鋼管，但是，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和安全性，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的面積都不大，最大的約1350～1400m2，因此需要剛管桿件很多，最多達兩千多根。屋頂鋼結(jié)構(gòu)用鋼管相貫連接，因此很多鋼管是連接相交在一點，最多時13根桿件交匯在一點。如果現(xiàn)場安裝存在很大困難，經(jīng)過研究決定在先在工廠進行預(yù)拼。考慮到整體提升存在較大問題，因此用分塊吊裝施工。建模后通過和設(shè)計方溝通協(xié)調(diào)，本工程施工技術(shù)路線是：用分塊吊裝法由K5/50B塔吊完成3個支腳和支腳間聯(lián)系桁架，使結(jié)構(gòu)封閉后再在結(jié)構(gòu)上裝QM18、QW6屋面吊，拆除K5/50B塔吊后，剩余鋼管構(gòu)件散件吊裝（見圖1）。分塊吊裝即按設(shè)計方案將屋頂鋼結(jié)構(gòu)分成若干塊進行預(yù)制和拼裝，然后進行吊裝。分塊吊裝和散件吊裝相比有一定優(yōu)點：一、減少高空作業(yè)量，提高校正精度，同時相對安全；二、減少腳手架的搭設(shè)，減小對屋面荷載影響。分塊吊裝時須用腳手架進行穩(wěn)定，分塊吊裝過程鋼結(jié)構(gòu)和腳手架交替上升，互為依靠，腳手架相對于散件吊裝更簡化，需要腳手架更少。

2.2 測量

屋頂需要桿件很多，縱橫交錯空間內(nèi)很難有位置放置測量儀式，由于腳手架阻擋，在屋頂結(jié)構(gòu)底部也不是架設(shè)測量儀器的好位置，無法直觀進行剛測定位。有人提出將測量儀器設(shè)在腳手架上，但工人走動和吊裝構(gòu)件時會因震動影響測量。若跟普通工地一樣用經(jīng)緯儀和垂準儀無法滿足鋼構(gòu)件安裝校準要求，建模計算結(jié)果顯示，此項目所在地風速較大，施工中整個構(gòu)件最大彈性將達57mm，工程施工中對構(gòu)件定位至關(guān)重要。經(jīng)勘測現(xiàn)場數(shù)據(jù)，施工方?jīng)Q定測量所有控制點和周線，修正后在大屋面上建控制網(wǎng)，將結(jié)構(gòu)中所有橫向構(gòu)件投影到屋面，和相關(guān)控制軸線進項測放。分塊吊裝時要保證11根豎向主弦桿垂直度和標高偏差在控制要求內(nèi)。底部空間與控制線偏差通過控制網(wǎng)設(shè)定來控制；通過設(shè)在核心筒內(nèi)塔的專用測量臺及參照11根向主弦桿與控制軸線間絕對偏差關(guān)系來控制上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件與11根豎向主弦桿間相對偏差值。經(jīng)設(shè)計方案不斷優(yōu)化，本工程最終吊裝偏差位移控制在5mm內(nèi)。

3 臨時支撐體系研究

據(jù)測量計算結(jié)果，初步審計腳手架規(guī)模：根據(jù)腳手架高度高過結(jié)構(gòu)主體原則，腳手架設(shè)計高度40m，腳手通道4道；12m高四管立竿底部、18m高雙管立竿中部以及12m高上部。

圖3 腳手架搭設(shè)優(yōu)化示意圖

圖4 臨時抗風支撐平面位置示意

本工程風荷載參數(shù)設(shè)置是根據(jù)本工程有關(guān)數(shù)據(jù)和要求且通過MIDAS軟件進行建模計算，規(guī)模按50年一遇標準設(shè)計。通過以上計算結(jié)果，經(jīng)專家論證確認，對腳手架設(shè)計方案進行優(yōu)化，結(jié)果是：腳手架改為39m；15m高四管立竿底部、7m高雙管立竿中部及19m高上部（見圖3）。

根據(jù)優(yōu)化后腳手架搭設(shè)方案，再次進行MIDAS結(jié)構(gòu)計算。計算結(jié)果符合設(shè)計受力要求（最大軸力33.8kN、最大位移36.1mm）。優(yōu)化不是最終實施結(jié)果，因為施工過程中，我們根據(jù)遇到具體情況又進行優(yōu)化，且根據(jù)優(yōu)化情況計算，在建模計算基礎(chǔ)上減少相應(yīng)部位腳手架。

4 施工階段結(jié)構(gòu)分析

屋頂鋼結(jié)構(gòu)從3個支腳（標高+184.65m）到第1道相互連通水平桁架（標高+218.7m）間距34m，且支架間缺少穩(wěn)固支撐，自身剛度不夠支撐整體對支架產(chǎn)生的變形。鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)撞渴倾q接形式，造成屋頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定得不到保證。因此屋頂鋼結(jié)構(gòu)吊裝前要通過結(jié)構(gòu)建模，分析每一施工狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系，滿足結(jié)構(gòu)分塊吊裝施工可行性。

抗風荷載結(jié)構(gòu)建模結(jié)果分析，單腳手架固定作用和屋頂鋼結(jié)構(gòu)自身的相互依靠作用是不夠的，須增加抗風支撐。但是39m的鋼結(jié)構(gòu)屋頂只有12m的可附著核心筒是不夠的，根據(jù)施工順序，抗風支撐拆除時，K5/50B塔吊已拆，剩下的QM18、QW6屋面吊起重半徑不能滿足覆蓋全工程現(xiàn)場要求，因此抗風支撐連接點選擇很重要。考慮以上情況，同時滿足結(jié)構(gòu)建模計算結(jié)果允許條件下，共設(shè)置16根抗風支撐，抗風支撐一端鉸支于混凝土核芯筒外壁，另一端鉸支于豎向鋼桁架內(nèi)側(cè)面（標高+201.20m），抗風支撐選用Φ400mm×10mm鋼管。此方案效果良好，設(shè)置抗風支撐很好的解決了結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定問題，抗風支撐拆除的便利證明了抗風支撐的大小和節(jié)點設(shè)計是正確的。

5 塔吊拆除工藝研究

從本工程特點出發(fā)，K5/50B塔吊拆除采用置換法，即等K5/50B塔吊安裝QM18屋面吊，在待拆除K5/50B塔吊后安裝QW6屋面吊來拆除組裝QM18屋面吊。這個拆除方案中，關(guān)鍵點是M18屋面吊，只有設(shè)置合理科學(xué)，后續(xù)工作才能順利進行。以下是兩個方案的討論結(jié)果：

方案一：首先確定時QM18屋面吊須安裝在距K5/50B塔吊中心16m半徑內(nèi)，而它的有效起重高度必須超過K5/50B塔吊A架高度。根據(jù)施工路線，K5/50B塔吊無法先拆，因此要盡可能多次使用K5/50B塔吊，為此QM18屋面吊安裝在核心筒東側(cè)。但是QM18屋面吊有效高度不夠，需設(shè)計支架來使其有足夠有效高度。此方案有個缺點，就是在拆除K5/50B塔吊時，由于屋頂鋼結(jié)構(gòu)限制，沒有辦法在整個巴干拆卸下來，須進行高空分節(jié)拆除，有危險性；同時K5/50B塔吊回轉(zhuǎn)臺拆除時，起重高度受屋頂鋼結(jié)構(gòu)限制，K5/50B塔吊在拆除巴桿后需自降約6m后才能拆除，同樣安全度較低。

圖5 屋面吊支撐位置加固示意

方案二：為解決方案一的危險性，采用在把QM18屋面吊設(shè)置在屋頂鋼結(jié)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)上，QM18屋面吊起重高度就不會受屋頂鋼結(jié)構(gòu)限制，K5/50B塔吊巴桿可整體拆除，不用高空分節(jié)拆除，避免危險性。但是屋頂鋼結(jié)構(gòu)是薄壁弱抗風結(jié)構(gòu)，如果把QM18屋面吊設(shè)置在屋頂鋼結(jié)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)上，需增加屋頂鋼結(jié)構(gòu)加固量，且K5/50B塔吊起重高度無法滿足QM18屋面吊組裝要求。為計算加固量，我們把QM18屋面吊載荷加入模型中，得出計算結(jié)果是：桁架要在+213.8m外圍全部安裝、焊接完后才進行QM18屋面吊安裝。

根據(jù)計算結(jié)果將QM18、QW6屋面吊機安裝在鋼管桁架自身結(jié)構(gòu)上如圖5。

考慮到K5/50B塔吊最后一次爬升時由于K5/50B塔吊有效起重高度無法滿足標高+225.7m的結(jié)構(gòu)安裝（差3.1m），也就不能滿足標高+225.7m之上的QM18屋面吊組裝。想過增加一個爬升附著支架以增大爬升梁間距來滿足組裝要求，但是這增加一個爬升需要加大相應(yīng)位置核心筒加固量，且要占去部分腳手架面積，對腳手架受力不利。經(jīng)討論論證，決定先在爬升梁下增加1道過梁（高1.4m），將K5/50B塔吊的吊鉤（3.2m）拆除，用小車加裝鋼絲繩和卸扣替代吊鉤，使K5/50B塔吊前一次爬升后的起重高度滿足QM18、QW6屋面吊底座的安裝。再改變QM18、QW6屋面吊常規(guī)的安裝順序，先人工安裝好QW6屋面吊，再由QW6屋面吊組裝QM18屋面吊。

結(jié)語

本工程屋頂鋼結(jié)構(gòu)施工時間通過優(yōu)化施工順序和方法比合同工期提前17天完成，總計安裝時間不到四個月。通過方案優(yōu)化，腳手架使用過程中最終腳手架鋼管用量比原方案節(jié)約150噸，連同腳手架架拆、租賃費用一共節(jié)約26萬元。本工程安裝過程用屋頂鋼管桁架自身結(jié)構(gòu)，省去用于加固的鋼材料12噸，價值約6萬元。對今后類似的鋼結(jié)構(gòu)工程施工有積極借鑒作用。

[1]馮振源.超高層建筑中薄壁結(jié)構(gòu)安裝工藝研究[D].期刊論文.建筑施工，2013.

[2]徐飛飛.整體薄壁結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力預(yù)測與銑削加工變形研究[D].大連理工學(xué)，2010.

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