大跨度重型鋼桁架高空安裝施工技術

寧波高專建設監(jiān)理有限公司 寧波 315100

傳統(tǒng)的鋼桁架高空安裝技術主要有2種方法，一種方法為采用塔吊直接吊裝就位，該方法比較常用，但安全性不高，且受塔吊自身因素以及環(huán)境因素影響較大；另一種方法為當塔吊工作荷載及工作半徑受到限制，無法直接采用塔吊安裝時，則采用在需要安裝的鋼桁架下方搭設滿堂腳手架作為安裝鋼桁架的臨時支撐體系，該臨時支撐體系在安裝鋼桁架全過程中承擔結構自重及施工荷載，并通過現(xiàn)場拼裝完成鋼桁架的安裝。由于需要搭設臨時支撐體系，對工程施工進度以及施工成本影響較大，同時過多的高空拼裝相比地面拼裝，在焊接質量、成品尺寸等方面均較難保證，對工程施工質量造成影響。

大跨度鋼桁架在高空安裝時存在一定危險性，并且其安裝質量較難控制，尤其對于大跨度重型鋼桁架高空安裝而言，其危險性更大、質量控制更難。針對上述問題，本文提出了一種全新的大跨度重型鋼桁架高空安裝施工技術，有效解決了大跨度重型鋼桁架高空安裝施工過程中的危險大、質量差、成本高、進度慢的問題。

1 工程概況

背景工程為1棟高層商務樓，位于寧波市東部新城國際金融服務中心南區(qū)A2-23#地塊，結構采用型鋼混凝土框架-抗震墻。建筑地上15層，地下3層，主樓建筑平面總長度76.80 m，總寬度76.80 m。鋼結構部分分為主體鋼骨柱、南面鋼桁架結構、北面鋼桁架結構及中央箱體鋼梁天井4個部分，用鋼量約4 500 t，圖1為鋼結構主體示意。其中，南北兩側各布置1榀大跨度重型鋼桁架，鋼材材質采用Q345GJC-Z15板，鋼板最大厚度60 mm，最大跨度36 m，單榀鋼桁架質量達152 t，安裝高度63.15 m。

根據鋼桁架自重大、跨度大、安裝高度高、地下室頂板缺位致使大型吊機作業(yè)較難，且安裝位置空間狹小等一系列實際情況，提出采用全自動液壓同步提升技術對大跨度重型桁架進行高空安裝作業(yè)，如圖2所示。

圖1 鋼結構主體示意

圖2 鋼桁架整體液壓同步提升示意

2 工程關鍵技術和措施

2.1 技術特點

1）改變傳統(tǒng)施工工藝，將大量高空作業(yè)轉移到地面進行，有利于施工測量和質量控制，且大大提高就位安裝精度，安全風險明顯降低。

2）避免了采用大噸位吊機進行安裝施工時帶來的安全風險，并且因無需設置大噸位吊機，施工成本得到有效控制。

3）采用的同步提升工藝充分利用原結構的上下錨點作為其提升過程中的紐帶，該錨點安裝、拆卸方便，對原結構受力不產生任何影響。

4）采用的應力應變監(jiān)測技術在國內處于領先水平，為鋼桁架整體液壓提升施工提供了數據支持。

5）液壓同步提升技術所采用的設備設施體積小、質量輕、機動能力強、方便設備的運輸和安裝[1-3]。

2.2 技術原理

在雙塔樓高63.15 m頂部的B軸兩端各設置1套鋼桁架提升架，鋼提升架與樓面主梁預埋件固定牢固，分別在每套鋼提升架上安放1個穿心式液壓千斤頂，每個千斤頂通過中心布置1束鋼絞線與被吊裝的鋼結構通過下吊點相連。結構吊裝時，通過計算機控制，液壓傳動，機械作用使千斤頂內的鋼絞線沿千斤頂中心上移，將鋼結構整體吊起，直至吊裝到對接位置。圖3所示為鋼桁架提升就位示意。

圖3 鋼桁架提升就位示意

2.3 施工工藝流程

施工準備→鋼提升架安裝→液壓千斤頂提升器安裝→穿鋼絞線→吊物錨固點安裝→預緊鋼絞線→控制系統(tǒng)安裝→試提升→正式提升→應力應變監(jiān)測→就位→連接→卸載并拆除提升裝置

2.4 操作要點

2.4.1 施工準備

1）鋼牛腿標高尺寸技術復核。整體提升前，先對上部連接點牛腿標高、開口尺寸用全站儀進行精確測量，便于鋼桁架地面組拼裝時進行適當微調，保證上部對口尺寸。

2）上支撐點及下錨點驗算及加固措施。桁架在提升過程中，全部荷載集中于吊點處的梁柱上，通過結構受力計算分析，采用□400 mm×400 mm×25 mm×25 mm為上橫梁，400 mm×400 mm×30 mm×30 mm的H型鋼為下斜支撐的鋼提升架，上橫梁與塔樓結構柱鋼牛腿剛性連接固定，下斜支撐撐在鋼牛腿與鋼柱交叉位置，兩翼分別用250 mm×250 mm×9 mm×14 mm的H型鋼做八字形交叉，分別支撐在樓層混凝土梁上，形成整體穩(wěn)定的鋼架體系，以保證吊裝過程中結構安全，如圖4所示。

2.4.2 制作、組拼、焊接、驗收連體鋼結構

現(xiàn)場拼裝部位預先埋設預埋件，采用HW400型鋼作為拼裝支架，每根長度6 m，間距3 m，每個H型鋼兩端中部各設置1塊預埋件，在樓面施工前提供具體布置圖給土建單位進行預埋。在構件就位前把支架H型鋼放置好，表面采用水平儀進行測量，保證每根支架H型鋼在同一個標高上，并在H型鋼上翼緣板表面畫線，線寬600 mm，為桁架的下弦下翼緣板寬度，另再根據桁架起拱度要求在部分H型鋼支架上設置鋼板墊高。臨時斜撐采用φ108 mm×6 mm鋼管，角度為45°，在桁架拼裝過程中根據實際情況采用，設置部位為兩端和中間。拼裝平臺搭設時，根據設計要求的起拱高度在平臺H型鋼各個位置填上相同高度的鋼板，使桁架在拼裝時就達到要求的起拱高度。鋼框架支撐體系經過計算后，其長度為24 m，高度為10.50 m，寬度為3 m。鋼框架支撐中柱子每3 m設1根，與地面預埋件連接，與桁架間隙為600 mm，連接方式為采用20a#工字鋼焊接，焊接部位為桁架臨時支撐和鋼框架鋼柱，焊接工作在桁架定位后進行。立式拼裝示意和拼裝平面布置見圖5、圖6。

圖4 鋼提升架示意

圖5 立式拼裝示意

圖6 拼裝平面布置

3 桁架和提升架在工作狀態(tài)下的受力計算

3.1 桁架提升結構同步驗算

通過有限元軟件進行計算，計算模型采用線單元，以鋼結構相關規(guī)范、吊裝規(guī)程為依據，計算出鋼桁架在自重作用下的結構變形以及應力分布狀態(tài)，各單元采用鉸節(jié)點進行連接。荷載組合工況為“1.35恒+0.98活”“1.20恒+1.40活”“1.00恒+1.40活”。吊點處邊界條件設置為Z向鉸支座，X、Y向彈簧支座。經計算得出鋼桁架在提升過程中的提升反力標準值。由結構變形計算結果可以看出，鋼桁架在提升過程中由于其自身重力原因，致使結構發(fā)生下?lián)献冃危渥畲笞冃翁帪榭缰形恢茫聯(lián)献冃螢?.50 mm，滿足設計要求。由應力比分布計算結果可以看出，鋼桁架應力分布為對稱分布，最大應力比為0.151[4,5]。

3.2 提升架驗算

計算中考慮到桁架吊裝過程中的輕微晃動以及吊裝加速影響，選取提升反力乘以1.10為提升支架所受豎向力標準值，并取該豎向力標準值的5%為水平荷載來驗算鋼提升架。由結構變形計算結果可以看出，該鋼提升架端部下?lián)霞s為1.66 mm，滿足規(guī)范要求。

3.3 保證整體吊裝結構整體性

由于鋼桁架兩端為開口式，提升吊裝方式采用兩點式，導致鋼桁架集中受力較大，并且桁架吊點位置下方無對應的傳力桿件，加劇了鋼桁架的應力集中，容易造成桁架自身變形過大，因此需要對桁架整體進行結構加固。通過受力分析，采用300 mm×300 mm×10 mm×15 mm的H型鋼作為桁架臨時斜拉桿，該斜拉桿可有效傳遞、分布吊點處的集中力，可保證結構吊裝時的整體穩(wěn)定性見圖7。

圖7 鋼桁架結構加固

4 編制整體提升方案

1）鋼提升架安裝：搭設防護架，用塔吊吊裝兩端2個鋼提升架，校正、焊接、探傷檢測、驗收。

2）液壓千斤頂提升器安裝：用塔吊吊裝千斤頂提升器到鋼提升架上安裝就位，每個鋼提升架上安放1臺液壓千斤頂提升器。

3）穿鋼絞線：用塔吊將鋼絞線吊到指定樓層面，然后由作業(yè)人員配合在每臺液壓千斤頂提升器內穿入6根鋼絞線，鋼絞線的長度至少需大于起吊高度3 m。

4）起吊物下錨固點的安裝。連體鋼結構的起吊下錨固點設置在支承千斤頂提升器的正下方，用鋼板制作起吊托板，穿入鋼絞線以夾具錨固，在吊點周圍進行加固處理。圖8、圖9所示分別為起吊下錨固點模型和應力應變分析示意，根據應力應變分析示意可以看出，鋼桁架錨固點應力分布主要集中在鋼絞線穿入位置，但其最大應力值滿足設計要求。

圖8 起吊下錨固點模型

圖9 應力應變分析示意

5）預緊鋼絞線：系統(tǒng)全部連接并經檢查完善后啟動系統(tǒng)使鋼絞線處于收緊狀態(tài)。

6）控制系統(tǒng)安裝：接通集群油缸系統(tǒng)、泵站系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)，電控線、油路等進行調試，液壓油缸進行空行程調試。

7）試提升：通過試提升過程中對桁架結構、提升設施、提升設備系統(tǒng)的觀察和監(jiān)測，確認符合模擬工況計算和設計條件，對保證提升過程的安全。以主體結構理論載荷為依據，各提升吊點處的提升設備進行分級加載，依次為20%、40%、60%、80%。每次分級加載必須保證提升支撐架頂位移始終在設計控制范圍之內（按照規(guī)范要求為60 mm內）。確認各部分無異常的情況下，可繼續(xù)加載到90%、100%，直至結構全部離地。每次分級加載后均應檢查各受力點的結構狀態(tài)，并通過經緯儀跟蹤監(jiān)測偏移情況。加載過程中各項監(jiān)測數據均應做好完整記錄。當分級加載至桁架結構即將離開地面時，可能存在各點不同時離地的情況，此時應降低提升速度，并密切觀察各點離地情況，必要時做“單點動”提升。確保桁架結構離地平穩(wěn)、各點同步。分級加載完畢，桁架結構提升離開拼裝地面約20 cm后暫停，停留2～24 h，全面檢查各設備運行及構件的正常情況。停留期間組織專業(yè)人員對提升支撐架、桁架鋼結構、提升吊具、連接部件及各提升設備進行專項檢查。停留完畢后，各專業(yè)組對檢查結果進行匯總，并經起吊指揮部審核確認無任何隱患和問題后，由總指揮下達正式提升命令。

8）正式提升：試提升穩(wěn)定后，通過集群液壓千斤頂提升器協(xié)同循環(huán)往復動作正式開始提升[6]。

5 結語

本工程中的大跨度重型鋼桁架采用全自動液壓同步提升技術取得成功，為今后同類工程施工積累了經驗。