大型鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件懸吊定位安裝支撐體系設(shè)計與應(yīng)用

王峰

【摘要】目前在大型鋼結(jié)構(gòu)安裝工程中，預(yù)埋件安裝是影響整體鋼結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量的一個至關(guān)重要的因素。傳統(tǒng)做法對大型預(yù)埋件在混凝土澆筑前及澆筑過程中都很難控制其施工質(zhì)量，由于不確定情況多發(fā)，容易導(dǎo)致預(yù)埋件預(yù)埋安裝質(zhì)量偏差較大，給鋼結(jié)構(gòu)安裝造成隱患。如何改進(jìn)并推廣新的預(yù)埋件支撐體系，來消除傳統(tǒng)工藝的弊病，并且提高工作效率、減少傳統(tǒng)工藝能耗，成為一個新的課題。

【關(guān)鍵詞】大型鋼結(jié)構(gòu)埋件；大型鋼結(jié)構(gòu)桁架工程；預(yù)埋件懸吊定位支撐體系

1、引言

經(jīng)過長期的實(shí)踐革新，鋼結(jié)構(gòu)工程所涉及的技術(shù)、材料、工藝在大型建筑場館建設(shè)中得到了更新、發(fā)展和廣泛應(yīng)用。其中鋼結(jié)構(gòu)工程與混凝土結(jié)構(gòu)工程中配合及精準(zhǔn)化安裝形成的傳統(tǒng)做法，逐漸被新型材料、新技術(shù)、新工藝、新設(shè)計理念所代替。下面以阿爾及利亞奧蘭40000座多功能體育場大型桁架穹頂鋼結(jié)構(gòu)工程為例，闡述在混凝土結(jié)構(gòu)中，一種新的預(yù)埋件安裝體系，即大型鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件懸吊定位支撐體系及工藝。

2、工程概況

該體育場位于阿爾及利亞奧蘭市郊，規(guī)模為可容納40000座位的多功能體育場館。看臺以下為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上層為72榀大型桁架結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)圓形穹頂建筑形式。桁架結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)連接方式采用鋼筋混凝土柱內(nèi)預(yù)埋大型鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件焊接連接方式連接，桁架根部與鋼筋混凝土柱的接合處即為預(yù)埋件預(yù)埋位置（如圖2、圖3）。在混凝土結(jié)構(gòu)施工時桁架預(yù)埋件安裝工作成為一項專項控制課題，預(yù)埋件安裝的精準(zhǔn)程度，將直接影響后續(xù)橫加安裝的質(zhì)量。針對這個課題，該項目摒棄了原有傳統(tǒng)施工方法，創(chuàng)新設(shè)計了一套新的大型鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件懸吊定位安裝支撐體系，該體系有施工工藝簡單、安裝精度高、成本低和工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。

3、懸吊定位安裝支撐體系方案設(shè)計

3.1設(shè)計條件

（1）鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件均為大體積、高重量、預(yù)埋件在鋼筋混凝土結(jié)柱內(nèi)；

（2）保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不受影響，給預(yù)埋件提供一個穩(wěn)固的嵌入柱內(nèi)的環(huán)境，同時應(yīng)確保預(yù)埋件位置的準(zhǔn)確性；

（3）保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱的鋼筋不受到破壞；

（4）保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱的觀感；

（5）能改善傳統(tǒng)工藝帶來的一系列弊病，并且優(yōu)化施工工藝，提高施工效率，節(jié)能降耗。

依據(jù)設(shè)計條件，該設(shè)計方案定型為大體積預(yù)埋件懸吊定位支撐體系。

3.2設(shè)計實(shí)例應(yīng)用展示

按照支撐受力變形必須滿足預(yù)埋件位移的要求，支撐體系材料選擇為輕型鋼結(jié)構(gòu)體系。為了實(shí)現(xiàn)預(yù)埋件安裝過程中可以規(guī)律性調(diào)整位置的功能，對該支撐體系進(jìn)行可調(diào)節(jié)的機(jī)械化設(shè)計，滿足了安裝及結(jié)構(gòu)澆筑時，可隨時性調(diào)整預(yù)埋件位置的要求。其效果展示見（圖4，圖5）

3.3結(jié)構(gòu)構(gòu)造及機(jī)械調(diào)節(jié)設(shè)計

3.3.1件技術(shù)參數(shù)介紹：

本工程G軸線柱柱內(nèi)預(yù)埋大型鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件，柱截面尺寸為：2740x1400mm。預(yù)埋件分為，上弦預(yù)埋件和下弦埋件，上弦預(yù)埋件尺寸（mm）：800x580x2100，重量：0.98t；下弦預(yù)埋件尺寸（mm）：800x580x1030，重量：0.86t。節(jié)點(diǎn)A為下弦預(yù)埋件位置，節(jié)點(diǎn)B為上弦預(yù)埋件位置。

3.3.2預(yù)埋件安裝環(huán)境的介紹：

根據(jù)業(yè)主的工程質(zhì)量控制文件要求，預(yù)埋件安裝不允許在鋼筋砼柱內(nèi)埋設(shè)固定預(yù)埋件的支撐定位支架，避免影響混凝土結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量。因此在4m高柱內(nèi)下設(shè)預(yù)埋件存在多方面困難，具體體現(xiàn)在：（1）預(yù)埋件體積大，在柱內(nèi)空間定位尺寸難控制；（2）結(jié)構(gòu)柱鋼筋布置很密，鋼筋不能割斷和有焊點(diǎn)，安裝預(yù)埋件及控制其位置困難；（3）預(yù)埋件重量重，校準(zhǔn)預(yù)埋件位置并固定難度很大；（4）使用傳統(tǒng)施工工藝，潛在的質(zhì)量控制漏洞無法避免，質(zhì)量偏差大；（5）加固過程對工人素質(zhì)要求過高，無法實(shí)現(xiàn)推廣性的施工；（6）隨機(jī)性因素增多，材料損耗大。

3.3.3預(yù)埋件懸吊定位支撐體系的設(shè)計

由于不允許在鋼筋混凝土柱內(nèi)埋設(shè)固定預(yù)埋件的支撐定位支架，不允預(yù)埋件采用焊接方式固定等條件限制，鋼結(jié)構(gòu)桁架預(yù)埋件的安裝只能采用懸掛式的定位方式；以此為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行了此設(shè)計，構(gòu)造形式及節(jié)點(diǎn)設(shè)計如圖8、9、10。

該定位支撐體系應(yīng)用及特點(diǎn)：（1）可進(jìn)行X軸Y軸Z軸三維立體定位，既，三維空間定位，滿足桁架焊接對預(yù)埋件的定位精度；（2）支架懸吊埋件，采用螺栓緊固，保證預(yù)埋件在砼柱內(nèi)的固定要求，滿足砼澆筑施工時結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定；（3）架體構(gòu)造簡單，定位調(diào)整單元使用操作簡便，架體可拆卸、周轉(zhuǎn)使用，制作成本低。安裝及配合施工效率高，提高生產(chǎn)效能。

3.3.4支撐體系使用材料

以100×48×5.3mmQ235槽鋼為主材，￠20普通螺栓、12mmQ235鋼板為輔材。

3.3.5支撐體系中ZXY三維機(jī)械調(diào)節(jié)單元系統(tǒng)設(shè)計

該支撐體系，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)埋件位置三維調(diào)整的構(gòu)造布局，主要設(shè)置在該支撐體系的頂部懸吊桿件區(qū)域，共計有Z向調(diào)節(jié)單元、X向調(diào)節(jié)單元、Y向調(diào)節(jié)單元。

該調(diào)節(jié)單元主要依靠調(diào)節(jié)可移動的螺栓，以便構(gòu)件位移，來實(shí)現(xiàn)預(yù)埋件水平及垂直方向的移動，進(jìn)而通過移動調(diào)整保證預(yù)埋件的正確位置，就位后經(jīng)儀器觀測位置無誤，在旋轉(zhuǎn)螺栓緊固。該過程輔助以水平尺、全站儀、卷尺、吊墜等工具，觀測預(yù)埋件的水平及垂直度是否達(dá)標(biāo)，在安裝及結(jié)構(gòu)澆筑過程中隨時發(fā)現(xiàn)偏差，以便隨時調(diào)節(jié)。

3.4預(yù)埋件懸吊定位支架的結(jié)構(gòu)驗算

3.4.1預(yù)埋件定位支架驗算：

（1）選取受力最大一榀定位支架進(jìn)行驗算，其受力簡圖如下圖所示：

其中：活荷載q1=埋件1自重/4=9.8/4= 2.45kN

活荷載q2=埋件2自重/4=8.6/4=2.15kN

經(jīng)PKPM計算軟件進(jìn)行建模計算，各桿件應(yīng)力比如下圖所示：

其中：柱左：強(qiáng)度計算應(yīng)力比，柱右上：平面內(nèi)穩(wěn)定應(yīng)力比（對應(yīng)長細(xì)比）， 柱右下：平面外穩(wěn)定應(yīng)力比（對應(yīng)長細(xì)比）；

梁左上：上翼緣受拉時截面最大應(yīng)力比，梁左下：下翼緣受拉時截面最大應(yīng)力比，梁右下：剪應(yīng)力比。

（3）預(yù)埋件定位支架鋼梁的撓度如下圖所示：

（4）結(jié)論：通過計算可知，各桿件應(yīng)力比均小于1，長細(xì)比均小于150，鋼梁撓度小于3mm，各項參數(shù)均滿足設(shè)計要求。

3.4.2預(yù)埋件定位支架上可移動鋼梁驗算：

（1）鋼梁計算簡圖如下圖所示：

其中：活荷載q1=埋件1自重/4=9.8/4= 2.45kN

施工活荷載q2=1.0kN

（2）經(jīng)PKPM計算軟件進(jìn)行建模計算，鋼梁應(yīng)力比如下圖所示：

其中：梁上：強(qiáng)度計算應(yīng)力比=強(qiáng)度計算應(yīng)力/強(qiáng)度設(shè)計值；

梁左下：穩(wěn)定計算應(yīng)力比=穩(wěn)定計算應(yīng)力/強(qiáng)度設(shè)計值；

梁右下：抗剪強(qiáng)度計算應(yīng)力比=計算剪應(yīng)力/抗剪強(qiáng)度設(shè)計值。

（3）鋼梁撓度計算如下圖所示：

（4）結(jié)論：通過上述計算可知，鋼梁應(yīng)力比小于1，鋼梁撓度小于3mm，各項參數(shù)均滿足設(shè)計要求。

4、預(yù)埋件支撐體系在施工過程中的應(yīng)用

4.1支撐體系配合預(yù)埋件安裝的施工工藝流程

該工藝流程，在初步安裝環(huán)節(jié)之前的工序，與傳統(tǒng)工藝大致相同。主要不同點(diǎn)在于該工藝后半部分，摒棄了傳統(tǒng)工藝繁瑣而且不利于集中管理的分散工序。新增了懸吊式預(yù)埋件定位支撐架體安裝及控制預(yù)埋件位置的工序。新增工序簡單明確，便于管理和檢測。工藝中增加了在混凝土澆筑過程中的質(zhì)量糾偏程序，有效加強(qiáng)了預(yù)埋件安裝及施工的過程管理，使得預(yù)埋件安裝質(zhì)量及追溯性監(jiān)控得以保障和落實(shí)。

4.2定位支撐體系加工及安裝要求

（1）切割、焊接后采用打磨的方式保證零件、構(gòu)件平整度，許偏差±3mm。

（2）構(gòu)件下料允±3mm。槽鋼對焊后，安裝架梁采用立面放置“【】”型焊接槽鋼保證支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4.3支撐體系安裝要點(diǎn)

在完成預(yù)埋件吊裝過程后，按照設(shè)計要求預(yù)埋件在柱中的尺寸位置，采用預(yù)埋件懸吊定位支撐支架結(jié)構(gòu)中的調(diào)節(jié)單元，通過ZXY三個調(diào)節(jié)單元將預(yù)埋件進(jìn)行精準(zhǔn)并且微調(diào)定位。如圖22所示：

（1）XY（水平）方向位置調(diào)整：調(diào)整移動類似②、③節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的水平桿件，在松動螺栓后，通過桿件水平移動，來調(diào)整預(yù)埋件在結(jié)構(gòu)截面中的位置。在位置得到校準(zhǔn)核對正確后，緊固螺栓固定預(yù)埋件水平方向在結(jié)構(gòu)內(nèi)位置。

（2）Z（垂直）方向位置調(diào)整：分別調(diào)整①節(jié)點(diǎn)上下兩排螺栓，依靠螺栓緊固過程中上下移動，帶動定型鋼板掛件上下移動，使得預(yù)埋件也跟隨移動。這個調(diào)整過程可以微調(diào)預(yù)埋件垂直方向位置，另外也可以通過調(diào)整垂直而微調(diào)預(yù)埋件水平度。

上述操作過程是觀測及調(diào)整階段主要的操作要點(diǎn)，通過上述兩步，該預(yù)埋件懸掛定位支撐體系所特有的機(jī)械性三維調(diào)整單元，其工作內(nèi)容展現(xiàn)的淋漓盡致。另外在混凝土澆筑階段還可以實(shí)現(xiàn)過程控制，需要調(diào)整時也可以通過調(diào)整單元，使得預(yù)埋件位置得到有效的過程調(diào)整，這也恰恰展現(xiàn)出該工藝在質(zhì)量控制方面實(shí)現(xiàn)“事中控制”的獨(dú)到特征，優(yōu)化和加強(qiáng)了質(zhì)量管理在施工過程中的落實(shí)。

可概括的歸納上述懸吊式預(yù)埋件定位支撐系統(tǒng)的調(diào)節(jié)步驟及要點(diǎn)：“架體穩(wěn)定是第一、調(diào)節(jié)調(diào)整要仔細(xì)、先調(diào)水平后垂直、輔助工具照舊齊、一次就位不算完、還要過程觀察全、需要調(diào)整繼續(xù)來、重復(fù)微調(diào)可實(shí)現(xiàn)。”

4.4質(zhì)量管理

4.4.1質(zhì)量管理要求

⑴支撐體系制作時，根據(jù)預(yù)埋件重量進(jìn)行支架結(jié)構(gòu)計算來選擇型鋼材料規(guī)格，避免因預(yù)埋件重量產(chǎn)生材料變形的位移偏差，考慮經(jīng)濟(jì)效果，盡可能選擇承重后變形不超過允許范圍內(nèi)的型鋼材料。

⑵制作體系焊接過程中，盡可能選擇使得桿件變形小的焊接方式焊接。

⑶安裝體系時，架體就位后嚴(yán)格按照預(yù)埋件支撐系統(tǒng)調(diào)整要點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

⑷使用調(diào)節(jié)單元調(diào)整預(yù)埋件位置過程中，使用全站儀全程觀測預(yù)埋件主控位置在測量控制網(wǎng)中的位置偏差，以便調(diào)整的準(zhǔn)確性。

⑸位置調(diào)整就位后，認(rèn)真檢查各緊固單元是否緊固到位，落實(shí)各協(xié)作項目管理部門之間的簽審制度，實(shí)現(xiàn)各工序交接手續(xù)的過程落實(shí)。

⑹在混凝土澆筑時，全程觀測預(yù)埋件隱蔽階段位移變形狀況，發(fā)現(xiàn)偏差，在澆筑過程中隨時調(diào)整，保證過程糾偏工作的落實(shí)。消除隱蔽過程中擾動因素的影響，保證最終預(yù)埋件安裝質(zhì)量。

⑺架體拆除時，要求按照“先搭后拆”的原則進(jìn)行拆除。對各調(diào)節(jié)單元進(jìn)行注油潤滑保養(yǎng)，以便周轉(zhuǎn)使用。杜絕使用撬棍等工具強(qiáng)行拆除，若發(fā)現(xiàn)支架因碰撞等原因造成變形，立即采取恢復(fù)性措施復(fù)位。

4.4.2質(zhì)量管理成果統(tǒng)計

該工程在使用預(yù)埋件懸吊定位支撐體系應(yīng)用后，對72榀桁架其中1個施工段的8個柱基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋件安裝偏差穩(wěn)定情況統(tǒng)計如下：

經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，預(yù)埋件位置安裝及隱蔽施工成果比較穩(wěn)定，2榀偏差均在0.5mm范圍內(nèi)，滿足設(shè)計允許偏差±0.5mm的要求。6榀無偏差，反映出該預(yù)埋件懸吊定位支撐體系在質(zhì)量控制的準(zhǔn)確性上較高。

5、預(yù)埋件懸吊定位支撐體系與傳統(tǒng)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)

5.1傳統(tǒng)工藝

傳統(tǒng)預(yù)埋件安裝加固方式，普遍依照現(xiàn)場模板安裝時附帶鋼管加固、砼內(nèi)設(shè)置鋼

支架加固、附加鋼筋加固，在定位時采用附加鋼管、鋼架、鋼筋以預(yù)埋方式永久固定在結(jié)構(gòu)內(nèi)，期間避免不了焊接固定在受力鋼筋上的情況，焊接技術(shù)對結(jié)構(gòu)鋼筋造成規(guī)范不允許的損傷，也存在對原有結(jié)構(gòu)設(shè)計造成影響，材料浪費(fèi)率很大。這種方式僅是經(jīng)驗性方式，而且在精準(zhǔn)預(yù)埋控制時容易出現(xiàn)大的偏差，在結(jié)構(gòu)澆筑砼過程中無法在進(jìn)行二次或三次復(fù)位性微調(diào)，僅只能在預(yù)埋件安裝時調(diào)整到位，之后無法實(shí)現(xiàn)再次調(diào)整，缺少過程中監(jiān)控調(diào)整的辦法，無法實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制中的“事中控制”的質(zhì)量控制方法，容易出現(xiàn)過程中擾動造成的偏差無法調(diào)整的情況。

另外，傳統(tǒng)工藝對人員技能素質(zhì)的依賴程度很大，所以現(xiàn)場質(zhì)量及技術(shù)要求的落實(shí)隨機(jī)性增強(qiáng)，給不遇見性的質(zhì)量風(fēng)險增大了發(fā)展空間，這對于安裝預(yù)埋件精準(zhǔn)的要求非常不利。現(xiàn)有經(jīng)驗性安裝預(yù)埋件的技術(shù)無法為大型鋼構(gòu)安裝提供可靠的預(yù)埋件安裝技術(shù)保障，也容易使后期大型桁架安裝發(fā)生接口對接偏差的風(fēng)險。大型預(yù)埋件重量較大，傳統(tǒng)工藝無法完成有效過程中微調(diào)，不利于安裝質(zhì)量控制。最后傳統(tǒng)工藝使用的材料無法實(shí)現(xiàn)周轉(zhuǎn)性安裝，操作效率低及成本高，不利于現(xiàn)場管理，對安裝過程無法實(shí)現(xiàn)有效的可追溯性控制。

5.2預(yù)埋件懸吊定位支撐體系

通過使用預(yù)埋件懸吊定位支撐體系，有效控制了大型預(yù)埋件的傳統(tǒng)工藝做法的通病，消除大型預(yù)埋件安裝及過程控制中易產(chǎn)生偏差的不利因素。大型預(yù)埋件懸吊定位支撐體系加工和成品安裝操作簡便易懂，材料全部為定型構(gòu)架便于現(xiàn)場運(yùn)輸、安裝。所有材料的加工可以可按照模數(shù)需求在專業(yè)加工工廠集中生產(chǎn)，對施工現(xiàn)場的場地要求小，并且安裝過程中可以無數(shù)次周轉(zhuǎn)，有利于施工現(xiàn)場管理和材料節(jié)約。該體系采用的懸吊定位支撐體系均為定型鋼構(gòu)，采用機(jī)械性三維調(diào)整單元調(diào)整位置偏差，無論在安裝預(yù)埋件及模板過程中，還是結(jié)構(gòu)澆筑砼隱蔽作業(yè)時，預(yù)埋件出現(xiàn)偏差都能夠?qū)崿F(xiàn)有效的調(diào)整，減少了材料損耗并提高了安裝效率、有效地控制成本和資源流失，也實(shí)現(xiàn)了施工過程中對預(yù)埋件質(zhì)量的控制。該工藝操作簡便易懂，稍加對工人進(jìn)行培訓(xùn)，均可以熟練操作，有效的規(guī)避了對人員素質(zhì)的高度要求，降低了人為因素對質(zhì)量要求的影響，成功地縮短了安裝時間，保證了預(yù)埋件安裝質(zhì)量。

結(jié)束語：

經(jīng)過奧蘭實(shí)踐證明，使用大型預(yù)埋件懸吊定位支撐體系，進(jìn)行預(yù)埋件安裝定位及隱蔽施工，大大提高了預(yù)埋件安裝質(zhì)量。在施工應(yīng)用方面優(yōu)化了施工工藝，加速了施工效率，規(guī)避了傳統(tǒng)工藝帶來的一系列弊病和缺陷，為下一道工序提供了優(yōu)質(zhì)可靠的質(zhì)量環(huán)境，保證了施工的最終質(zhì)量。在管理方面系統(tǒng)化管理程序，有效的將各個管理職能部門聯(lián)系起來，形成了一套專項施工的管理模式，為目標(biāo)管理提供了最直觀的管理工具，管理落實(shí)工作可追溯性強(qiáng)。在節(jié)能降耗方面，避免了傳統(tǒng)工藝施工的材料浪費(fèi)等缺陷，實(shí)現(xiàn)周轉(zhuǎn)利用，節(jié)約了資源。該體系不僅適用于本工程，也可以在其它類似工程中推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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