大跨度下掛式鋼結構連廊胎架支撐高空原位拼裝施工技術研究

常海東 蘇鎧 徐晨曦 李麗梅 陳天成 陳光

【摘要】本文通過對藝展天地展示中心大跨度下掛式鋼結構連廊的幾種施工方案進行比選，考慮工程結構特點、施工條件、施工技術特點、經濟合理性、工期要求、各專業交叉配合等因素，詳細地說明了該工程施工方案的提出、分析、優化的過程，充分保證了工程施工的質量與安全，為后續相似類型的建筑施工提供了參考。

【關鍵詞】大跨度下掛式鋼結構連廊；方案比選；優化

1.工程概況

1.1 建筑概況

藝展天地展示中心項目位于深圳市寶安區107國道與送福大道的交界處，是一棟12層商業樓房，建筑總高度為63.6m，建成之后將成為該片區的地標建筑。藝展天地展示中心建筑面積21.01萬m2，占地面積3.01萬m2，整棟建筑造型新穎，凹凸有致，如圖1所示。

1.2 結構概況

工程結構類型為型鋼混凝土框架結構，包括西、中、東3道大跨度下掛式鋼結構連廊，2片鋼結構網架。西區連廊是3道連廊中體量和跨度均最大的連廊，分布樓層為5-12層，連廊底部標高為22.1m，頂部標高為63.6m，縱向跨度為41.5m，橫向跨度為35.4m，包括7榀鋼桁架，西、中、東區連廊用鋼量為3248t、2163t、1306t。如圖2、圖3所示。

圖3 項目鋼結構連廊及桁架分布圖

西區連廊包含的7榀桁架有三種形式，其中桁架5最為典型，跨度橫向跨度為35.4m，縱向跨兩個樓層，跨度為9.1m，但下部下掛部分鋼柱鋼梁跨越6層，跨度為32.4m。單榀桁架最大重量為216.9t，斜撐最大重量為12.6t，節點最大重量為13.5t。

2.施工重點、難點

2.1 鋼連廊的現場安裝

鋼結構連廊橫向跨度大，下部凈空達22.4m，構件形式多樣，單重大，現場各專業間交叉作業多，鋼結構連廊下部分布有電梯井洞、現澆樓梯、懸挑混凝土樓板等，施工環境復雜，且連廊下部地面為混凝土錯層結構，錯層高差達到9.8 m，如何完成連廊拼裝是亟待解決的施工難題。

同時，3道連廊分布于本工程的核心區域，連廊施工的開始時間、結束時間、場地占用、塔吊使用率等對整個工程的施工產生重要影響，施工方法的合理性直接影響工程質量、施工進度、作業安全性及施工成本。

2.2 連廊安裝精度控制

鋼結構連廊的現場拼裝精度保障困難，鋼結構連廊施工精度主要連廊安裝精度和卸載后變形兩個方面控制。連廊跨度大，豎直貫穿7層，鋼柱分段多，構件類型多樣，在桁架層多異型節點，因此，鋼柱、鋼梁的拼裝、焊接精度控制和卸載之后由于自重導致跨中下沉導致的變形是本項目鋼結構施工過程的重難點。

2.3 連廊安裝過程中安全性的計算和監測

連廊在拼裝、焊接、卸載等情況下的受力狀況均有較大差別，要求對各過程中各階段進行結構的內力、穩定性、位移量做理論計算以確保整個安裝過程的結構安全性及安裝的準確性。同時需同步進行現場監測工作，設置數據報警，以確保結構安全，監測過程中管桁架的的反力及變形情況至關重要，也是施工中的重點。

3.吊裝方案的選擇

鋼結構連廊跨度大、體量大，兩側為混凝土結構，下部懸空大，錯層多，根據綜合分析、計算結合以往的施工經驗，鋼結構連廊施工方法可以考慮整體提升法、倒掛提升法及胎架支撐原位拼裝法。

3.1方案一：整體提升法

在鋼結構連廊底部樓面上從下自上依次（從5層～屋面層）進行連廊的拼裝，同時在鋼結構連廊頂部設置8個吊點，在主體結構屋面層設置8個提升點，在提升吊放置液壓提升裝置，進行鋼結構連廊的整體提升。如圖5所示，該方法：

3.1.1優點

大部分拼裝作業在地面進行，工人施工安全系數高；可以使用汽車吊配合吊裝，對現場塔吊的占用率降低；可以提前開始地面拼裝，施工速度快，節省工期。

3.1.2缺點

連廊頂部為鋼結構桁架，桁架為連廊主受力部位，桁架重量大于下部結構，下部結構易變形，難以修復；連廊兩側的鋼梁與塔樓混凝土結構為預埋件連接，提升拼裝鋼梁需做成兩段，一段作為后補桿件，約160根；拼裝階段底部荷載約1200噸，底部拼裝胎架需設計為大截面鋼梁，地下室局部區域需進行回頂加固。

3.2方案二：倒掛提升法

考慮項目鋼結構連廊結構的特殊性：鋼桁架作為主受力結構分布在連廊上部，下掛框架結構。若整體提升，拼裝區域的地下室頂板受力大，且下掛框架結構受上部桁架重力的擠壓作用，有變形的隱患。所以，首先拼裝提升頂部桁架層至一定高度之后，再倒掛拼裝下掛部分鋼連廊，即倒掛提升法。如圖6所示，該方法：

3.2.1優點

原位拼裝胎架使用量少；地面拼裝較高空拼裝安全性較高；地下室不需要進行大面積回頂，此部分施工成本降低。

3.2.2缺點

施工組織及技術要求較高；鋼結構連廊需等主體結構施工完畢且達到一定強度后，方能設置提升吊點準備提升，安裝方法對工期的制約較大；桁架提升至高空后下部結構進行拼裝，逆作法安裝立柱、鋼梁，構件吊裝困難，工作效率較低。

3.3方案三：胎架支撐原位拼裝法

在鋼結構連廊鋼柱下方設置支撐胎架，在高空中進行鋼結構連廊的原位拼裝，胎架底部的地下室頂板也需要使用腳手架管進行回頂，該方法：

3.3.1優點

安裝工藝較簡單，無需采用復雜施工技術；直接在高空拼裝，對桿件的定位和變形控制有利；鋼結構施工插入時間提前，節省工期。

3.3.2缺點

支撐胎架高度接近20m，使用量大，措施費用較高；由于高空作業，安全風險較大；連廊桁架卸載后，支撐胎架拆除困難。

我們從方案的技術特點、經濟性、工期進行分析，側重考慮主題樂園施工工期和施工成本，最終選定了第三種方案。

4.支撐胎架原位拼裝技術優化

4.1 胎架設置

4.1.1胎架標準節設置

通過使用midas gen有限元分析軟件，本項目施工時選用175×175×7.5×11的型鋼作為立桿、90×10的角鋼作為橫桿、70×6的角鋼作為斜桿來制作，材質均為Q235B，以1m×1m×4m為最小的制作單元即一個標準節，每個標準節之間使用8顆普通4.6級M20螺栓相連接。在支撐胎架制作之前，進行詳細的設計，建立了設計模型、繪制了設計圖紙，并按照最大頂部受力情況140kN進行了模擬受力。

4.1.2胎架端部設計

支撐胎架頂部與連廊鋼柱連接，底部與混凝土樓板連接，起到承上啟下的重要作用，但是頂部和底部的作用又有不同，即頂部需要將連廊的作用力有效的集中到胎架這一個點上能起到很好的支撐作用，而底部需要設法將作用力有效地分散、傳遞到混凝土樓板及下部的回頂腳手架上。因此，我們設計了兩種不同的端部來解決此問題。

4.1.3胎架之間的連接

為了保證支撐胎架的穩定，在支撐之間采用L90×10的角鋼進行連接形成水平構造，使懸臂胎架形成一個穩定的框架結構，保障整體穩定性。

4.2 鋼拉桿的設置

通過使用midas gen有限元分析軟件分析，連廊鋼柱垂直度在焊接前后的偏差會比較大，因此采取設置鋼拉桿的形式對鋼柱進行固定，計算每榀桁架間鋼拉桿抗壓應力，選定材料為Q235的H200x200x8x12的H型鋼作為桁架間的鋼拉桿使懸挑桁架成“三角穩定框架結構”，“三角穩定框架結構”將懸挑桁架焊接殘余應力由焊縫傳遞給鋼拉桿，由“三角穩定空間結構”承擔施工焊接荷載，減小鋼連廊立柱由焊接變形引起的垂直度的變化。鋼拉桿及鋼絲繩的剛柔配合，既能消除誤差，又方便安全。

4.3 連廊安裝過程中的受力計算

使用midas gen有限元分析軟件分析，對連廊安裝全過程進行模擬分析，模擬到安裝每一個階段，在施工過程中全程使用全站儀進行跟蹤檢測，保證施工過程的安全。

通過全程監控，測量每一個施工階段的變形數據，發現其均在控制范圍內。

本工程通過有限元分析，主要解決了以下問題：

4.3.1對不同的施工方案進行分析，根據分析結構變形，確定安裝順序。

4.3.2分析每一個施工階段，結構是否為穩定狀態，桿件應力比是否滿足要求，確保施工過程的安全。

4.3.3分析施工過程中結構的變形，保證結構的整體變形滿足規范要求，同時確保相鄰安裝單元之間的相對變形不可過大，以滿足安裝精度要求。

4.3.4分析施工過程對結構桿件附加應力大小，即結構施工完成后桿件應力與設計一次成型桿件應力的差值，確保附加應力比與設計應力比之和在合理范圍之內，保證結構施工完成后承受荷載的能力不被削弱。

4.3.5分析施工過程中各關鍵節點的變形和重要桿件的應力，與施工過程監測值進行對比，為施工過程提供理論依據，確保施工過程的可控性。

施工前，進行施工全過程結構性能仿真計算，深入分析結構成型狀態內力和變形的影響因素，以制定科學可行的施工方案。施工過程中，對結構內力和變形進行監測，確保結構內力和變形始終處于受控狀態，同時考察結構實際的變形和內力變化規律，為今后的施工活動總結經驗。

本項目采用無線振弦應變采集系統對被安裝構件關鍵受力構件進行應力監測，采用徠卡TS30測量機器人對應變進行全天候的自動化監測。確保結構內力和變形在施工過程中始終處于受控狀態。

4.4 支撐胎架拆除

支撐胎架拆除主要使用卷揚機和倒鏈進行拆除，卷揚機安裝在桁架桿件上，與倒鏈或者溜繩配合，把支撐措施放于樓面上，使用塔吊吊裝至措施堆場，在支撐措施拆除過程中須注意空間問題，卷揚機組須經過科學合理布置，以免在調運過程中拉索、構件等物體與其他構件發生刮擦、碰撞等現象發生。卷揚機調運、塔吊裝時要緩慢進行，避免產生大幅度的擺動與震蕩，構件落地時不得與看臺等物體進行猛烈撞擊，須緩慢進行，胎架拆除按照一節一節拆除，支撐胎架拆除施工見圖17。

圖17 支撐胎架拆除施工圖

5.結語

本文詳細介紹了藝展天地展示中心項目鋼結構連廊施工過程中三個方案選擇的具體過程，綜合對比后，選擇了支撐胎架原位拼裝法，并對支撐胎架原位拼裝法進行優化，確保施工質量和施工安全，提高了施工效率。

同時鋼結構連廊支撐胎架原位拼裝是一個動態的過程，施工過程復雜，施工周期長，本文通過有限元軟件分析，對安裝全過程進行了模擬分析，并在現場實施過程中進行了全程監測，最終成功完成了鋼結構連廊的安裝。

項目以本工程鋼結構高質量的完成安裝為契機找出一條解決類似工程施工難題的安裝方法，為類似工程鋼結構安裝提供施工經驗，培養鍛煉一批有技術與管理能力的人才，為今后市場開拓和企業發展儲備資源。

（作者單位：中國建筑第二工程局有限公司深圳分公司）

【中圖分類號】TU973.13

【文獻標識碼】A

【文章編號】1671-3362（2017）08-0050-05