大跨度下掛式鋼結(jié)構(gòu)連廊胎架支撐高空原位拼裝施工技術(shù)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(duì)藝展天地展示中心大跨度下掛式鋼結(jié)構(gòu)連廊的幾種施工方案進(jìn)行比選，考慮工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工條件、施工技術(shù)特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)合理性、工期要求、各專業(yè)交叉配合等因素，詳細(xì)地說明了該工程施工方案的提出、分析、優(yōu)化的過程，充分保證了工程施工的質(zhì)量與安全，為后續(xù)相似類型的建筑施工提供了參考。

【關(guān)鍵詞】大跨度下掛式鋼結(jié)構(gòu)連廊；方案比選；優(yōu)化

1.工程概況

1.1 建筑概況

藝展天地展示中心項(xiàng)目位于深圳市寶安區(qū)107國道與送福大道的交界處，是一棟12層商業(yè)樓房，建筑總高度為63.6m，建成之后將成為該片區(qū)的地標(biāo)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(jié)構(gòu)概況

工程結(jié)構(gòu)類型為型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)，包括西、中、東3道大跨度下掛式鋼結(jié)構(gòu)連廊，2片鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架。西區(qū)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(biāo)高為22.1m，頂部標(biāo)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(qū)連廊用鋼量為3248t、2163t、1306t。如圖2、圖3所示。

圖3 項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)連廊及桁架分布圖

西區(qū)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(gè)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(jié)點(diǎn)最大重量為13.5t。

2.施工重點(diǎn)、難點(diǎn)

2.1 鋼連廊的現(xiàn)場(chǎng)安裝

鋼結(jié)構(gòu)連廊橫向跨度大，下部凈空達(dá)22.4m，構(gòu)件形式多樣，單重大，現(xiàn)場(chǎng)各專業(yè)間交叉作業(yè)多，鋼結(jié)構(gòu)連廊下部分布有電梯井洞、現(xiàn)澆樓梯、懸挑混凝土樓板等，施工環(huán)境復(fù)雜，且連廊下部地面為混凝土錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，錯(cuò)層高差達(dá)到9.8 m，如何完成連廊拼裝是亟待解決的施工難題。

同時(shí)，3道連廊分布于本工程的核心區(qū)域，連廊施工的開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、場(chǎng)地占用、塔吊使用率等對(duì)整個(gè)工程的施工產(chǎn)生重要影響，施工方法的合理性直接影響工程質(zhì)量、施工進(jìn)度、作業(yè)安全性及施工成本。

2.2 連廊安裝精度控制

鋼結(jié)構(gòu)連廊的現(xiàn)場(chǎng)拼裝精度保障困難，鋼結(jié)構(gòu)連廊施工精度主要連廊安裝精度和卸載后變形兩個(gè)方面控制。連廊跨度大，豎直貫穿7層，鋼柱分段多，構(gòu)件類型多樣，在桁架層多異型節(jié)點(diǎn)，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(dǎo)致跨中下沉導(dǎo)致的變形是本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)施工過程的重難點(diǎn)。

2.3 連廊安裝過程中安全性的計(jì)算和監(jiān)測(cè)

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(duì)各過程中各階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、穩(wěn)定性、位移量做理論計(jì)算以確保整個(gè)安裝過程的結(jié)構(gòu)安全性及安裝的準(zhǔn)確性。同時(shí)需同步進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作，設(shè)置數(shù)據(jù)報(bào)警，以確保結(jié)構(gòu)安全，監(jiān)測(cè)過程中管桁架的的反力及變形情況至關(guān)重要，也是施工中的重點(diǎn)。

3.吊裝方案的選擇

鋼結(jié)構(gòu)連廊跨度大、體量大，兩側(cè)為混凝土結(jié)構(gòu)，下部懸空大，錯(cuò)層多，根據(jù)綜合分析、計(jì)算結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)，鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)連廊底部樓面上從下自上依次（從5層～屋面層）進(jìn)行連廊的拼裝，同時(shí)在鋼結(jié)構(gòu)連廊頂部設(shè)置8個(gè)吊點(diǎn)，在主體結(jié)構(gòu)屋面層設(shè)置8個(gè)提升點(diǎn)，在提升吊放置液壓提升裝置，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)連廊的整體提升。如圖5所示，該方法：

3.1.1優(yōu)點(diǎn)

大部分拼裝作業(yè)在地面進(jìn)行，工人施工安全系數(shù)高；可以使用汽車吊配合吊裝，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)塔吊的占用率降低；可以提前開始地面拼裝，施工速度快，節(jié)省工期。

3.1.2缺點(diǎn)

連廊頂部為鋼結(jié)構(gòu)桁架，桁架為連廊主受力部位，桁架重量大于下部結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)易變形，難以修復(fù)；連廊兩側(cè)的鋼梁與塔樓混凝土結(jié)構(gòu)為預(yù)埋件連接，提升拼裝鋼梁需做成兩段，一段作為后補(bǔ)桿件，約160根；拼裝階段底部荷載約1200噸，底部拼裝胎架需設(shè)計(jì)為大截面鋼梁，地下室局部區(qū)域需進(jìn)行回頂加固。

3.2方案二：倒掛提升法

考慮項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)連廊結(jié)構(gòu)的特殊性：鋼桁架作為主受力結(jié)構(gòu)分布在連廊上部，下掛框架結(jié)構(gòu)。若整體提升，拼裝區(qū)域的地下室頂板受力大，且下掛框架結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)

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(jìn)行大面積回頂，此部分施工成本降低。

3.2.2缺點(diǎn)

施工組織及技術(shù)要求較高；鋼結(jié)構(gòu)連廊需等主體結(jié)構(gòu)施工完畢且達(dá)到一定強(qiáng)度后，方能設(shè)置提升吊點(diǎn)準(zhǔn)備提升，安裝方法對(duì)工期的制約較大；桁架提升至高空后下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼裝，逆作法安裝立柱、鋼梁，構(gòu)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(jié)構(gòu)連廊鋼柱下方設(shè)置支撐胎架，在高空中進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)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(jìn)行回頂，該方法：

3.3.1優(yōu)點(diǎn)

安裝工藝較簡單，無需采用復(fù)雜施工技術(shù)；直接在高空拼裝，對(duì)桿件的定位和變形控制有利；鋼結(jié)構(gòu)施工插入時(shí)間提前，節(jié)省工期。

3.3.2缺點(diǎn)

支撐胎架高度接近20m，使用量大，措施費(fèi)用較高；由于高空作業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)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(shù)特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性、工期進(jìn)行分析，側(cè)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(shù)優(yōu)化

4.1 胎架設(shè)置

4.1.1胎架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)設(shè)置

通過使用midas gen有限元分析軟件，本項(xiàng)目施工時(shí)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(zhì)均為Q235B，以1m×1m×4m為最小的制作單元即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間使用8顆普通4.6級(jí)M20螺栓相連接。在支撐胎架制作之前，進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，建立了設(shè)計(jì)模型、繪制了設(shè)計(jì)圖紙，并按照最大頂部受力情況140kN進(jìn)行了模擬受力。

4.1.2胎架端部設(shè)計(jì)

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(gè)點(diǎn)上能起到很好的支撐作用，而底部需要設(shè)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?cè)O(shè)計(jì)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(wěn)定，在支撐之間采用L90×10的角鋼進(jìn)行連接形成水平構(gòu)造，使懸臂胎架形成一個(gè)穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，保障整體穩(wěn)定性。

4.2 鋼拉桿的設(shè)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(huì)比較大，因此采取設(shè)置鋼拉桿的形式對(duì)鋼柱進(jìn)行固定，計(jì)算每榀桁架間鋼拉桿抗壓應(yīng)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(wěn)定框架結(jié)構(gòu)”，“三角穩(wěn)定框架結(jié)構(gòu)”將懸挑桁架焊接殘余應(yīng)力由焊縫傳遞給鋼拉桿，由“三角穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)”承擔(dān)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?cè)崤浜希饶芟`差，又方便安全。

4.3 連廊安裝過程中的受力計(jì)算

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

通過全程監(jiān)控，測(cè)量每一個(gè)施工階段的變形數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其均在控制范圍內(nèi)。

本工程通過有限元分析，主要解決了以下問題：

4.3.1對(duì)不同的施工方案進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)構(gòu)變形，確定安裝順序。

4.3.2分析每一個(gè)施工階段，結(jié)構(gòu)是否為穩(wěn)定狀態(tài)，桿件應(yīng)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(jié)構(gòu)的變形，保證結(jié)構(gòu)的整體變形滿足規(guī)范要求，同時(shí)確保相鄰安裝單元之間的相對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)桿件附加應(yīng)力大小，即結(jié)構(gòu)施工完成后桿件應(yīng)力與設(shè)計(jì)一次成型桿件應(yīng)力的差值，確保附加應(yīng)力比與設(shè)計(jì)應(yīng)力比之和在合理范圍之內(nèi)，保證結(jié)構(gòu)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(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的變形和重要桿件的應(yīng)力，與施工過程監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，為施工過程提供理論依據(jù)，確保施工過程的可控性。

施工前，進(jìn)行施工全過程結(jié)構(gòu)性能仿真計(jì)算，深入分析結(jié)構(gòu)成型狀態(tài)內(nèi)力和變形的影響因素，以制定科學(xué)可行的施工方案。施工過程中，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形始終處于受控狀態(tài)，同時(shí)考察結(jié)構(gòu)實(shí)際的變形和內(nèi)力變化規(guī)律，為今后的施工活動(dòng)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

本項(xiàng)目采用無線振弦應(yīng)變采集系統(tǒng)對(duì)被安裝構(gòu)件關(guān)鍵受力構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，采用徠卡TS30測(cè)量機(jī)器人對(duì)應(yīng)變進(jìn)行全天候的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。確保結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形在施工過程中始終處于受控狀態(tài)。

4.4 支撐胎架拆除

支撐胎架拆除主要使用卷揚(yáng)機(jī)和倒鏈進(jìn)行拆除，卷揚(yáng)機(jī)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(chǎng)，在支撐措施拆除過程中須注意空間問題，卷揚(yáng)機(jī)組須經(jīng)過科學(xué)合理布置，以免在調(diào)運(yùn)過程中拉索、構(gòu)件等物體與其他構(gòu)件發(fā)生刮擦、碰撞等現(xiàn)象發(fā)生。卷揚(yáng)機(jī)調(diào)運(yùn)、塔吊裝時(shí)要緩慢進(jìn)行，避免產(chǎn)生大幅度的擺動(dòng)與震蕩，構(gòu)件落地時(shí)不得與看臺(tái)等物體進(jìn)行猛烈撞擊，須緩慢進(jìn)行，胎架拆除按照一節(jié)一節(jié)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(jié)語

本文詳細(xì)介紹了藝展天地展示中心項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)連廊施工過程中三個(gè)方案選擇的具體過程，綜合對(duì)比后，選擇了支撐胎架原位拼裝法，并對(duì)支撐胎架原位拼裝法進(jìn)行優(yōu)化，確保施工質(zhì)量和施工安全，提高了施工效率。

同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)連廊支撐胎架原位拼裝是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，施工過程復(fù)雜，施工周期長，本文通過有限元軟件分析，對(duì)安裝全過程進(jìn)行了模擬分析，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中進(jìn)行了全程監(jiān)測(cè)，最終成功完成了鋼結(jié)構(gòu)連廊的安裝。

項(xiàng)目以本工程鋼結(jié)構(gòu)高質(zhì)量的完成安裝為契機(jī)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(jié)構(gòu)安裝提供施工經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)鍛煉一批有技術(shù)與管理能力的人才，為今后市場(chǎng)開拓和企業(yè)發(fā)展儲(chǔ)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(hào)】TU973.13

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1671-3362（2017）08-0050-05