超重大跨度鋼桁架安裝施工方法創新

孫清梅（浙江廣廈建設職業技術學院 ，浙江 東陽 322100）

1 工程概況

本工程建筑面積為147853.41m2，地下二層，地上四十三層。主體結構為混凝土框架+核心筒結構。主樓建筑高度為193.7m。裙房部分區域設勁性梁柱結構，裙房建筑高度30.90m，會議廳屋頂采用大跨度鋼梁雙向受力體系。勁性梁最大截面為H900m×300m×12m×40m，勁性柱最大截面為H 550m×500m×24m×34m。會議廳屋面大跨度鋼梁最大跨度約35.6m，主梁截面采用H1850m×350m×26m×26m。本工程鋼材材質為Q420C，會議廳屋頂樓板采用鋼筋桁架樓承板組合樓板結構。工程的特點是跨度大：裙房會議廳最大跨度約35.6m；難點是主梁采用H1850×350×26×26，外框鋼柱采用Q420C。

2 施工重難點分析

2.1 厚板焊接

本工程鋼構件最厚板厚為40mm，材質為Q420C，厚板在焊接過程中容易產生根部缺陷，丁字和十字接頭容易產生層狀撕裂；焊后產生的殘余應力比較大，所以在制作各階段執行合理的工藝措施，控制與消減殘余應力，防止裂紋的產生，成為本工程的重點之一。層狀撕裂主要是在焊接過程中產生的，多發生在角接頭、T形或十字接頭的熱影響區或遠離熱影響區的母材金屬中，裂紋呈階梯狀，基本平行于鋼板軋制表面。

2.2 宴會廳屋頂大跨度梁吊裝

本工程宴會廳屋頂鋼梁最大截面為H1850m×350m×26m×26m，跨度35m。鋼梁的跨度較大，重量較大，塔吊及汽車吊不能滿足吊裝的要求。

2.3 施工場地緊張

本工程設2層地下室，現場基坑外場地非常狹小，施工現場四周建筑都已形成，用于本工程現場施工臨時的建筑空地幾乎為零，尤其地下室施工時基本沒有鋼結構材料堆放場地，地上結構施工時，大量的鋼構件進場后，材料須堆放到地下室頂板，如何進行材料堆放管理及協調是工程的重點。

2.4 超高層鋼-混凝土結構在施工過程中的混凝土核心筒與外框鋼結構變形協調處理

隨結構的不斷增高，混凝土結構和鋼結構變形不斷增大，變形的絕對值也比較大，而且混凝土結構和鋼結構之間的變形并不同步，如何協調結構之間的變形差異，并確保施工階段的結構變形不至于影響結構的安全和工程竣工后的使用功能，也是我們考慮的施工重點。

3 選題理由

3.1 本工程質量目標確保錢江杯，爭創“魯班獎”

本工程安全目標：達到金華市行政主管部門有關“金華市標化工地”及安全文明施工的有關規定，爭創“浙江省標化工地”。

3.2 跨度大

1#樓鋼梁主梁1-D軸線（寬度34m），1-C軸線（跨度34m）之間，1-F軸線（跨度34m），本工程鋼梁與柱跨度大，柱重量大，鋼結構，重量重，1#樓鋼桁架單跨梁重量為23T，工廠分段制作。整體鋼梁重量為180.76T，支承點少，安裝高度大，高空作業量大。由于施工場地限制較多，會議室桁架屋面在裙房的東南角，臨近市政道路，場地狹窄，吊裝視野不夠開闊。工期緊，任務重，不允許出現返工及貽誤工期現象。能否成功按計劃完成鋼結構吊裝，是該項工程建設的關鍵。

3.3 厚板焊接可以解決

1）對層狀撕裂的產生機理和危害性進行認識與重視，根據構件受力分析，對焊接接頭的拘束度分析、殘余應力分析、層狀撕裂傾向分析，進而制定針對性的工藝并進行貫徹實施。

2）嚴把材料關，即保證材料的Z向性能，并在焊接前對母材焊道中心線兩側各2倍板厚加30mm的區域進行超聲波探傷檢查。

3）厚板焊接坡口形式優選雙面坡口形式，并對單面坡口進行了優化，降低了熱輸入量。嚴格坡口加工精度，利于層狀撕裂的防止。

4）對Q420C材料進行全面的焊接性試驗及工藝試驗，對本工程構件制作中涉及的板厚及接頭形式進行焊接工藝評定。

5）厚板焊接采取多層多道焊，焊前預熱，預熱溫度不小于100℃，層間溫度150～200℃，焊后保溫緩冷。

6）通過合理的裝配和焊接順序，以及控制、消減殘余應力措施減少焊接殘余應力，減小拘束度，以利于層狀撕裂的防止。

3.4 施工場地緊張問題的解決

1）根據現場及周邊的施工環境科學合理的設計施工總平面布置方案以及鋼結構安裝方案。

2）進行了周密的運輸及現場安裝進度計劃編排，確保現場供貨的及時性、合理性并確保符合現場施工需求。

3）宴會廳屋頂大跨度鋼框梁隨到隨吊，小梁則在設置塔吊附近堆場堆置。

3.5 超高層鋼-混凝土結構在施工過程中的混凝土核心筒與外框鋼結構變形協調處理的解決

1）調整結構的施工順序，根據國內許多權威研究機構所知，本工程的結構中筒體由于混凝土的徐變和干縮產生的豎向非彈性變形約占總變形的65%以上，由于混凝土的徐變和干縮是個時間的參變量函數，故可以通過控制混凝土筒體和外鋼框鋼結構的施工時間差來調整。

2）調整鋼框架梁柱節點的安裝方法，如當梁柱采用剛性連接時，可采用的方法為：先用高強度螺栓將H型梁的腹板與柱連接牢固，隔一斷時間后，視施工流程的需要，再將梁的上下翼緣焊牢，即采取先鉸后剛的特殊施工工藝。

由此可以看出宴會廳屋頂大跨度梁吊裝是要解決的主要問題。

4 目標和可行性分析

4.1 目標

選用一種滿足質量、安全、工期及經濟的鋼梁安裝方法，實現結構安全。桁架安裝完成時，符合施工規范要求，一次驗收合格，確保安裝質量合格率達到87%。

4.2 可行性分析

1）本工程由金華建筑設計院有限公司設計，同時具備鋼結構專業深化設計團隊。

2）公司選派具有多年開展施工經驗的技術人員與項目部人員一起成立研究小組，小組人員新老結合，具有很強的團隊協作能力和創新能力，并由項目執行經理任組長。

3）由公司總工程師虞功平對該工程的施工進行指導，選擇有類似經驗的專業施工隊伍。監理單位技術人員對該部位細部的施工提出了寶貴的意見。

綜上所述，設定的目標是可行的。

5 方案的設計

根據桁架安裝完成時，符合施工規范要求，一次驗收合格，確保安裝質量合格率達到87%的目標要求，制定活動計劃，小組成員通過“頭腦風暴法”集思廣益，共采用了以下四種方法。

第一種方法：汽車吊分榀安裝法是把整體鋼桁架分成多榀[1]

即利用50T汽車吊直接吊至進行安裝的方法。具體采用型鋼柱對地下室頂板進行加固，將拆分后的鋼梁在地下室頂板上焊接拼裝完成后，利用汽車吊直接吊至型鋼柱牛腿處進行螺栓連接并且滿焊。待鋼架全部安裝完畢，涂防腐涂料、防火涂料等工序完成后拆除頂板。

第二種方法：胎架人工分榀安裝法[2]（見圖1）

圖1 胎架人工分榀安裝法簡圖

鋼梁運至地下室頂板吊裝位置，汽車吊分段吊至5層屋面，人工倒運鋼梁投影位置，利用塔吊拼裝標準節胎架，安裝H340型鋼作為起吊支點懸掛電動葫蘆，緩慢提升，鋼梁落位至胎架上，測量調整，利用胎架電動葫蘆進行提升，逐個拼裝焊接成整體。

第三種方法：整體提升安裝法[3]

即把整體鋼桁汽車吊分段吊至5層屋面，人工倒運鋼梁投影位置，利用龍門架將構件吊起，混凝土主梁位置鋪設鋼梁作為拼裝胎架，鋼梁落位至胎架上，測量調整定位，焊接成整體，利用在柱頂設置的提升架進行整體提升。

第四種方法：塔吊分榀安裝法：[4]

分別利用1#2#塔吊（TCT5611）將設計拆分后的桁架單體構件吊至設計高度進行空中拼裝。安裝從梁兩端到梁中，先安裝主梁再吊次梁順序依次進行吊裝。1#塔吊位于裙房的北面，2#塔吊位于裙房南面，基本全部覆蓋鋼梁范圍。

針對滿足質量、安全、工期及經濟的鋼梁安裝方法，實現結構安全的目標，充分收集各種方法進行匯總。

6 最佳方案的確定

對以上四種方法從方法的可行性、經濟性、施工難易程度、工期等進行評估，選定最優方案。

6.1 汽車分榀吊安裝法

1）可行性：安裝精度高，高處作業量相對較大。

2）經濟性：對起重設備（汽車吊）性能要求高，經測算費用為40萬元。

3）施工難易程度：大型汽車吊拼裝施工效率低，高空作業危險系數高，控制精度要求高。

4）工期：地下室頂板需要鋼管加固，計劃10天安裝完成。

5）是否選用：裙房東側是道路，施工場地狹窄，施工難度較大，此法不選。

6.2 胎架人工分榀安裝法

1）可行性：安裝精度高，高處作業較小，安全性高。

2）經濟性：按照設計的胎架，制作移動龍門架及塔吊標準節胎架，其他附材 ，經測算費用為42萬。

3）施工難易程度：作業危險性較小，人工操作簡單，安裝精度高，安裝難度較小。

4）工期：塔吊和汽車吊配合人工進行單榀桁架提升時，塔吊起吊胎架，汽車吊吊分段鋼梁，鋼桁架全部安裝完成需要1個月時間，工期較為合理。

5）是否選用：作業安全，費用較低，最佳方案。

6.3 整體提升安裝法

1）可行性：安裝精度高，高處作業量很少，安全性高，整體提升支點設置困難，需投入大量人、材、機。

2）經濟性：提升架體用鋼量大，整體提升支點加固措施需不斷求證并投入大量的加固措施費及輔材費用，大約費用為53萬元。

3）施工難易程度：同步控制精度要求高，支點設置困難。

4）工期：樓板加固需要15天，樓面整體拼裝開始至提升到位安裝完成時間1個半月，工期長。

5）是否選用：作業安全，費用較低，最佳方案。費用53萬元最高，工期較長，不采用。

6.4 塔吊分榀安裝法

1）可行性：充分利用塔吊，增加安裝人員操作風險，安裝精度較高。

2）經濟性：充分利用塔吊，投入費用50萬元。

3）施工難易程度：單榀桁過重，塔吊起吊困難，1#、2#號塔吊東南區域角不能完全覆蓋。

4）工期：塔吊配合人工，單榀桁架提升時，1#、2#塔吊可以同步進行拼裝施工，鋼桁架全部安裝完成需要15天時間，工期較短。

5）是否選用：單榀桁架重時，鋼梁安裝風險系數成倍增加，同時部分位置無法完全覆蓋，增加吊起的難度。此法不可選。

從各方面綜合考慮后選取胎架人工分榀安裝法作為最佳實施方案。

7 制定對策

根據擬采用施工方案制定最佳施工工藝流程，然后制定實施對策。

8 對策實施

8.1 施工前準備

在金華建筑設計院有限公司設計和鋼結構專業深化設計團隊指導下，編制專項施工方案，方案確定了將34.5m主鋼梁分成三段并對移動龍門架及標準節胎架提升能力進行了計算，龍門架跨中單點豎向荷載50kN，水平荷載按左右晃動角度10°考慮（取10kN），并取1.4倍動力系數。結構變形，龍門架頂部橫梁跨中最大合位移約33.6mm，滿足施工要求。應力比，龍門架桿件最大應力比為0.553，且提升支架各桿件應力比均小于0.4，滿足施工要求，確保提升符合安全要求。在提升施工前，此施工方案經施工單位、監理單位審核、批準后實施，并對作業人員進行技術交底。確認效果：經過方案編制，合理對材料、人員、機械安排，優化施工方案。

8.2 樓板加固

目標：確保超重鋼結構安裝時樓板有足夠的承載力。措施：利用經緯儀放線，在樓面上用墨斗彈出胎架放置位置后，進行加固，保證主體結構有足夠的承載力。實施效果檢查：構件均能安全吊裝至指定拼裝位置并安裝到位，精度與設計和預埋鋼牛腿相吻合。

8.3 鋼梁吊裝至屋面樓板

表1 對策表

目標：確保鋼梁安全吊至屋面樓板。

措施：將5根大跨度梁分3段加工制作、運輸、吊裝，分段重量最重約7.7t；其余鋼梁均整根吊裝（較重鋼梁利用人工吊裝，小次梁等利用塔吊吊裝）。然后在樓板上劃分鋼梁構件堆放位置，接著采用50t汽車吊將鋼梁吊至該位置。

實施效果檢查：構件均能安全吊裝至指定拼裝位置并安裝到位，精度與設計和預埋鋼牛腿相吻合。

8.4 鋼梁搬運（見圖2）

鋼梁搬運見圖2。

圖2 龍門架鋼梁構件移動

目標：確保鋼梁搬運至吊點位置。

措施：1）用經緯儀在樓板上定位出鋼梁的投影位置并用墨線標識。2）用經過計算論證的自制移動式龍門架進行鋼梁搬運，將鋼梁移至標識處。

實施效果檢查：鋼梁邊線與樓板定位標識吻合，定位精確。

8.5 提升胎架安裝

目標：確保在胎架安全可靠性，能有效提升鋼梁至設計標高。

措施：用6025塔吊將8個塔吊標準節吊至梁兩側指定位置，進行拼裝。有鋼板焊接的標準節作為胎架第一標準節。胎架共搭設2個立柱，每個立柱4個塔吊標準節，該立柱高度能夠滿足鋼梁提升高度。在兩個胎架立柱上擱置H型鋼焊接吊耳作為電動葫蘆的吊點。

實施效果：胎架立柱位置定位準確，立柱高度滿足鋼梁提升要求，H型鋼吊點滿足鋼梁構件的起吊重量。

8.6 鋼梁分段提升

目標：確保鋼梁分段提升到設計高度，保證鋼梁構件能與主體牛腿精準對接。

措施：在鋼梁構件中心點位置焊接吊耳，用電動葫蘆將鋼梁進行提升。將鋼梁吊起離地50cm，24h后對H字鋼進行復核穩定性及承載力。確認無誤后，將鋼梁按一定速度提升至設計標高位置，穩定后對鋼梁構件位置進行復核。

實施效果檢查：構件均能安全吊裝至指定拼裝位置，確保精度與設計和預埋鋼牛腿相吻合。

表2 鋼桁架拼裝精度檢查表

8.7 與主體牛腿，完成主梁拼裝

目標：確保鋼梁與主體牛腿連接符合設計要求，焊接質量符合設計要求。

措施：待鋼梁吊到設計標高，利用線錘位置核對完成后，采用高強螺栓將連接板與柱牛腿，另一端用型鋼H340臨時支撐立柱，底部焊接鐵板，將鋼梁穩定后，拆除胎架。

實施效果：焊接質量得到保證，連接完成后符合設計要求。

8.8 拆除提升架

目標：安全拆除提升支架，完成屋面整體鋼結構安裝。

措施：整體鋼架螺栓拼裝完成，等沉降穩定后，各弦桿對口焊接、補桿完畢后，利用塔吊分解胎架及加固鋼管架。

實施效果檢查：塔吊配合拆除，安全可靠；作業人員系安全帶操作保證高空作業安全。

9 結語

從2017年7月至2017年12月期間，經歷了從方案的提出、方案初步設計、方案比選、方案完善、方案審批到方案實施的一系列過程，為鋼梁的提升安裝奠定了基礎，也保證了整個提升工程的施工進度。

安裝結束后，會同各單位對鋼梁進行檢查，拼裝精度符合設計要求，合格率達90.70%，已達到設定的87%目標要求，且提高了3.7%；焊縫經專業檢測單位檢測，均為合格。

本工程一共有二級焊縫395條，經杭州金輝鋼結構檢測工程有限公司對焊縫超聲波探傷檢測，焊縫合格率為100%。

胎架人工分榀安裝法提升施工技術，在某工程（一期）I標工程中成功應用，施工質量、施工進度、施工安全等方面均取得非常好的成績，為金華市以后的類似工程施工奠定了基礎，取得了良好的社會效應。