大跨度弧形鋼桁架安裝技術

王民強

上海建浩工程顧問有限公司 上海 200030

1 工程概況

上海國際乒乓球聯合會博物館和中國乒乓球博物館，位于上海市世博園文化博覽區15街坊16-06地塊。占地面積約5 000 m2，建筑面積為10 389 m2，建筑高度17.30 m（圖1）。主體結構為鋼框架＋弧形鋼桁架。其中弧形鋼桁架質量約250 t，長約65 m，高7.55 m，桁架底標高＋9.60 m，由上弦、腹桿和下弦三部分組成，桁架上、下弦為雙排箱形鋼梁，斷面尺寸：上弦為800mm×600mm×14mm×32mm，下弦為700mm×600mm×18mm×35mm，豎腹桿為φ325mm×18mm（圖2）。

圖1 建筑效果圖

圖2 大跨度弧形鋼桁架示意

2 工程特點和難點

1）弧形鋼桁架長約65 m，高7.5 m，質量約250 t，長度大、斷面大、質量大，要在水平風荷載作用下，將其安裝到離地面近10 m高空，其技術難度是較大的。

2）鋼桁架弧形部分為懸挑結構，安裝時需設臨時支撐架，但支撐架受沉降、壓縮變形和鋼桁架焊接、吊裝變形影響，其位置的選擇和頂標高的確定，以及支撐架支座和穩定設計等難度均不小，同時支撐架安裝、頂緊和弧形鋼桁架段安裝完成后的卸載、拆除也是質量要求高，技術難度較大的。

3）鋼桁架弧形部分共分3段，須在兩側直線段安裝之后進行安裝，其最后一段需嵌入安裝，會受氣溫熱脹冷縮、焊接變形和吊裝誤差影響，合理確定其長度和焊縫寬度的難度也較大。

4）弧形鋼桁架安裝時的臨時支撐架坐落在地下室頂板上，驗算地下室頂板承載能力和設計加固措施也是有一定難度的。

5）鋼桁架上下弦箱梁厚35mm的鋼板焊接質量要求高，操作難度較大。

6）在近10 m以上高空，對大跨度弧形鋼桁架的軸線、標高和垂直度進行測量控制，因受風、陽光、焊接和吊裝變形影響大，測量精度難以保證。

7）因施工場地狹小，導致場內運輸、堆件困難，故對施工組織管理要求更高，工序搭接要求更嚴。

8）工期緊，質量要求高。本工程質量目標：上海市優質結構、鋼結構金鋼獎、上海市白玉蘭獎。弧形鋼桁架吊裝計劃工期為30 d。

3 制作與安裝

3.1 選好合格承包商

工程質量是靠承包商來組織工人做出來的，因此，選好合格的承包商是保證大跨度弧形鋼桁架制作、安裝質量的前提。

本項目通過兩輪實地考察和面試等招標活動，選定了鋼結構制造商。對施工單位推薦的鋼結構制造商的資質、規模、業績、信譽、制造設備與能力、內部管理和質量控制制度等方面進行綜合評估后，選定了其中一家管理能力、制作能力均較好的鋼結構制造商。

3.2 把好質量關

在鋼桁架制作過程中即組織監理和施工單位代表駐廠進行質量控制：審核、確認制作方案和工藝卡；原材料抽檢取樣復驗；平行檢測；構件加工工序質量驗收；焊縫探傷檢查；防腐防銹處理質量檢查；出產前小拼裝質量檢查驗收；裝車、運輸、卸車、堆放質量監督等。

3.3 因地制宜編制吊裝方案

弧形鋼桁架吊裝方案一般可有3個：即整體吊裝、空中散件安裝和分段分單元吊裝。

第1個方案由于吊裝高度不太高、場地狹小、整體吊裝需大型吊裝機具，費用較高，故未采用。

第2個方案因空中散件安裝工期長、場地有限，故也未采用。

第3個方案為分段分單元在工廠小拼，再運至現場進行空中總裝，因其對工期、吊裝機具費用和狹小場地等都較有利，所以本弧形鋼桁架采用此分段分單元吊裝方案。具體在工廠制作時就將弧形鋼桁架分成7段，每段又分為上弦、豎腹桿（圖3）和下弦3個單元，最大單元質量為16.7 t。

圖3 豎腹桿結構

3.4 合理確定吊裝程序

合理的吊裝程序對于確保吊裝質量和工期至關重要。本弧形鋼桁架吊裝程序[1-3]為：加固地下室頂板→安裝臨時鋼支撐架→吊裝第1、2段下弦→吊裝第1、2段腹桿→吊裝第1、2段上弦→吊裝第3、4段下弦→吊裝第3、4段腹桿→吊裝第3、4段上弦→吊裝第5、6、7段下弦→吊裝第5、6、7段腹桿和連接鋼梁→吊裝第5、6、7段上弦→全面檢查、驗收鋼桁架吊裝質量合格→撤離千斤頂（卸載）和拆除臨時鋼支撐架→拆除地下室頂板加固鋼管支撐。

3.5 選定吊裝機具

因直接安裝在鋼立柱上的4段鋼桁架中最大單體質量為9.9 t，吊裝半徑12 m，故選用QY70K-Ⅰ汽車吊機，其臂長32.15 m，起吊質量12 t＞（9.9 t＋1 t吊鉤質量＋0.1 t吊索質量）=11 t，滿足起重需求。

懸挑部分的3段弧形鋼桁架中最大單體質量為16.7 t，吊裝半徑12 m，故選用QY100K-Ⅰ汽車吊機，臂長41.63 m，起吊質量19.2 t＞（16.7 t＋1 t吊鉤質量＋0.1 t吊索質量）=17.8 t，滿足起重需求。

鋼桁架分上弦、腹桿和下弦3個單元吊裝，采用4根等長吊索4點捆綁吊裝，吊點設在上、下弦長度的1/4處，因為最大單元質量為16.7 t，所以選用了鋼絲繩的規格為6×19＋1-28mm。

3.6 仔細進行工程測量，確保測量精度

本弧形鋼桁架測量控制因受空中風力、日照和焊接變形等影響，難度較大，故我們采用了三級控制網。對平面控制網豎向傳遞采用了外控法，并在標高＋9.6m處設置測量操作平臺，用全站儀或經緯儀從平面控制網點引測控制平面軸線；標高控制點使用水平儀引測標高控制點；對鋼桁架下鋼柱的測量與校正主要是鋼柱底就位控制、柱頂標高控制和柱身垂直度控制。其程序是柱底軸線位置校正→柱頂標高校正→錯口調整→垂直度校正，對鋼柱受日照和焊接變形影響則采取了預偏措施，以保證柱底中心與下節柱頂中心對齊。

柱頂標高考慮鋼柱豎向壓縮變形和沉降影響，要比原設計增加8mm，并用全站儀或經緯儀將鋼柱垂直度測量校正到符合規范要求。每段鋼桁架就位時需先測量校正其兩端標高合格，其次測量校正其兩邊平整度合格，再用全站儀測量校正其縱向中心線合格。最后對測量成果實行了自檢→復檢→專檢驗收“三檢”制度，使測量精度滿足設計和相關規范要求。

3.7 地下室頂板加固

由于3個臨時鋼支撐架均坐落在地下室頂板上，經驗算，其下方地下室頂板需加固，加固范圍比臨時支撐架底面4邊各擴大2 m，加固底中心點需與臨時支撐架底面中心點重合。采用φ48mm×3mm鋼管作支撐桿件，主桿間距400mm×400mm，頂部采用可調托座＋100mm×100mm木方橫楞，水平桿步距900mm，下部掃地桿離地200mm，并按規范要求設置了垂直和水平剪刀撐。立桿頂部需用可調托座頂緊木方橫楞和地下室頂板。

3.8 安裝臨時鋼支撐架

由于地下室頂板表面不太平整，為使臨時鋼支撐架底面能全面接觸地下室頂板面，均勻傳力至地下室頂板和加固鋼管支撐，我們在臨時鋼支撐架底面下墊厚20mm鋼板，4邊各超出臨時鋼支撐架底面1 000mm，并在鋼板表面和臨時鋼支撐架四側面下部彈出十字墨線，將臨時鋼支撐架底面吊裝到位、校正，使4個側面十字墨線分別與鋼墊板上十字墨線重合，確保平面軸線位置正確，然后與鋼墊板焊牢。在校正其垂直度符合規范要求后，再用水平和斜向鋼管將其中部和頂部與鄰近鋼柱進行固定以防止傾覆。最后通過調節支撐架頂端千斤頂，使支撐架頂端標高符合預定要求（圖4）。

圖4 臨時支撐架安裝示意

4 質量控制與安全卸載

1）安裝最后一段弧形鋼桁架時由于受到溫度變形、焊接變形和安裝誤差影響，所以在設計長度上需要調整。即在清晨日出前測量出末端鋼桁架在空中的實際需要尺寸，再加上兩端焊縫寬度，在工廠加工小拼末端弧形鋼桁架的下弦、腹桿和上弦3個單元，運至現場，并要在上午10時前吊裝、就位、校正、焊接，完成安裝任務。

2）采取有效措施，確保厚鋼板焊接質量。本弧形鋼桁架上下弦雙排箱梁系由鋼板拼焊而成，最厚鋼板為35mm。為保證該厚鋼板焊接質量，我們組織工廠和現場進行焊接工藝評定，編制焊接工藝卡，培訓焊工；控制焊接環境、風速、溫度和濕度；進行焊前預熱；分段、分層、間隔對稱施焊，監控層間溫度，及時清除焊渣，最后做好焊后措施和焊縫質量檢驗，從而確保了厚鋼板的焊接質量。

3）安全卸載和拆除臨時支撐架以及地下室頂板加固的鋼管支撐。在弧形鋼桁架全部安裝完成并驗收合格后，先進行卸載，將3個臨時鋼支撐架頂部6個千斤頂同步微調下降，同時檢測弧形鋼桁架變形值，一旦出現變形值超標立即停止作業查找原因，在采取有效措施后，方可繼續卸載。通過卸載平穩轉移荷載且符合設計要求后，撤離千斤頂，再從上至下拆除臨時支撐架和地下室頂板加固鋼管支撐[4-7]。

5 結語

本項目大跨度弧形鋼桁架安裝因地制宜，采用工廠小拼、現場空中總裝的安裝方法，即先吊裝兩側直段、后吊裝中間弧形段，再在懸臂弧形鋼桁架下采用臨時鋼支撐架支撐，頂端采用千斤頂調節標高和卸載，下方地下室頂板采用鋼管支撐加固的方法，經實踐取得了成功，較現場空中散裝和整體吊裝方案，不僅經濟性和安全性好，工期也比計劃工期縮短1/3，質量優良，現已申報上海市“優質結構”和“金鋼獎”，且已通過了初審。