淺談72 米大跨度鋼桁架吊裝施工技術應用

趙王軍

中國能源建設集團湖南火電建設有限公司 湖南長沙 410015

近幾年來，國內大跨度鋼結構桁架類型建筑結構體系由于自重輕、強度大、施工工期短等獨特優點，被廣泛應用到各個行業，其造型越來越新穎，規模越來越大。大跨度鋼結構桁架設計制造體系已比較成熟全面，但由于自身結構和外部因素影響，吊裝過程中容易發生失穩、變形、局部破壞等，其安全、經濟效益備受關注，因而合理的吊裝方案顯得尤為重要。

目前國內大跨度、大噸位鋼桁架的安裝一般采用高空散拼成形、整體吊裝、整體提升及整體頂升、分段吊裝高空拼接、高空滑移等方法，分為跨內吊裝和跨外吊裝。以下結合南車株洲大功率半導體器件IGBT 產業化建設項目201 主廠房鋼結構屋蓋吊裝工程，對工程中大型構件吊裝方式、吊點布置，以及構件強度、剛度和穩定性等問題進行分析。

1 工程概況

南車株洲大功率半導體器件IGBT 產業化建設項目201 主廠房鋼結構屋面工程，位于湖南株洲時代電氣城地塊的北側。屋蓋采用鋼結構體系，屋蓋長72m，寬72m。沿橫向共設9 道主桁架，支撐于鋼筋混凝土柱牛腿上。

鋼結構屋蓋采用空間桁架結構，主桁架為三角形桁架，沿橫向布置，共9 片，高度為4m，支撐于下部方管立柱上，桁架下弦與柱頂鉸接。主桁架主要材料為上弦HW300×300×10×15 型鋼，下弦為HW300×300×10×15（中間加強型為HW400×400×13×21），腹桿為HW250×250×9×14 型鋼，沿縱向設置HW200×200×8×12 型鋼斜支撐。主桁架間橫向設置PD121×5 圓管系桿支撐，下部為9 根方鋼管柱支撐，方管徑為BOX450×18 與BOX462×30 兩種。每品主桁架分為三段制作，拼接處采用高強度螺栓固定施焊，在工廠進行整體預拼裝、校正后分三段運輸至現場。

每品主桁架（屋架蓋）尺寸為72m×0.3（0.4m）×4.4m，重約32t，吊裝高度24.99m。廠房剖面圖如圖1所示。

圖1 主廠房剖面圖

2 吊裝方案選擇

通過綜合分析該工程的具體情況，結合各種吊裝方法的特點和優缺點，并考慮現有的機械設備情況、施工工期要求，認為整體提升或整體頂升難以適用該工程如此大跨度和大噸位的屋蓋系統。而高空散拼需耗用大量的支撐架體材料，占用施工工期長，高空焊接量十分大，且施工風險較大，整體滑移不具體條件。如果采用一次性整體吊裝，可大大縮短安裝工期，且廠房FS 排外側場地平整寬大，地基基礎較好，對大型吊機及屋架地面組合非常有利。因項目主廠房主體結構等都已成型，屋蓋下部三樓樓面多處立柱、設備基礎結構，場地狹小，構件難以擺放，且主廠房周圍已封閉，構架難以進入。如若主廠房不封閉，混凝土結構中將涉及大量的節點預留及后期的連接處理，造成大量的后續工程難以實施，工期難以保證。綜上所述，認為采用跨外吊裝施工方案較為合適。

2.1 力學分析

在確定采用“鋼桁架就地拼裝，整體翻邊整體吊裝”技術路線后，如何選擇吊點（包括吊點的數量和分布），如何保證吊裝、翻邊過程中鋼構件不發生平面外失穩，是吊裝過程中重點考慮和解決的問題。

大跨度鋼桁架結構可簡化成一平直的簡支梁結構，要吊裝到設計標高與兩柱頭鏈接，其吊點的選擇和吊點的分布要保證起吊后的梁在自重作用下兩端軸向相對變形等于或接近零，這樣吊裝到設計位置的梁才能準確就位，不會超長也不會縮短。

一般來說，吊點的布置要考慮以下幾點：

（1）吊點要在桁架的重心之上，這樣起吊后不會因頭重腳輕而傾覆；

（2）吊點不能過于接近，否則容易使桁架兩端變形過大，這樣會導致拼接的時候無法到位；

（3）吊點的選擇應該使鋼桁架的變形[1]和彎矩分布比較均勻，且數值較小。

參考文獻[2]，四吊點方案比兩吊點方案構件受力狀況大大改善，從而可提高鋼桁架吊裝過程的平面外穩定性。也可將有限元分析方法應用于桁架吊裝，根據吊點約束數量，在所有節點變量空間里面進行組合計算，通過計算得到的內力結果計算桁架的應變能。對不同的應變能結果進行排序，得到最小的應變能，這時結構單元的桿件內力和節點位移都處于一個較合理的狀態，吊點約束組合就可以認為是最佳吊點組合。主桁架在吊裝狀態下的變形如圖2 所示。

圖2 桁架四個吊點下的變形圖

根據以上原則并參考文獻[2]，此桁架吊裝最終確定4 個主力吊點、2 個輔助吊點（輔助吊點只要消除2號吊點外側鋼構件自身重力所產生的變形），吊點處于桁架節點位置，如圖3 所示。通過同濟大學3D3S 軟件計算校核，各桿件內應力、變形、局部、整體穩定性符合要求。

圖3 桁架吊裝吊點及鋼絲繩捆綁示意圖

2.2 初步校核

根據現場施工條件及周邊吊車起重量，選擇一臺450t 履帶吊，其起重臂主臂48m，副臂66m，SWSL、主臂85°工況，64m 作業半徑；配140t 超起配重，超起半徑15m，采用100t 吊鉤，穿4 道鉤繩。此工況下起重機起重量為38.5t。而鋼桁架重約32t，吊鉤重1.2t，鋼絲繩及附件重約2t,合計35.2t＜38.5t ,其重量符合要求。鋼構件支座高度為22.7m，通過模擬，證明起重高度符合要求。

2.2.1 鋼桁架翻邊

每品主桁架分三段制作，桁架拼接處采用高強度螺栓固定施焊，在工廠進行整體預拼裝校正后分三段運輸至現場。現場拼裝采用臥式拼接法，先用枕木在預先平整的場地鋪設拼裝平臺并用儀器找平，拼裝平臺如圖4 所示。

圖4 鋼桁架梁拼裝平臺示意圖

拼裝平臺采用寬枕木組成，長4500mm。拼裝鋼梁時，先將14 個（或更多）平臺平放地面上，要求各平臺要在同一水平面上，然后將各段鋼桁架吊至平臺上拼裝，拼裝驗收完后進行翻邊起吊。

長寬比較大的桁架翻邊比較困難，稍有控制不當，構件就會發生平面外屈曲。翻邊過程也要控制構件各部分內應力和變形在允許范圍之內，可利用應變能法進行建模分析。此桁架采用450t 履帶吊加2 臺25t 汽車吊輔助翻邊，以減少構件由于自重引起的大變形。輔助吊點選擇在離構件端部17.5m 處，見圖5。

圖5 鋼桁架翻遍現場圖

2.2.2 吊裝過程中主桁架強度、穩定性分析

（1）整體強度：將整個主桁架看作一個剛體，考慮吊裝過程較為緩慢，可以將桁架受力狀態近似為靜力狀態。分析得到主桁架最大彎矩在吊點2 處，主桁架在吊裝狀態下的彎矩如圖6 所示。根據桁架結構的彎矩圖，可計算出上下弦桿件中的最大拉壓應力，主桁架上下弦均采用HW300×300×10×15 型鋼，通過計算最大應力小于許用應力。桁架中剪力主要由腹桿承擔，根據計算校核也滿足要求。

圖6 鋼桁架彎矩圖

（2）局部強度：通常情況下，被吊桁架整體破壞的可能性較小，最容易出問題的往往在構件節點處。比如，吊裝節點處構件局部應力過大而導致局部屈曲破壞，從而導致整個結構的破壞。在此次主桁架吊裝中，吊點承受的豎向力主要作用在主桁架上弦型鋼上表面處。吊裝時如果用鋼絲繩捆綁在在吊點處，必然引起上弦桿的綁扎處應力集中，且上弦桿為型鋼，捆綁難度較大，軸向中心又不容易重合。根據此情況，特在上弦桿上表面設計制作吊耳（圖7），使豎直分力傳至腹桿；也可采用提高綁扎面寬度的方法，從而大大降低應力集中現象。另外，在型鋼上下翼緣之間設置加強筋，可大大提高局部強度。

圖7 吊點處吊耳制作圖

（3）整體穩定性：在制定吊裝方案時，不能僅憑經驗確定大跨度桁架結構的吊點及其分布，必須通過必要的分析和計算來確定。最重要的是在起吊過程中，桁架在保證平面內穩定條件下不發生平面外失穩。平面內穩定主要是驗算桁架的單個構件不失穩或不發生強度破壞，且在設計階段已考慮。平面外失穩是一個整體失穩破壞，與吊點的多少和分布有密切關系。且吊點越多，越不會發生平面外失穩。此次桁架吊裝，4 個吊點處均有軸向對向力（圖8），鋼絲繩拉力會產生垂直分力和水平分力。

此大跨度桁架由于是細長比較大的構件，軸線力可產生彎曲變形，側向穩定性不好，桁架容易失穩。桁架平面外穩定性可通過壓桿穩定性計算臨界壓力來校核。

圖8 桁架吊裝簡圖

在施工過程中，為防止鋼桁架在翻邊、吊裝時發生側向彎曲變形失穩，有兩種解決方法：一是制作扁擔梁，消除桁架軸向力；二中對桁架側向進行加固。通過各方面分析對比，側向加固的方法比較合理。具體施工如下：在桁架跨中約1/ 3 處，高度方向1/ 4、3/ 4 處側向固定兩根長30m 的I36a 工字鋼，并采用抱箍固定在桁架腹桿上,以強化桁架側向穩定性。

綜上所述，為了安全，桁架在翻邊起吊時必須嚴格控制起吊速度，以防止產生額外動載荷，從而導致結構失穩。

3 結論

南車主廠房鋼桁架于2012 年2 月按照施工方案進行施工，按照從右到左順序吊裝，9d 吊裝安裝完成。根據本工程實例淺談大跨度鋼桁架翻邊吊裝，從選擇吊點數量與布置，起重機械根據施工現場情況確定，到桁架整體平面內及平面外穩定性，以及桁架整體、吊點節點局部強度等各方面考慮分析，為相關大寬度桁架吊裝提供參考。