大跨度鋼桁架分段吊裝施工工藝的研究

張青山， 張永坡， 劉 杰

（天津三建建筑工程有限公司，天津300170）

隨著社會的發展，人們對生活空間的要求越來越高，公共建筑內的共享空間也越來越大，導致結構構件的跨度越來越大。對于大跨度構件來說，鋼結構特別是鋼桁架比普通的鋼筋混凝土結構更具有優勢[1]。大跨度鋼桁架結構對加工精度、安裝精確性、施工安全、焊接控制、變形監測等提出了更高要求。

大跨度鋼桁架施工可采用：高空散裝法、液壓整體提升法和分段吊裝法[2]。液壓整體提升法對施工操作要求高，施工人員較少；高空散裝法，施工工期較長，施工交叉作業難度大；在施工安全、節點工期、費用和人員等方面，分段吊裝法較另外兩種方法更具有優勢。分段吊裝法更易于操作，更加安全，節點工期能夠得到保證；吊裝機具租賃方便，較大型液壓提升設備更具有優勢；大跨度鋼桁架施工一般優先考慮分段吊裝法。因此，對大跨度鋼桁架的分段吊裝施工工藝進行深入的研究具有一定的實際價值和意義。

1 工程概況

天津生態城圖書檔案館主要為全現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系。其中南北出入口大臺階上方三、四層主結構位置處有跨度為31、34、39 m的大跨度鋼桁架，質量分別為76、95、125 t。鋼桁架弦桿及腹桿等為箱形構件，桁架高度5.4 m。見圖1。

圖1 桁架立面

桁架構件截面尺寸：□1 050 mm×700 mm×35 mm×50 mm、□1 050 mm×500 mm×35 mm×50 mm、□1 050 mm×500 mm×35 mm×35 mm，材質為Q345C。

2 施工重難點分析

1）鋼桁架最大跨度39 m、最大質量125 t，分段節點和起拱值設計需重點考慮。

2）鋼桁架下方為混凝土結構大臺階，對鋼桁架吊裝時支撐架體的搭設影響較大。

3）鋼桁架采用50 mm厚鋼板，厚度較大。焊接過程中產生的焊接變形和焊接殘余應力可能影響結構的安全和質量，需要對焊接殘余應力進行監測。

3 施工工藝

3.1 施工流程

鋼桁架所有鋼構件均在加工廠內制作完成并提前散件運至施工現場。

1）在地面鋪設拼裝平臺，使用50 t 汽車吊將大跨度鋼桁架分段在拼裝平臺上進行拼裝。

2）在混凝土結構達到強度要求后，在南北出入口大臺階上搭設支撐架體。

3）使用500 t汽車吊分三段吊裝大跨度鋼桁架。

3.2 鋼桁架分段及預起拱處理

以桁架3A 為例，桁架總長度39 m。桁架分段節點宜設置在受力最小的部位，即跨中1/3 位置處。上下弦桿分段節點互相錯開1 500 mm。鋼桁架兩端最外側腹桿采用散裝方法。

鋼桁架的跨度在31 m 以上，屬大跨度鋼桁架，故需要做預起拱處理。按照鋼桁架分段的特點，將鋼桁架的預起拱形式設置為折線形。桁架分段節點即為預起拱折線點。見圖2。

圖2 桁架分段及預起拱

3.3 桁架現場拼裝

3.3.1 拼裝胎架的設置

1）拼裝胎架必須滿足強度、穩定性的要求，同時要方便現場拼裝的需要。

2）為避免構件的二次搬運，拼裝場地的設置應盡量靠近桁架吊裝的位置，但又不能影響桁架的吊裝作業。

3.3.2 桁架拼裝要點

1）使用全站儀等儀器對桁架各個節點進行精準定位。將三段桁架同時拼裝，以避免各段桁架間的誤差。

2）為避免焊接應力集中及焊接變形，桁架焊接時采取合理的焊接順序。鋼桁架整體的焊接順序為中間向兩邊進行焊接，構件對接焊口采用對稱焊接的順序。

3）桁架拼裝完成后，首先去除桁架上的所有定位點，使之處于自由狀態；再測量桁架的尺寸[2]。

3.4 支撐架體的設置

支撐架體的布設共有兩種方式：

1）搭設滿堂紅支撐腳手架；

2）格構式獨立支撐架體。

由于本工程支撐架體布設在大臺階上且大臺階下方空間較小無法進行架體回頂，不能滿足在大臺階上方搭設滿堂紅支撐架體的需求，故最終確定選擇格構式獨立支撐架體。見圖3。

圖3 大臺階結構立面

格構式獨立支撐架體所有構件均為鋼管，規格尺寸為1 m×1 m×1.5 m。見圖4。

圖4 支撐架體

為保證主結構在鋼結構吊裝時不受損壞，在支撐架體下面設置厚鋼板。為保證施工安全，需用攬風繩固定支撐架體。攬風繩一端與支撐架體頂部固定，另一端與預先設置在臺階上鋼筋彎勾固定。

3.5 分段吊裝施工要點

3.5.1 吊裝設備選擇

吊裝設備的選擇時，考慮現場所有不利條件。

根據現場實際情況分析吊裝最不利工況：吊裝半徑15 m，吊車臂桿長度28 m；桁架分段最大質量44.21 t，動載系數取1.3，故吊裝質量為44.21×1.3=57.5（t）。

根據汽車吊性能：500 t汽車吊在此工況下能夠滿足吊裝要求，故選擇500 t汽車吊進行分段吊裝作業。

3.5.2 分段吊裝作業

1）起吊。吊裝前檢查鋼桁架及吊點、卡扣，滿足要求后使用汽車吊將平放在平臺上的桁架吊起至豎直狀態。然后緩緩將桁架吊起，至下弦桿距地面500 mm時停止提升，再次檢查汽車吊及鋼桁架、地基等吊裝狀態。經檢查無異常情況后，進行后續吊裝作業。

2）吊裝就位。鋼桁架分段吊裝，按照先遠后近、先兩頭后中間的原則進行。

兩側段鋼桁架吊裝就位后，使用兩臺全站儀（相互保持90°）對桁架的標高、軸線進行測設并調整桁架的相應標高及位置，使誤差保持在規范允許范圍內[3～4]。調整完成后在上下弦設置攬風繩，使鋼桁架豎向保持穩定，再吊裝中間段桁架[5]。

3）焊接控制。通過選擇合理的焊接順序、調整坡口角度、調整焊接參數、焊前預熱、焊后熱處理等方法[6]減小焊接過程中的殘余應力及焊接變形，盡可能減小焊接過程中的不利因素的影響。

鋼桁架構件現場接焊采用多層多道焊，每層（每道）焊縫的焊接同時由兩名焊工從兩側對角線位置按照相同的方向（順時針或逆時針）對稱焊接。上下兩層（兩道）焊縫的焊接方向相反。

適當減小焊口坡口角度，對焊接殘余應力有一定的改善。

4 焊接殘余應力監測

鋼構件焊接過程中均會產生殘余應力和焊接變形，焊接殘余應力和焊接變形過大直接影響結構的安全和質量。焊接殘余應力太大可能會使得柱端混凝土拉裂，影響結構的承載力和正常使用，因此需要對焊接殘余應力進行分析和監測，避免焊接殘余應力過大。

4.1 應力監測

實時監測應力，也可每隔10 s 監測一次，具體監測次數，應力監測人員可隨機調整。

4.2 溫度監測

溫度監測每隔20 s 或30 s 監測一次，具體監測次數，溫度監測人員可隨機調整。

5 結語

大跨度鋼桁架分段吊裝施工工藝的應用最大限度地實現了設計的意圖、保障了工程的工期、節省了相應的費用，使鋼結構及整個混凝土主體結構的質量得到了保證，取得了良好的社會及經濟效益。本文重點探討了大跨度鋼桁架的分段吊裝施工工藝，為以后類似的工程提供一定的參考。□■