不對稱人字形箱體式管桁架吊裝施工技術

丁亞飛 黃 瑞 李 媛

甘肅第六建設集團股份有限公司 甘肅 蘭州 730000

隨著施工技術的發展，越來越多的大跨度鋼結構[1]工程開始采用吊裝的施工方法，包括分段吊裝和整體吊裝等。雖然此施工方法簡便高效、綠色環保，但技術含量高，專業性強，施工難度大，工程事故頻發，在施工中遇到的許多問題沒有得到系統的研究和解決，比如在施工過程中，結構可能會失去平衡而傾覆，或者失去穩定而倒塌，也可能成形后的結構與設計狀態相差甚遠。關于這些問題，一些學者進行過研究：朱易舉等[2]報道了復雜空間管桁架結構現場拼裝及吊裝施工技術，采用在地面拼裝成榀，再吊裝至高空胎架定位、就位組裝的施工技術；楊文偉等[3]報道了鋼管桁架的現場拼裝、轉換桁架臨時支撐的搭設、高空散拼、放射狀主桁架整體吊裝等施工技術；顏衛亨等[4]在管桁架整體吊裝階段需要考慮的計算工況的基礎上，建立有限元模型，得出在綜合考慮施工條件下的合理吊點；張偉等[5]公開了大跨度不對稱矩形空間扭曲管桁架的吊裝方法，找出了桁架施工圖中扭曲狀態下的空間重心位置；張立平等[6]報道了空間管桁架結構優化施工技術，通過建立工程三維模型，計算出吊裝工件的重心，并做出吊點；程勤功等[7]報道了大跨度變截面拱形立體管桁架施工技術，吊點的選擇在目前的工程項目中要基于施工跨度、起重量、工程受力均衡等情況進行綜合分析；楊敏等[8]公開了一種用于拱形立體管桁架落地段安裝調節、固定裝置，可對大跨度拱形立體管桁架落地段臨時固定及高空拼裝的間隙進行調整。

綜上所述，國內雖對復雜空間管桁架、屋面大跨度鋼管桁架的施工進行了一定研究，但本項目的不對稱人字形箱體式管桁架采用了帶檁條、馬道整體吊裝的施工方法，即通過控制結構變形及傾覆的吊點優化組合能量分析法，確定不對稱人字形箱體式管桁架最佳吊點，以實現平穩安全吊裝的方法，國內未見相同報道。

本文以定西市某縣體育館管桁架結構屋蓋施工安裝工程為研究對象，分析了施工中遇到的關鍵技術問題，并提出相應的解決方案，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況及重難點分析

1.1 工程概況

定西市某縣全民健身體育館建設項目，建筑物地上1層，局部3層，建筑面積8 850 m3。屋蓋共布置11榀不對稱人字形管桁架，每榀桁架由15節組成，質量約60 t，跨度62.85 m，矢高10.87 m，厚度3.6 m，矢跨比1∶5.77。每榀桁架兩端支座間存在高差，管桁架最高點標高26.1 m。桁架間凈距275 mm，采用系桿、法蘭連接。

1.2 重難點分析

1）屋蓋上下弦桿為φ325 mm×12 mm圓鋼管，腹桿由φ245 mm×12 mm、φ219 mm×6 mm、φ168 mm×6 mm圓鋼管組成，單榀桁架跨度大、質量大。

2）桁架形式為人字形箱體式管桁架，由2種管桁架交替布置，分別為GHJ1（拐點在8～9節之間）、GHJ2（拐點在10～11節之間），沿長度方向不對稱，與一字形桁架相比，吊裝穩定性差。

3）G H J 1、G H J 2兩端支座高差分別為2.4 7 6、2.987 m，且采用系桿、法蘭連接，連接處凈距只有275 mm，與大多數采用次桁架連接且兩端無高差的桁架相比，吊裝難度更大。

4）桁架上設46根H200 mm×100 mm×4.5 mm×6 mm檁條，檁條之間設拉桿，檁條與支托間焊接連接。桁架下部縱橫向共設置5道檢修馬道，全長242 m，馬道與桁架之間采用耳板、螺栓連接，高空作業多、作業難度大。

2 工藝原理

結合不對稱人字形箱體式管桁架自身特點，采用單臺履帶吊跨外吊裝。桁架在地面拼裝時，焊接檁條、組裝馬道。通過控制結構變形及傾覆的吊點優化能量分析方法，確定管桁架的最佳吊點位置。在吊裝前，利用計算機技術模擬吊裝過程以指導施工。

在加工制作時，通過試驗對桁架長向進行預收，控制桁架就位時的下撓變形。在吊裝過程中，通過鋼絲繩倒U形連接，保證鋼絲繩均勻受力，并采取“分東西2段吊裝，及時進行桁架間法蘭螺栓初擰，全部吊裝完成后進行終擰”的總體施工方法。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

方案選擇→吊裝模擬→管桁架現場加工制作→管桁架翻身擺放→管桁架焊接檁條、組裝馬道→行走路線→球形支座安裝→吊車進場組裝掛鋼絲繩、連接管桁架吊點→試吊、調整→行走至最終站位→管桁架吊裝就位→拆除吊帶→繼續下一榀桁架吊裝→管桁架連接固定→檢測、試驗

3.2 操作要點

3.2.1 方案選擇

1）總體方案確定：分析管桁架自身特點、現場作業條件及比較后，采用現場拼裝，帶檁條、馬道由1臺履帶吊進行吊裝。

2）吊裝順序：為減少履帶吊轉運次數，吊裝自中部10—11軸桁架開始，分東西2段進行，即先吊裝東側5榀桁架，再吊裝西側6榀桁架，如圖1所示。

圖1 桁架吊裝順序

3）起重機選擇：結合吊裝質量、吊裝高度、工作幅度，選取400 t履帶吊（帶250 t超起配重）并對吊車站位區域進行確定。

4）計算復核、選取最佳吊點：通過結構力學知識計算整個桁架的重心位置，人字形桁架采用八點起吊，分別在重心兩側各布置4個吊點，鋼絲繩合力通過桁架重心，合力作用點在桁架重心上。

通過上述方法選取了3種可能的吊點位置。運用Midas Gen對3種吊裝方案中桁架桿件受力、變形進行分析，同時對桿件應變能進行計算對比，選取桿件應變能最小的吊點方案作為最佳方案，吊點均位于桁架上弦節點上，如圖2、圖3所示。應變能的計算公式如式（1）所示。

圖2 GHJ1桁架吊點布置

圖3 GHJ2桁架吊點布置

式中：u——能量的變化量；

σi——鋼管的應力；

Fi——鋼管的內力；

E——彈性模量；

l0——鋼管的計算長度。

5）鋼絲繩型號及吊具選擇：通過Midas Gen軟件建立桁架的受力模型，計算出鋼絲繩的內力，選取鋼絲繩型號，鋼絲繩的安全系數取6～8；吊具選取8根25 t合成纖維吊帶。

3.2.2 吊裝模擬

利用Revit軟件建立主體結構框架及管桁架模型，利用Rhino軟件按吊車外形尺寸進行1∶1建模。選取吊車站位點，調整臂桿角度，調整旋轉角度模擬吊車臂桿運動過程，觀測吊裝過程中臂桿與結構梁、柱的碰撞情況。通過模擬確定吊車的最終站位和吊裝運動軌跡，確保與主體框架結構不碰撞，記錄模擬參數。通過計算機模擬，桁架就位時，吊臂與桁架最近距離1.6 m，大于安全距離0.2 m，不會抗桿。

3.2.3 管桁架現場加工制作

1）桁架以拐點為界分左右2段，在胎架上由一端向另一端進行拼裝，先主管后腹桿，由雙數名焊工同時對稱施焊，保證相貫線焊縫質量。

2）半榀桁架加工完成后，在總拼平臺上放角度線，墊50 cm枕木并找平。2種形狀鋼桁架理論下撓延展尺寸為38、32 mm，經現場2個月放置試驗，實際下撓延展最大值為18 mm；最終確定在總裝時預收10～15 mm。

3.2.4 管桁架翻身擺放

由1臺75 t汽車吊、1臺100 t汽車吊相配合對平放狀態下的桁架進行翻身，四點起吊。2臺汽車吊位于桁架一側，將桁架緩慢翻身，放至墊木上。然后根據吊裝順序，采用八點起吊將桁架轉運擺放至預定位置。

3.2.5 管桁架焊接檁條、組裝馬道

半榀管桁架拼裝完成后，定位檁托并焊接。吊點處檁條待桁架吊裝完成后再進行焊接，以免吊裝時該處檁條磨損吊帶。檁條焊接完成后進行馬道組裝，完成后，由手拉葫蘆配合汽車吊吊至安裝位置進行安裝。

3.2.6 行走路線

根據混凝土結構高度、吊車工作性能參數及桁架的位置、質量等確定行走路線及站位。

3.2.7 球形支座安裝

復核預埋件位置后，安裝球形支座，為避免桁架就位時沖擊鉸支座，在上下座之間用寬30 mm、厚10 mm的連接板焊接固定。球形支座上三面焊定位板，對桁架就位位置進行控制，具體做法如圖4所示。

圖4 球形支座連接板、定位板示意

3.2.8 吊車進場組裝、掛鋼絲繩、連接管桁架吊點

履帶吊進場后進行組裝，然后不帶超起配重行走到桁架20 m幅度范圍內，吊鉤掛鋼絲繩、連接鋼絲繩和吊帶，吊帶從管桁架的上主弦桿節點穿過并固定；在桁架兩端上弦節點處掛上4根溜繩用以輔助桁架轉向、就位。

綁扎時，8個吊點采用“6根鋼絲繩，下四上二”的綁扎方法，每根鋼絲繩均采用倒U形連接，如圖5所示。通過這種綁扎方法，能使鋼絲繩在起吊時通過重力自平衡全部張緊，均勻受力。

圖5 吊點鋼絲繩倒U形連接示意

3.2.9 試吊、調整

試吊過程中密切觀察管桁架與吊帶的連接處，如發生異常情況，立即停止起吊；如一切正常，緩慢起吊離開地面200 mm，停止起吊，并用溜繩控制管桁架的擺動。桁架在空中懸掛5 min，一切正常后，開始正式起吊。

3.2.10 行走至最終站位

履帶吊提著桁架，間斷轉向、緩慢行走至最終站位，行走過程中始終保持桁架平穩。

3.2.11 管桁架吊裝就位

掛好超起配重，拉好溜繩，緩慢起吊，起吊過程中回轉、變幅（回轉與變幅不得同時進行）。當桁架穿越主體結構上空時，桁架一端溜繩控制人員位于建筑物外側，另一端溜繩控制人員位于建筑物內側，指揮400 t履帶吊往管桁架安裝位置上回轉，過程中保證桁架平穩轉動，并嚴格監護好管桁架不要碰撞其他設備、吊車扒桿或建筑物。

管桁架吊至支座上方時，吊車緩慢移動桁架，人工輔助使桁架較低一端支座準確對中，緩慢下落至球形支座定位板范圍內，桁架支座與定位板之間的縫隙用鋼墊板塞實，然后按照同樣的方法，使桁架另一端就位。桁架就位后先與支座點焊接進行臨時固定，并復核桁架支座位置，無誤后，將塞實的鋼墊板取掉，吊車卸載90%，使桁架釋放應力、自由延展，待桁架完全靜止之后，再與支座滿焊固定。

3.2.12 拆除吊帶

桁架固定后，吊車完全卸載，作業人員通過安全爬梯到達管桁架上，在管桁架上弦內側鋪設的腳手板走道上行走至吊帶位置，拆除吊帶，將鋼絲繩安全放置在基本與吊鉤豎向方向一致的位置，然后開始脫鉤。

3.2.13 繼續下一榀桁架吊裝

在第2榀桁架吊裝時要注意兩榀桁架之間的凈距非常小，時刻控制溜繩以防止碰撞。

3.2.14 管桁架連接固定

兩榀桁架吊裝完成后，測量桁架側向彎曲值。此時連接縱向系桿法蘭螺栓，對螺栓進行初擰。11榀桁架全部就位后，從一側向另一側緊固縱向系桿法蘭螺栓。

3.2.15 檢測、試驗

對桁架外形尺寸、側向彎曲值進行現場檢測，桁架焊縫按設計要求經超聲波探傷檢測。

4 結語

1）采用現場拼裝，帶檁條、馬道由單臺履帶吊吊裝的施工方法，避免了現場倒運，減少了高空作業，提高了桁架加工制作精度，增加了吊裝整體剛度。

2）通過控制結構變形以及傾覆的吊點優化能量分析的方法，確定了管桁架的最佳吊點位置，減少了桁架的試吊次數。

3）吊具選用合成纖維吊帶，其為柔性材料，無需設計專用夾具，直接在管桁架上弦節點處綁扎即可，且合成纖維吊帶質量只有同等載荷的鋼絲繩索具的20%。

4）采用BIM技術建立桁架吊裝模型，進行仿真模擬，將整個屋面桁架按吊裝順序在虛擬場景中進行預吊裝，確定每榀桁架吊車的最終站位和吊裝運動軌跡，確保與主體框架結構不碰撞，記錄模擬參數，用于指導施工，實現安全吊裝。

5）通過試驗，測量桁架在自身重力下的下撓延展值，在實際拼裝過程中，采取預收的措施，控制桁架吊裝就位后的下撓變形值。

6）8個吊點采用“6根鋼絲繩，下四上二”的綁扎方法，每根鋼絲繩均采用倒U形連接。其能使鋼絲繩在起吊時通過重力自平衡全部張緊，均勻受力，杜絕了個別鋼絲繩受力過大，發生斷裂的風險。