大跨度H型及箱型鋼梁吊裝施工技術

王平，劉上鑫，吳碧蓮，郭永旺，涂魏矯

（北京建工四建工程建設有限公司，北京 110103）

0 引言

隨著經濟和社會發展，體育場館建設越來越多，由于要滿足各種體育活動的需求，設計常采用大跨度鋼梁來提升空間，這對施工技術提出了更高的要求。針對大跨度鋼梁安裝提出“構件高空散裝+支撐鋼架+支撐鋼架移動軌道”的吊裝方法，預先制定出吊裝施工的具體專項方案，并對其可行性與安全性進行論證，是施工順利進行的關鍵步驟。國內外許多專家與學者對大跨度鋼梁的安裝做了深入研究，取得了大量研究成果，本文基于實際項目對大跨度H型以及箱型鋼梁的吊裝施工技術進行分析。

1 工程概況

項目工程位于北京市豐臺區花鄉鎮樊家村，南側臨近馬草河，東側臨近郭公莊路，北側為康辛路，其中8#樓單體為框架結構的體育館，建筑高度為36m。項目二、六層為大跨H型鋼梁和箱型鋼梁，H鋼梁規格為H1900x650x36x36，箱型鋼梁規格為□1600x400x30x30，鋼梁跨度為32.2m；二層與四層大跨鋼梁共26根，其中H鋼梁分為4段，箱型鋼梁分為5段，二層大廳高13.8m，四層大廳高10.9m。二、四層大跨鋼梁平面布置圖如圖1所示。

圖1 二、四層大跨鋼梁平面布置圖

2 施工重難點

（1）二層、四層鋼梁跨度為32.2m，受運輸與吊重限制需合理分段，現場對接精度要求高。

（2）鋼梁自重較大，鋼梁在自重和其他荷載下會出現下撓的現象。

（3）在塔吊使用受限制的情況下需注意安全移動支撐架的問題。

（4）鋼結構主要的連接方式為焊接，大量運用會引起構件變形。

3 施工方案

大跨鋼梁的施工方法有很多，主流的有：高空原位安裝技術[1]、單根鋼梁提升技術、提升結合滑移安裝技術[2]等。根據工程實際情況，體育館的四周未回填，不宜使用汽車吊，而塔吊最大起重參數為10t，綜合這些情況，施工現場采用高空散裝的施工技術。吊裝施工流程如下：放置臨時安裝措施架→綁扎起吊→穿入安裝螺栓→測量調整鋼梁標高（中間段起拱）→用高強螺栓替換安裝螺栓→高強螺栓終擰→鋼梁焊接→鋼梁超聲波探傷（探傷合格）→臨時安裝措施架移除。

3.1 臨時安裝措施架制作

施工過程充分結合BIM施工過程模擬情況，在大梁斷開處設置臨時支撐架；臨時支撐架由工字鋼通過大六角螺栓和焊接的方式組裝而成，支撐底部為鉸接鏈接，節間鏈接為剛接。構件材質均為Q235B，立柱和橫梁均為H200x100x6x10，斜向撐桿為L75x5。其規格為2000mm x2000mm的井字架，高度為8.78m和9.08m。支撐架井字架構造圖[3]如圖2所示。

圖2 支撐架井字架構造圖

3.2 臨時安裝措施架放置與移動

大跨度鋼梁安裝中，臨時支撐架作為鋼梁重力的承載架，需要把鋼梁的重量均勻傳遞到混凝土樓板上，同時支撐架在樓板上需按指定路線移動，在井字架下方添加移動導軌，使用卷揚機固定在前方柱子上，拉動支撐架在導軌上移動，并用塔吊扶著支撐架，防止支撐架傾斜。

在與支撐架移動的平行方向焊接槽鋼，槽鋼開口朝上，以避免移動時支撐架與混凝土樓面產生較大摩擦，同時也有利于在承受荷載時分散荷載，保證結構的安全性。支撐架一共設置10個，采用流水式施工方法。當一根鋼梁安裝完成24小時后進行探傷檢測，檢測合格后卸載，再移動支撐架進行下一組鋼梁的安裝，循環往復，每層大跨鋼梁（13根鋼梁）的安裝用時15天即可安裝完成。臨時支撐架的安裝布置圖如圖3所示。

圖3 臨時支撐架平面圖

3.3 鋼梁吊裝

受場地影響，200t以下汽車以及大型吊車均不能滿足現場起吊鋼梁要求，故采用6#號塔式起重機（C7050），8#樓體育場范圍全覆蓋。塔式起重機塔尖最大起吊重量為15t,構件最大重量為10t,滿足使用要求。

鋼梁吊裝的過程為從北向南依次進行吊裝。為確保鋼梁拼裝成一條直線，采用水準儀測量腹板南北方向是否在同一條直線上；鋼梁高度位置采用全站儀進行測量調整，鋼梁就位后不摘鉤，進行鋼梁的標高調整；調整完畢后，用角鐵將鋼梁下翼緣與支撐架固定，防止在拼裝下一段鋼梁時發生移位。

3.4 鋼梁預起拱

由于鋼梁采用現場安裝焊接，跨度較大且每根自重達32t，且鋼梁上還有120mm的鋼勁混凝土，考慮到鋼梁會因為荷載的原因出現下撓情況，為避免鋼梁在受到自重與混凝土的重量影響下而出現下撓的現象，鋼梁在安裝時應采取預起拱的措施，預起拱高為2cm；起拱位置為鋼梁長度方向的中間位置，鋼梁上翼緣整體呈弧線形，最高位置與最低位置高差為2cm。

3.5 臨時支撐受力極限分析和極限承重模擬

計算荷載模型假定該工程支撐架上部承受總計8t的鋼梁荷載，分攤在頂部四根橫梁上，每根承受20000N荷載，另外考慮了臨時支撐各構件自重荷載。分析分為兩種情況：（1）不考慮風荷載；（2）考慮風荷載。北京地區基本風壓為0.35kN/m2，分布于立柱上，則正面線荷載為0.8×0.35×2.2/2=0.3kN/m；背面線荷載為0.5×0.35×2.2/2=0.2kN/m，分左風和正面風分別施加，并與上端面荷載組合1.3D+1.5W。

3.5.1 不考慮風荷載

（1）SAP2000計算結果

變形結果：頂部變形最大，其中頂部橫梁變形最大為1.36mm，小于橫梁彈性變形限值2200/400=5.5mm；其他構件變形均小于1mm，滿足要求，如圖4所示。

應力計算結果：頂部應力最大，橫梁最大應力為53.38MPa，立柱最大應力為29.15MPa，斜撐最大應力為20.2MPa，均小于Q235B的設計應力205MPa，滿足要求，如圖5所示。

圖5 支撐架失效模型

（2）節點中間支座純剪切計算

3.5.2 考慮風荷載

（1）SAP2000計算結果

變形結果：頂部變形最大，無論X向還是Y向均沿垂直于支撐所在面的方向發生側移，最大可達10mm。應力計算結果：頂部應力最大，橫梁最大應力65.77MPa，立柱最大應力32.76MPa，斜撐最大應力25.57MPa，均小于Q235B的設計應力205MPa，滿足要求，如圖6、圖7所示。

圖6 支撐架失效模型圖

圖7 支撐架失效時水平偏移

（2）手算節點

根據構件內里分析，1.3D+1.5XW，支座部位鋼柱均受壓，最大剪力5190N，最大壓力65925N；1.3D+1.5YW，支座部位鋼柱均受壓，最大剪力4928N，最大壓力67778N。則根據計算假定，一個S10.9級高強螺栓規格為M20，摩擦系數0.4，得155000×0.9×1×0.4=55800N，因此每個柱腳至少需要1個高強螺栓。

支撐架在施工過程中最大受力狀態下的變形模擬如圖8。

圖8 受力云圖

3.6 鋼結構焊接與卸載

針對泵工程焊接需求，采用“手工電弧焊+二氧化碳氣體保護焊”的組合焊接方法。由于二氧化碳保護焊焊絲較細，電流較大，熱量集中，熱影響區較窄，焊接變形較小，故二氧化碳氣體保護焊主要運用于焊縫的正式焊接[4]。焊接時嚴格按照工藝評定的焊接參數進行焊接施工，鋼梁截面較大的位置采用2人對稱焊接的方式，同時施工前必須預熱以減少應力產生。焊接順序為由北向南依次進行焊接，有利于焊接應力的釋放，同時鋼梁的兩端與鋼柱連接采取鉸接的方式進行連接，此設計有利于減少焊接應力對結構的影響。

鋼梁卸載前，焊縫必須進行超聲波探傷，合格之后再卸載。卸載之后進行標高復測，觀測鋼梁復位情況，卸載之后還有一定的起拱量，這是因為樓板混凝土還未打，所以還存在起拱量；當混凝土樓板澆筑完之后，再次進行鋼梁的標高測定。

4 BIM技術運用

鋼結構施工前期采用Tekla進行構件深化，通過三維軟件進行可視化交底。施工過程中運用BIM技術進行施工模擬，更好地對“構件高空散裝+支撐鋼架+支撐鋼架移動軌道”的吊裝方法進行驗證，及時更改方案中不合理的施工方法以及施工工序，從而有效控制施工成本，同時在結算過程中更能精確導出各種鋼材的使用量，從而降低預算人員因為計算原因造成的額外損失。

5 經濟效益分析

與采用大型塔吊、吊車相比，采用“構件高空散裝+支撐鋼架+支撐鋼架移動軌道”進行散拼可以節約大量資金。大跨度鋼梁一共26根，在整個單體建筑中所占吊次較少，故采用設立大型塔吊的方式不合理；由于場地限制，可設立吊車位置距離安裝大跨度鋼梁的位置較遠，要滿足吊裝鋼梁的需求，只能使用500t吊車，而采用支撐架進行施工，可節約高昂的施工機具費用。本技術與采用大型塔吊、吊車的費用分析見表1。

表1 經濟分析表

6 結論

在實際施工過程中采用高空散拼進行大跨度鋼梁安裝的方法比較傳統，在施工工期較短、施工場地受限的施工場景中，運用支撐架輔助進行散拼的施工方法在施工項目中依然較為常見。在大跨度H型以及箱型鋼梁廣泛運用于體育場、商場等公共建筑中的情況下，通過對“構件高空散裝+支撐鋼架+支撐鋼架移動軌道”的施工技術進行歸納總結，可為以后大跨度H型以及箱型鋼梁的吊裝施工提供相應的技術參考。