某改造項(xiàng)目大跨度高空鋼結(jié)構(gòu)安裝施工技術(shù)*

柯江華，張宏磊，謝心謙，趙亞鵬，郭金鵬

(1.中天建設(shè)集團(tuán)有限公司第四分公司，北京 101113； 2.北京中天北方建設(shè)有限公司，北京 101113)

1 工程概況

北京市朝陽(yáng)區(qū)來(lái)廣營(yíng)拆除和改造項(xiàng)目總建筑面積為122 627m2，建筑高度22.8m,地上4層,地下3層(見(jiàn)圖1)。建筑原為商場(chǎng)，因建筑功能提升、部分格局改變，需拆除與加固改造主體結(jié)構(gòu)。本工程位于北京市市區(qū)，外部人流密集、場(chǎng)內(nèi)空間狹小，大跨度鋼梁運(yùn)輸和安裝成為鋼結(jié)構(gòu)施工的重要制約因素。

圖1 整體建筑效果

根據(jù)結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)方案，本工程需要在屋頂原混凝土結(jié)構(gòu)上開(kāi)設(shè)27m×27m的中庭采光洞口，洞口上需安裝3根H型鋼梁，作為采光頂棚支撐。鋼梁1截面為H1 350×500×20×60，鋼梁2截面為H650/450×400×20×40(梁截面中間進(jìn)行加高)，主梁跨度27m，其中鋼梁1重約22.01t，鋼梁2重10.1t。每個(gè)洞口安裝33根次梁，次梁截面為H500×250×12×25，跨度3m。

2 工程難點(diǎn)

1)中庭洞口面積較大，且位于原結(jié)構(gòu)中央部位，距離結(jié)構(gòu)邊緣最近距離27m，安裝高度為23.5m，周?chē)鷪?chǎng)地狹小，場(chǎng)區(qū)可利用空間較少。

2)鋼梁最大高度達(dá)1.35m，單根構(gòu)件最重約22.01t，質(zhì)量較大。屋面安裝高度較大，施工過(guò)程中受風(fēng)力影響較大，吊裝困難。

3)中庭第2，3層采光洞口已拆除，無(wú)法提供結(jié)構(gòu)操作平臺(tái)。

4)鋼梁支座設(shè)置在原混凝土結(jié)構(gòu)上，支座底板為400mm×600mm×40mm，中間呈球狀凸起，如圖2所示，安裝精度要求較高。

圖2 安裝支座節(jié)點(diǎn)

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 施工方案選擇

1)起重機(jī)吊裝散拼法 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在工廠按照深化圖進(jìn)行拆分加工，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)完成鋼結(jié)構(gòu)梁拼裝后，使用起重機(jī)吊運(yùn)至安裝位置，再將次梁吊裝就位后進(jìn)行安裝。經(jīng)計(jì)算，此方法需要500t以上起重機(jī)才滿足吊裝要求，但使用大型起重機(jī)需較大空間進(jìn)行架設(shè)，而現(xiàn)場(chǎng)可使用場(chǎng)地有限，無(wú)法滿足吊裝需求。

2)室內(nèi)整體提升法 將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件拆分后吊運(yùn)至2層樓板，整體在2層樓板位置完成拼裝。根據(jù)總質(zhì)量和高度，分別設(shè)置4～6個(gè)起重吊點(diǎn)，將構(gòu)件整體提升至安裝位置。此方案吊裝質(zhì)量較小，但對(duì)提升吊點(diǎn)的要求較大，而且提升高度較大，施工難度較大。

3)整體滑移法 在屋頂上分別設(shè)置多個(gè)組裝區(qū)，先在第1個(gè)組裝區(qū)組裝完成1跨，再整體滑移至第2組裝區(qū)，然后組裝下一跨。按上述流程循環(huán)作業(yè)，直至完成施工。本方法吊裝質(zhì)量小，可充分利用屋頂原結(jié)構(gòu)空間，但因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)整體較重，對(duì)原結(jié)構(gòu)所能承受的荷載要求較高。經(jīng)計(jì)算，原結(jié)構(gòu)不滿足承載力要求，所以本方法無(wú)法實(shí)施。

4)主、次梁分次滑移法 將鋼梁主梁構(gòu)件分3段運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，再分別使用起重機(jī)吊裝至屋面。在樓頂中庭洞口西側(cè)的胎架上組裝主梁，并于洞口南北兩側(cè)鋪設(shè)滑移軌道，然后利用載重小坦克與卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引滑移至安裝位置。為保證方案順利實(shí)施，主梁滑移過(guò)程中，牽引裝置采用雙速電動(dòng)葫蘆進(jìn)行同步控制，使主梁兩端勻速滑動(dòng)。主梁安裝完成后，在中庭洞口南北兩側(cè)布設(shè)滑索支座，采用鋼絲繩做滑索，將次梁滑移至安裝位置就位。經(jīng)計(jì)算，50t起重機(jī)即滿足吊裝要求。

經(jīng)整體考慮現(xiàn)場(chǎng)工況及進(jìn)度計(jì)劃要求，決定采用主、次梁分次滑移法施工，此方案具有可操作性，施工靈活，滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

3.2 鋼梁滑移支座設(shè)計(jì)

經(jīng)計(jì)算，本工程最大截面H型鋼主梁自重約22.01t，兩端支座壓力分別為110kN，設(shè)計(jì)滑移支座如圖3所示，由立柱、斜撐、底部橫梁及連接吊臂組成，所有構(gòu)件均采用H型鋼，各構(gòu)件采用焊接連接。

圖3 鋼梁滑動(dòng)支座設(shè)計(jì)模型

支座下設(shè)置3個(gè)載重小坦克，每個(gè)小坦克額定載重12t，滿足支座承載要求?；栖壍啦捎貌垆撨M(jìn)行鋪設(shè)，施工時(shí)采用雙速電動(dòng)葫蘆同時(shí)牽引鋼梁兩端支座，保證鋼梁按設(shè)計(jì)路線平穩(wěn)行進(jìn)。

滑移軌道鋪設(shè)在中庭洞口南北兩側(cè)原結(jié)構(gòu)梁上，軌道底部設(shè)置T形鋼支撐，間距0.5m，鋼支撐采用M20化學(xué)錨栓固定在原結(jié)構(gòu)上，軌道使用[12.6，肋朝上設(shè)置。鋼梁滑移軌道設(shè)計(jì)模型如圖4所示。

圖4 鋼梁滑移軌道設(shè)計(jì)模型

3.3 鋼梁滑動(dòng)支座分析

支撐結(jié)構(gòu)承受垂直方向荷載及水平方向荷載，垂直方向荷載主要由立柱承擔(dān)，包括鋼梁自重荷載、支座結(jié)構(gòu)自重荷載及施工荷載。水平方向荷載主要由斜向支撐承擔(dān)，包括牽引產(chǎn)生的動(dòng)荷載及風(fēng)荷載。鋼梁受力如圖5所示。

圖5 鋼梁滑移計(jì)算受力分析

如模型所示，支座立柱為抗壓構(gòu)件，軸向力為110kN。設(shè)計(jì)立柱截面為H200×100×7×11.4。經(jīng)計(jì)算，立柱最大承載力為為641kN，滿足承載力要求。

鋼梁重22.01t，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，限定滑移速度≤1m/min?，F(xiàn)場(chǎng)采用雙速電動(dòng)葫蘆進(jìn)行牽引施工，電動(dòng)葫蘆額定功率為500W，計(jì)算最大牽引力為10kN，斜支撐傾斜角度為30°，經(jīng)計(jì)算，傳遞給斜支撐的力為20kN。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，風(fēng)力<3級(jí)時(shí)才允許滑移施工。3級(jí)風(fēng)對(duì)應(yīng)風(fēng)荷載取0.02kN/m2，考慮建筑高度、構(gòu)件體型系數(shù)及風(fēng)振系數(shù)，施工時(shí)風(fēng)對(duì)每個(gè)支座產(chǎn)生的荷載約0.95kN。

斜支撐設(shè)計(jì)為H200×100×7×11.4。經(jīng)計(jì)算，斜支撐可承受的最大荷載約603kN，滿足承載力要求。

出于安全考慮，利用有限元分析軟件，分析鋼梁整體滑移過(guò)程中牽引動(dòng)力和自身重力共同作用下的滑移支座安全穩(wěn)定性，經(jīng)計(jì)算，滑移支座各桿件應(yīng)力比均<0.5，滿足承載力要求。

3.4 次梁滑移方案設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)主梁安裝完畢后施工次梁，滑移軌道利用鋼索進(jìn)行設(shè)置，鋼索直徑為28mm，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度為1 550MPa，最小破斷拉力為378kN。次梁兩端分別設(shè)置1根鋼索，并在鋼索上設(shè)置吊具，將次梁固定于吊具上，通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引至安裝位置后進(jìn)行安裝。

施工時(shí)，鋼索兩端固定于固定支座上。經(jīng)計(jì)算，H型鋼次梁自重約0.42t，估算鋼索荷載后，采用H型鋼制作固定支座，由立柱、斜撐、撐桿焊接組成，各桿件利用化學(xué)錨栓固定于原屋面結(jié)構(gòu)上，以保證制作承載力。

3.5 次梁滑移懸索和固定支座分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，鋼索跨度為27m，安裝于固定支座上后，跨中最大垂度約1m。鋼索自重約2.75kg/m，依據(jù)JGJ 257—2012《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行計(jì)算，鋼索在安裝時(shí)所受軸力約10.77kN。懸索是柔性的，不能抗彎和抗壓，只能受拉，因此懸吊次梁時(shí)，懸索結(jié)構(gòu)將次梁集中荷載轉(zhuǎn)變?yōu)閼宜鲝埩?，再將張力傳到支座上?/p>

由于鋼梁吊裝荷載為集中荷載，而規(guī)范中無(wú)明確對(duì)索結(jié)構(gòu)集中荷載的計(jì)算方式，因此設(shè)計(jì)時(shí)采用等效換算的方法估算鋼索軸力與支座反力：

F=(P/G+1)F1

(1)

式中：F為吊裝時(shí)的鋼索軸力；P為鋼梁集中荷載；G為鋼索自重；F1為安裝時(shí)鋼索所受軸力。

經(jīng)計(jì)算，吊裝時(shí)鋼索所受軸力約30.59kN，鋼索滿足承載力要求。

固定支座所受荷載為鋼索軸力的一半，斜支撐與地面角度為45°，所以斜支撐承受荷載約21.62kN。經(jīng)計(jì)算，斜支撐強(qiáng)度、穩(wěn)定性符合要求。

4 施工工藝流程

4.1 鋼梁組裝區(qū)域頂板加固

經(jīng)驗(yàn)算，原混凝土結(jié)構(gòu)不滿足鋼梁滑移承載力要求，因此施工前需在滑移區(qū)域設(shè)置腳手架回頂結(jié)構(gòu)。

通過(guò)計(jì)算，確定腳手架立桿橫縱間距均為0.9m，橫桿步距為1.2m，并在梁下單獨(dú)設(shè)置2排立桿。架體構(gòu)造應(yīng)滿足JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求。

4.2 鋼梁(支座)組裝

確定鋼構(gòu)件組裝區(qū)域后，安裝組裝鋼梁所用胎架。胎架使用T形鋼和H型鋼進(jìn)行組焊，截面尺寸由施工荷載、構(gòu)件質(zhì)量等因素確定。在柱頂、梁位置使用2M20化學(xué)錨栓進(jìn)行固定，如圖6所示。

圖6 鋼梁組裝胎架

鋼梁組裝時(shí)，應(yīng)注意組裝胎架和軌道的位置及高度，以便鋼梁組裝完成后可直接放置在軌道上。鋼梁組裝完成后，需對(duì)鋼梁和支座焊縫進(jìn)行100%損傷檢測(cè)。

鋼梁在相應(yīng)胎架上組裝完成后，焊接滑移支座，如圖7所示。當(dāng)端部活動(dòng)支架焊接完成后，小坦克滑輪距滑動(dòng)軌道間距為100mm。待軌道安裝完成后，使用龍門(mén)支架+倒鏈將鋼梁落至軌道上。

圖7 鋼梁滑移支座

4.3 滑移軌道安裝

軌道安裝過(guò)程中，應(yīng)保證軌道支撐固定牢固，且軌道水平度嚴(yán)格控制在±1mm范圍。另外，軌道連接部位的焊縫必須平整，凹、凸部位均進(jìn)行處理，保證標(biāo)高一致、平滑順直、焊縫順滑，軌道接縫處兩側(cè)均有支撐。

4.4 滑移

鋼梁滑移施工盡量選擇在無(wú)風(fēng)天氣，滑移過(guò)程中，需控制滑移速率≤1m/min，并采用同步裝置保證兩端勻速滑行，同時(shí)密切關(guān)注軌道和鋼梁變形、小坦克與軌道的相對(duì)位置變化情況，如有異常立即停止。牽引繩采用鋼絲繩類(lèi)材料，嚴(yán)禁使用彈性較大材料。

4.5 鋼梁就位

鋼梁滑移至定位位置后，使用特制龍門(mén)架，固定在大梁兩側(cè)位置，固定前拆除支座兩側(cè)軌道，使用8M24化學(xué)錨栓將龍門(mén)架固定在原結(jié)構(gòu)混凝土梁(柱)頂端，使用斜向鋼支撐固定龍門(mén)架，斜支撐使用2M20化學(xué)錨栓固定在梁上，鋼梁兩端使用15t倒鏈同時(shí)均勻提升，達(dá)到可以拆除的支架高度后，拆除端部滑移支架，兩端同時(shí)均勻卸載使鋼梁就位。大跨度鋼梁高空就位時(shí)，需保證鋼梁兩端同時(shí)回落。鋼梁就位后，應(yīng)校核鋼梁及連接點(diǎn)是否變形。

4.6 次梁滑移

4.6.1次梁索道準(zhǔn)備

次梁采用鋼索進(jìn)行滑移施工，滑移支座(固定鋼索支座)使用H型鋼焊接而成。為增加支座穩(wěn)定性，在鋼絲繩一側(cè)支座設(shè)置斜支撐。設(shè)計(jì)鋼索直徑為28mm，鋼索進(jìn)場(chǎng)時(shí)應(yīng)進(jìn)行檢查，不得出現(xiàn)銹蝕、脫絲等問(wèn)題。

4.6.2滑索安裝就位

次梁安裝過(guò)程中，采用滑索將次梁就位。施工過(guò)程中，使用叉車(chē)將次梁運(yùn)輸至滑索端部，使用倒鏈滑移至次梁安裝位置，下落后就位安裝。

5 結(jié)語(yǔ)

北京市朝陽(yáng)區(qū)來(lái)廣營(yíng)拆除和改造中庭大跨度高空鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中，采用鋼結(jié)構(gòu)主、次梁分別滑移的施工方法，滑移支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分利用型鋼抗壓性能，懸索設(shè)計(jì)利用鋼絲繩的抗拉性能，傳力簡(jiǎn)單、明確，施工工藝操作簡(jiǎn)單、快捷。通過(guò)計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)安全可靠。施工完成后，支座和軌道鋼材拆卸后可二次使用。本施工技術(shù)可有效解決拆改項(xiàng)目，在場(chǎng)地不足的情況下，高空大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)安裝問(wèn)題，降低施工成本，實(shí)現(xiàn)既定的工程目標(biāo)。