大跨度輕型鋼桁架吊裝技術及應用*

曾新明，黃佩兵

(中國電建集團 江西省水電工程局有限公司，江西 九江 332000)

0 引 言

為了追求更大、更舒適的生活空間，人類積極使用鋼材建造了如鋼桁架等大跨度結構。隨著跨度的增加，鋼桁架單位用鋼量也隨之增加。為了減少用鋼量，設計單位經常對鋼桁架進行優化，桁架斷面高度隨著受力情況不斷變化，上下弦桿規格型號也隨之變化，造成鋼桁架平面外剛性極差，給鋼桁架吊裝工作帶來了極大的困難。

大跨度鋼桁架在吊裝中不僅要考慮吊裝過程受力情況，還要考慮其在地面組裝后翻轉過程的受力情況。需要通過計算機模擬分析鋼桁架翻身和吊裝過程中的受力，確保吊裝過程各桿件應力和變形都在允許范圍內。筆者以某國外工程為例，從工程特點分析、吊裝方案選擇、吊裝過程有限元分析和桁架吊裝等幾個方面來進行闡述，詳細介紹大跨度輕型鋼桁架吊裝技術。

1 工程概況

國外某工程廠房屋面采用鋼桁架結構，如圖1，上下弦桿和腹桿均為焊接型H型鋼，鋼桁架分4節在工廠預制，節間和部件間均采用螺栓連接。鋼桁架跨度為60 m，最大矢高為6 m，單榀鋼桁架質量約為15 t，每米質量僅為250 kg。

圖1 鋼桁架示意

2 結構特點分析

通過對鋼桁架結構分析可知，該鋼桁架單位質量小的原因之一是因為優化了結構受力，整體結構受力更趨于合理；二是上下弦桿和腹桿選型與結構受力高度一致。從鋼桁架上弦X軸的慣性矩變化可以看出，如圖2，根據受力大小不同部位的上下弦桿選用了不同型號的H型鋼，通過增加H型鋼規格型號降低單位用鋼量。此鋼桁架結構特點如下。

圖2 鋼桁架上弦桿X軸慣性矩變化

(1) 鋼桁架上弦采用正立H型鋼，上弦桿平面外穩定性可以利用屋面檁條來保證。下弦采用倒置H型鋼，桿件弱軸為平面外方向，下弦桿平面外穩定性通過設置少量的系桿就可保證。

(2) 依據上下弦桿和腹桿受力，精確選用型材。此工程鋼桁架跨度和矢高大，單位用鋼量低，結構整體剛性較差。

(3) 鋼桁架翻身和吊裝前，需要模擬分析計算各桿件的應力和變形，科學制定吊裝方案，否則翻身和吊裝過程中可能出現大量的失穩桿件。

3 吊裝方案選擇

本工程鋼桁架分為4節制作，桿件間均采用高強螺栓連接，桿件防腐后直接運至工地。桁架在施工現場采用臥式法進行組裝。先用枕木在平整的場地上鋪設組裝平臺，再依次進行上下弦桿和腹桿組裝。

根據當地政府相關規定，若采用雙機抬吊，則需要當地政府認證的一級起重工，費用昂貴，并需要提交專門吊裝方案，審批時間很長。施工現場場地平整寬闊，有利于大型吊機作業和鋼桁架整體組裝，故應盡量采用單機整體吊裝方案。如無法實施單機吊裝方案，應采用單機分節同時吊裝方案。

跨度和矢高比較大的平面桁架翻身過程中風險較大，特別是采用單機吊裝時，容易造成桿件嚴重變形。要合理確定吊點和臨時支承點的數量、位置，吊點和臨時支承點越多，位置布置越合理，鋼桁架翻身和吊裝過程中的安全才能得到保證。

3.1 整體翻身過程分析

鋼桁架翻身時計算模型如圖3所示。

圖3 鋼桁架翻身示意注：節點8、15、45、52為吊點，節點7、16、37、44、53、72為(臨時)支承點。

由于其長達59.8 m，為保證上弦桿平面外穩定性，因此翻身時采用四個吊點(節點8、15、45、52)，采用兩根吊索的四點吊裝法且兩側采用同一根吊索吊裝[1]。由于鋼桁架下弦桿不在一條直線上，桁架翻身時，只有節點37、72與地面接觸，形成臨時支承點，將造成大量桿件變形嚴重，翻身過程無法進行。因此需要采取措施增加臨時支承點，如圖3所示增加節點7、16、44、53為臨時支承點。

翻身過程的結構計算采用線性分析。鋼桁架翻身時段，由于恒荷載與活荷載(如施工臨時設施重量)均不會發生變化，因此工況組合采用1.0×恒荷載+1.0×活荷載[2]。

通過有限元軟件分析得到應力與變形情況，結果如圖4、5所示，鋼桁架翻身過程中，雖然設置了4個臨時支承點(節點7、16、44、53)，仍有少量桿件應力值超標，最大為設計值的1.15倍。且有大量桿件變形超標，最大變形達90.2 mm。

圖4 鋼桁架翻身過程中桿件應力比

圖5 鋼桁架翻身過程中桿件變形/mm

3.2 整體吊裝受力分析

鋼桁架翻身后處于豎直狀態，計算模型如圖6所示，節點22為鉸支座位置，實際上就是吊機的吊鉤位置。工況組合也采用1.0×恒荷載+1.0×活荷載。

圖6 鋼桁架吊裝示意注：節點22為吊機吊鉤位置

進行有限元軟件分析，結果如圖7、8所示，桿件應力值無超標現象，應力比均在0.5以內。但有大量桿件變形超標，最大變形達222.4 mm。

圖7 鋼桁架吊裝過程中桿件變形/mm

圖8 鋼桁架吊裝過程中桿件應力比

增加臨時支承點，同時考慮吊裝方案的經濟性，經過多輪建模分析計算，鋼桁架翻身和吊裝過程中，部分桿件仍存在應力、變形嚴重超標的情形，因此整體吊裝方案不可取。

3.3 分節吊裝受力分析

由于單機整體吊裝方案不可取，因此擬采用分三節同時吊裝方案。鋼桁架中間節長35.8 m，質量8.9 t，兩端節長12 m，質量約3 t。下面以中節吊裝為例進行吊裝受力分析。

由于中間節較長，為防止其桿件在翻身和吊裝過程中平面外失穩，在鋼桁架上弦桿上設置4個吊點。鋼桁架翻身時下弦桿與地面接觸，相當于線性支承，因此桿件穩定性均有保證。

鋼桁架翻身后計算模型如圖9所示，節點43是吊機的吊鉤位置。工況組合同樣采用1.0×恒荷載+1.0×活荷載。

圖9 鋼桁架中間節吊裝示意注：節點43為吊機吊鉤位置

通過有限元軟件分析進行分析，結果如圖10、11所示，桿件應力值無超標現象，應力比均在0.5以內，桿件最大變形為7.1 mm，均滿足設計和施工規范要求[3]。因此，分節吊裝方案可行。

圖10 鋼桁架中間節吊裝過程中桿件應力比

圖11 鋼桁架中間節吊裝過程中桿件變形/mm

4 鋼桁架分節吊裝

鋼桁架在地面分三節進行組裝，組裝完成后采用三臺吊機同時進行吊裝，在高空中進行對接，對接時施工人員站在舉升車吊籃內作業。具體的施工步驟如下。

(1) 鋼桁架吊裝準備

在方案選定的吊點位置，利用吊索捆綁牢固，每節鋼桁架的其中1根吊索配1只手拉葫蘆，用于調整桁架傾角。并在每節鋼桁架的兩端系上纜風繩(兼作溜繩)。在鋼桁架分節提升時，控制好纜風繩，防止發生擺動或旋轉。將該鋼桁架分節提升至距地面0.2～0.3 m左右后停止起吊，檢查起重機的穩定性、制動裝置的可靠性、構件的平衡性和綁扎的牢固性等[4]。

(2) 鋼桁架傾角調整

鋼桁架試吊結束確認無誤后，用水平尺檢查每節鋼桁架的傾角。如其傾角不滿足設計和施工規范要求，兩節鋼桁架對接部位不能完全吻合，將給空中對接帶來很大的困難，因此吊裝過程中必須保證每節鋼桁架的傾角。施工人員應站在地面上作業，通過調整手拉葫蘆的長度對鋼桁架傾角進行調整，直至符合規范要求。

(3) 鋼桁架提升

構件提升到一定高度后，吊機起重臂回轉，將構件從拼裝位置上方旋至安裝位置，同時用構件兩端的纜風繩保持其穩定，并調整其姿態。構件位于其安裝位置下方附近時，起重機停止回轉，并提升構件至超過安裝高度2 m左右。每節鋼桁架提升時，應注意與相鄰桁架保持安全距離。

(4) 桁架安裝

鋼桁架分三節同時吊裝，兩端節與鋼柱連接，連接完畢后吊車不松鉤，然后進行中間節鋼桁架吊裝。鋼桁架節間和其與鋼柱之間所有連接工作均由施工人員站在舉升車吊籃內完成，如圖12。待中間節和兩端節安裝連接完畢后，設置好兩組纜風繩，三臺吊車才能松鉤。

圖12 鋼桁架三段同時吊裝

相鄰的兩跨鋼桁架吊裝完成后立即安裝鋼桁架間的水平、垂直支撐及部分檁條，安裝完畢后才能形成穩定結構。

采用分節同時吊裝方案，安全順利地完成該輕型鋼桁架的安裝。吊裝過程中對桿件應力和變形進行了監測,檢測結果符合相關規范要求，吊裝過程的安全得到了有效保證。

5 結 語

在該輕型鋼桁架吊裝方案選擇階段，結合吊點和臨時支承點分布情況，對鋼桁架翻身和吊裝過程進行理論分析計算，確保所有桿件應力和變形符合相關規范要求。為滿足當地政府規定要求并降低工程成本，因地制宜地采用三臺吊機分三節同時吊裝，完成該鋼桁架安裝，該工程施工工期、質量和安全得到了很好的保證，可為類似大跨度鋼結構吊裝工程應用提供一些有益的借鑒。