大型懸挑鋼結構關鍵施工技術研究

李少龍

（中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

科學技術日新月異，建筑結構形式的多樣化為建筑功能的實現提供了良好的保障。比如在一些地標性建筑物中大懸挑結構廣泛應用，大懸挑結構形式大多是應用鋼桁架結構進行施工。鋼結構具有剛度高、重量輕、跨越能力強且具有建筑美感等諸多優點，多用于空間廣闊的大型公共建筑結構中[1]。伴隨鋼結構形式的不斷增多，結構跨度逐漸增大，建筑結構體系更加復雜化，這對建筑施工工藝與施工技術的創新發展提出了更高要求。在大跨度連體鋼結構施工中，施工工藝和施工技術不同會導致結構內力、穩定性及形變有較大差異。此外，因施工荷載的復雜性、材料的蠕變、結構在施工過程中的不完整性等因素引發結構在施工過程中產生事故的概率極大。在建筑施工中加強對大型懸挑鋼結構關鍵施工技術的研究，控制好建筑工程質量尤為重要[2]。本文創新點在于實現了大懸挑鋼結構桁架層的拼裝、仿真分析等技術大跨度、重型構件的安裝精度，通過對所選關鍵控制點的控制有效保障工程施工順利、安全地進行。

1 大懸挑鋼結構設計說明

本工程鋼結構大懸挑位于裙樓3～4 層，勁性柱部分位于裙樓及裙樓負2～5 層3～7 軸交C～D 軸，共計7 處，勁性柱截面形式為十字型及H 型鋼，材質為Q355B；大懸挑鋼桁架位于7 軸～10 軸交C 軸～G 軸，桁架分布于3～5 層，桁架主要截面形式為焊接H 型鋼，材質為Q355B，最大高度為10.71m，最大懸挑長度為27.65m。

2 施工重難點分析

根據本工程大懸挑鋼結構特點，對懸挑鋼結構桁架層關鍵施工技術進行重難點分析，針對具體情況采取相應對策[3]。

鋼結構桁架層平面布置要求高、工程體量大、結構復雜，鋼構件需根據平面布置進行合理分段組裝，在施工過程中工程的整體施工組織及現場平面布置十分重要。為了滿足塔吊運輸能力，確保施工的正常穩定開展，鋼結構構件需要依據現場實際平面布置要求、工況要求及塔吊的運輸能力情況合理分段。

本工程的懸臂桁架向外懸挑27.65m，桁架分成若干個散裝單元施工，會因自重荷載而下撓，受力和傳力的途徑比較復雜，可能會出現桁架應力集中而導致變形過大的情況。所以，安裝時采用格構式胎架臨時支撐的方法，在對應的桁架弦桿下方搭設臨時支撐架，確保桁架施工過程中的穩定性。

在支撐拆除即卸載過程中建筑結構體系會發生一系列變化，懸挑結構會產生形變，內力會重新分配，由于卸載順序及卸載方法的不同支撐胎架的支座反力也會隨著發生相應變化。所以為了確保建筑結構符合設計的受力情況，且在卸載過程中不破壞支撐架，必須對卸載過程中結構的力學安全性進行計算分析，選擇科學的卸載順序和卸載方法。

3 主要施工方法

3.1 柱腳錨栓預埋施工

預埋錨栓采用雙螺帽，柱腳節點采用M20/M25 的錨栓，材質為Q355B。地腳螺栓的埋設采用直埋法，即在基礎底板綁扎鋼筋的同時，將地腳螺栓群用鋼模板做相對固定，并與柱基礎鋼筋籠牢固連接，整體澆筑混凝土，一次固定。鋼柱地腳螺栓的定位，直接關系到今后的梁柱能否順利地安裝，其定位精度直接影響到整個工程的施工質量，因此要切實做好現場的測量工作。

3.1.1 地腳螺栓固定架埋設

因為鋼柱體積和重量較大，定位精度要求又高，臨時固定難度很大。制作預埋支架將支架與下層鋼筋籠焊牢加固，并加焊斜支撐，防止跑位和傾覆。

3.1.2 下部混凝土的澆注

應測設好錨栓安裝位置的控制線（基軸線或中心線等）及錨栓上角鋼頂面定位線。錨栓角鋼上事先彈好縱橫向中心線，預埋時找準縱橫向控制線，使其與測量定位基軸線吻合。

安裝結束后進行混凝土的澆注，澆注需采取措施保證預埋螺栓的位置尺寸，采用調節預埋板下部螺母的方法調節預埋板的標高，測量預埋板的位置尺寸，發現偏差及時校正。

3.1.3 鋼柱的安裝與固定

進行鋼骨柱的安裝，安裝時應確保螺栓的相對位置尺寸，同時應保護好螺栓的絲扣不受到破壞螺栓墊板與鋼柱底板之間的焊接，焊接時采用合理的焊接順序，注意控制焊接變形。

3.1.4 鋼柱底部的二次灌漿

對鋼骨柱的底部混凝土的二次灌漿，并確保鋼骨柱底部的水平標高準確。

3.2 勁性柱吊裝流程

3.2.1 安裝臨時工裝設備

吊裝前將安裝爬梯安裝在鋼柱的一側，同時在柱與梁的連接位置下1.2m 處焊接固定裝配式安裝操作平臺的臨時槽鋼，鋼爬梯和臨時槽鋼應安全牢靠，便于作業人員操作。

3.2.2 吊點設置及起吊方式

吊點設置在預先焊好的連接耳板處。為防止吊耳起吊時的變形，采用專用吊具裝卡，采用單機回轉法起吊。起吊前，鋼柱應墊上枕木以避免起吊時柱底與地面的接觸，起吊時，不得使柱端在地面上有拖拉現象。

3.2.3 柱腳定位

鋼柱吊到就位上方200mm 時，應停機穩定，對準螺栓孔和十字線后，緩慢下落，使鋼柱四邊中心線與基礎十字軸線對準。

3.2.4 鋼柱臨時固定

柱底就位應盡可能在鋼柱安裝時一步到位，少量的校正可用千斤頂和調整螺母法校正（精度可達±1mm）。

3.3 鋼桁架施工流程

現場滿足鋼結構施工→HJ-D4 下弦底部放置圓管支撐→安裝HJ-D4 下弦桿→安裝HJ-D4 第一根斜腹桿→安裝HJ-D4 斜腹桿及立桿→安裝HJ-D4 上弦桿→HJ-D3 下弦底部放置圓管支撐→安裝HJ-D3 下弦桿→依次安裝HJ-D3 腹桿及上弦桿→安裝兩榀桁架間次桁架（HJ-C2）→HJ-C2 下弦E 軸處放置格構支撐→安裝HJ-C2 第二段中弦→HJ-C1 下弦8 軸處放置格構支撐→安裝HJ-C1 第一段下中弦及腹桿→HJ-C1 下弦10 軸處放置格構支撐→安裝HJ-C1 第二段中弦桿→安裝HJ-C2 第三段中弦桿→按照相同方法依次安裝HJ-C1 剩余上弦及腹桿→安裝HJ-C2，C 軸～E 軸間上弦桿及腹桿→安裝HJ-C2 剩余上弦桿及腹桿→安裝HJ-D1 →安裝HJ-D3 →安裝HJ-D1 與HJ-D3 間次梁→安裝HJ-D2 →裙樓桁架安裝完成。

3.4 鋼桁架吊裝工況分析

安裝過程中需重點把控構件分段方案、安裝工況及平面布置三者關系[4-5]。首先，根據整體施工進度及經濟效率原則進行施工平面布置；其次，根據起重設備的最大起重重量進行構件分段；最后，采用工況分析法驗證分段結果是否滿足起重要求。桁架施工主要采用現場XGT360-20S1 型（65m）塔吊單根或單元高空散裝，懸挑桁架下弦桿底部設置臨時支撐，桁架散裝單元分析如表1 所示。

表1 桁架散裝單元工況分析表

3.5 裙樓桁架施工過程分析

為確保結構施工安全性，需要對施工過程進行模擬驗算，分析結構變形和桿件的應力比，為建筑工程的安全施工提供準確的數據支撐。本次驗算采用有限元分析軟件Midas Gen 2021，荷載僅為自重（含節點自重），考慮動荷載系數1.4。

由施工過程分析結果可知，在施工過程中，桿件的應力比最大值0.485，如圖1 所示，結構最大位移19.59mm，如圖2 所示，方向向下，跨度與撓度之比為1/1442；結構的變形和桿件應力比均較小，可以滿足施工要求。

圖1 應力比模擬示意圖（來源：作者自繪）

圖2 鋼桁架結構變形模擬示意圖（來源：作者自繪）

3.6 臨時支撐架的布置

臨時支撐架需拉設纜風繩，裙樓鋼桁架共設置3 個格構支撐及2 個圓管支撐，圓管支撐布置于2 層樓面，下部做反頂處理，反頂圓管頂至地下室-2 層底板處。臨時支撐布置于地下室頂板處及-1 層頂板處。布置于樓面的支撐架需在樓層梁上擱置規格為HW350mm×350mm 的轉換梁，轉換梁下部墊25mm×300mm×300mm 的鋼板，防止轉換梁與樓板接觸破壞樓板。所以轉換梁材質均為Q235B。

3.6.1 支撐架的樣式

格構支撐截面為1.6m×1.6m，支撐架節間高度2.2m，主肢管采用φ140mm×10mm，斜腹桿采用φ80mm×10mm，直腹桿采用φ50mm×4mm，頂部轉換梁截面為HW400mm×400mm×13mm×21mm,材質為Q235B，格構支撐最大搭設高度為21.0m。圓管支撐采用φ245mm×10mm,搭設高度為5.0m,材質為Q235B。

3.6.2 支撐架纜風繩設計

為保證格構式支撐架穩定性，在支架2/3 附近節點位置拉設纜風繩，纜風繩拉設角度按45°～60°左右控制，并根據土建施工順序進行拉設，以免對安裝施工造成影響。纜風繩一側就近拉設在混凝土柱處，另一側與拉設在格構架2/3 處，纜風繩選用6×19+FC 鋼絲繩，φ16mm 鋼絲繩，兩兩對稱拉設。

3.6.3 圓管支撐反頂措施設置

（1）由于2 層圓管支撐區域存在預應力混凝土結構，為了不使圓管支撐傳遞過程中破壞混凝土結構，需對2 個圓管支撐底部設置反頂立桿。反頂立桿應從基礎底頂至2 層樓面底。反頂立桿的截面為φ245mm×10mm，材質為Q235B。

（2）由于上下兩層混凝土梁水平投影位置不一致，導致反頂立桿存在一定的偏差，為了使立桿有效傳遞至地基，對立桿上下層有偏差處進行補強。對于處在上下層偏差處設置HW200mm×200mm 進行頂緊，HW200mm×200mm 與樓板間采用20mm×250mm×250mm 鋼板墊緊.

（3）為了使反頂立柱能有限傳遞至基礎而不受損失，反頂立柱在設施過程中需有限頂緊混凝土梁板，反頂立柱上下端部各焊接兩塊端板，安裝時利用下部兩臺千斤頂使立柱抬起，然后底部空隙逐步塞入2～6mm 鋼板使立柱頂緊，最后緩慢釋放千斤頂，使立柱上下端完全頂緊上下層梁板。

3.6.4 桁架臨時支撐系統驗算

為保證鋼桁架結構施工安全，需在主桁架懸臂端設置臨時支撐結構，臨時支撐采用四肢格構式塔架結構。考慮桁架的安裝方式，因此設臨時支撐架時需考慮豎向和水平向的作用力，結合作用在支撐架的最不利荷載及需搭設支撐架的高度，本次驗算采用有限元分析軟件Midas Gen 2021 進行驗算分析。

（1）位移計算結果。支撐架最大水平變形為8.59mm；最大豎向位移為3.22mm＜20mm，能滿足安裝精度要求。

（2）應力比計算結果。支撐架桿件最大應力比為0.657，其中立桿最大應力比為0.355＜0.9，斜腹桿最大應力比為0.097＜0.9，直腹桿最大應力比為0.041＜0.9，頂部轉換鋼梁最大應力比為0.657＜0.9，均滿足承載能力要求。

（3）臨時支撐穩定性分析。彈性過程屈曲分析臨界荷載系數為62.62 ＞4，結構不會發生失穩破壞。

3.7 支撐體系卸荷

卸荷是整個施工中的關鍵技術環節之一，在卸載時應遵循“變形協調、卸載均衡”的原則，采取先上層后下層、先中間后向兩端的順序逐步完成卸荷作業。在該工程中首先將中間格構式支撐架進行卸荷，即先將中間支撐架用氣割卸去一定的量,一般以10mm 為宜,具體數據應結合現場實際而定,下一步則將其余支撐架各卸去10mm,依次類推直至全部脫空卸完。當桁架完全處于承載受力之后，再由中間向兩端將盤扣式腳手架進行拆除。這種卸荷順序使桁架在施工過程中盡量形成一種自受力體系，以降低卸荷對不同支架受力不均的影響[6]。在支架卸荷中為了更好地降低對支架產生的不均勻受力情況，需要針對不同支架進行多次交替卸荷。臨時支撐架布置圖如3 所示。

圖3 臨時支撐架布置圖（來源：作者自繪）

4 結論

本文以廣州律師大廈二期項目為研究背景，通過對大懸挑鋼桁架結構關鍵施工技術進行研究，對大懸挑鋼桁架結構安裝制定了較為詳細的施工方案及施工部署，在安裝過程中合理的把控構件分段方案、安裝工況及平面布置三者關系，有效提升了施工效率。針對大懸挑鋼桁架結構的特點，采用了格構式胎架臨時支撐法與胎架卸載法等關鍵施工方法，由于在胎架卸載前后懸挑架受力狀況會由簡支狀態變為懸挑狀態，鋼構件內力會重新分布，通過時變因素施工模擬技術進行全過程的模擬驗算，進而控制整體結構施工的安全性與壓縮變形精度。