建筑工程大跨度鋼結構施工技術分析

余 濤

（杭州建工集團有限責任公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

隨著市政設施建設的規模日益增多，越來越多的學者對大跨度鋼結構施工技術提出了新的施工要求，田瑞斌等[1]提出了基于復雜施工條件下的大跨度鋼結構桁架模塊化施工方法，并將蘭州市中川國際機場T3 航站樓作為工程項目的研究對象，運用了Tekla 技術展開坐標系出圖和三維建模，使用有限元分析技術，針對拼裝支撐胎架展開現場模擬吊裝和分析，減少了工程項目的材料浪費，縮短工期，施工過程十分便捷，工程項目質量也較好。陳軍等[2]將江西省展演中心項目的鋼屋面裝修改造作為研究對象，提出了桁架懸挑梁施工平臺和鋼管懸掛鋼結構施工平臺的使用策略。劉三玲等[3]提出了BIM 技術支持下的多層大跨度鋼結構聯絡橋施工技術，借助BIM 技術三維建模，為地基處理提供指導，并使用分段吊裝，保障了多層鋼箱梁的立體分段吊裝施工過程安全且高效，同時提出運用有限元來模擬鋼箱梁焊接應力，針對應力較大位置可以在其中增設轉移焊接集中應力的卡馬，減少了焊接時的集應力，為類似工程項目的施工提供了有力參考。

1 工程概況

某地會展中心建設于2012 年，其中包括3 層的劇場以及10 層的配套服務樓，地下1 層，建筑物面積共計76 543m2，建筑物用的是鋼筋混凝土框架結構，樁基礎，使用鋼結構紅頂屋面裝飾，施工現場已經完成了外墻立面、地下室防水和室內裝修的改造升級。經建設單位要求，需要對屋面上層鋼結構進行改造，其中包括大跨度鋼結構的施工。

2 大跨度鋼結構施工的技術分類

大跨度結構建筑物主要是指在結構橫向方向上超過60m 的建筑物。大跨度結構建筑物空間結構較為復雜，鋼材是主要的承重結構材料。運用大跨度鋼結構施工技術的建筑物，建筑物的覆蓋面積較大，造型新穎、獨特，結構安全、可靠、牢固。相較于傳統的施工技術，使用大跨度鋼結構施工技術時，需確保選材堅固，以抵御自然災害。基于我國目前在大跨度鋼結構施工上的技術應用，依照其承重方式的差異性可以分為：網架結構、懸索結構、殼體結構、折板結構。

2.1 網架結構

網架結構是使用最為廣泛、最為普遍的一類大跨度建筑結構，也是大跨度屋面結構的主要類型之一。該結構是運用建筑鋼材進行現場拼裝。網架結構的應用，可以適應不同幾何形狀的屋面設計需求，也可以綜合建筑空間和建筑物的建設目標，對方案進行調整，完成高建筑自由度結構設計。這種將鋼材作為主要結構材料的建筑物，有著更強的穩定性，防震效果更好。一般情況下，城市中造型較為新穎的商業建筑物或是新建辦公樓，往往運用網架結構，網架結構建筑物現場施工如圖1 所示。

2.2 懸索結構

在懸索結構中，承重部件為建筑物對角線方向交叉設置的多條鋼索，主要劃分為兩類，分別是懸索屋頂式與氣承式。前者用到的是雙層或是多層懸索，可結合鋼材高強度的特征，制作為吊索網。后者由于有著較好的張力，因此抗風性能更好，在海邊城市使用較廣泛。

2.3 殼體結構

運用輕質高強度材料制作而成的鋼結構，雖然剖面尺寸減小，但是在重力荷載的影響下，很容易出現凹陷和變形，最終導致結構安全穩定性不足。但是殼體結構運用到的是力學分析方法，將鋼材制作為殼型屋頂，內部應力分配更為均勻，殼體結構厚度更小、覆蓋面積更大。與此同時，在承接荷載時，結構也會更為安全、穩定，使用殼體結構比較具有代表性的建筑物為悉尼歌劇院。

2.4 折板結構

折板結構是將多塊鋼筋混凝土進行拼接之后，制作為坡折形薄壁的建筑結構，比較常用到的鋪設結構橫截面包括兩種，分別是v 型橫截面和梯型橫截面。在屋頂設計時，需保障豎直的支撐墻體與水平面構成30°以下的夾角，結構更為安全穩定。將該夾角作為鋪設方向，運用坡式折板，常用在大型展廳和車站等公共建筑物中。鑒于該工程項目的施工特征及要求，施工中使用折板結構。

3 大跨度鋼結構施工技術的應用

3.1 安裝準備

在大跨度鋼結構的安裝之前，需要對安裝定位運用到的軸線控制點以及測量標高使用水準點進行復驗，并放出標高控制線和軸線的吊裝輔助線。復驗時，復驗內容為鋼梁預埋線的軸線、標高、水平度，檢查吊裝機械和吊具，確定焊接和輔助工具是否準備到位。還需要注意起重機的選擇，吊裝作業時的最大半徑為45m，可以使用320t 履帶式起重機安裝鋼梁，回轉半徑45m，與建筑物之間的距離需要小于11m，起重的基桿長度需要在78m。在進行鋼梁吊裝時，可以運用兩點吊裝法，在鋼梁的2/3 位置設置好吊耳，并將鋼絲繩的角度設置為60°。鋼絲繩和吊耳之間適合運用卡環來進行連接，鋼絲繩需要準備4 根，每根的長度12m，要求鋼絲繩為雙股繩。使用兩根15t鋼絲繩，需要懸掛在吊鉤中，并運用卡環對鋼絲繩進行固定，有效規避鋼絲繩的脫鉤問題。

3.2 現場吊裝

綜合該工程項目大跨度鋼結構的受力特征，施工時，需要綜合考量多方面的因素，其中包括場地條件、機械設備準備情況、成本投入以及工程質量的建設要求。目前在進行大跨度鋼結構安裝時，該工程可使用的施工方法包括以下幾種。

（1）高空散裝法。該方法主要是指將工程項目的結構構件，劃分為不同的小單元散件，同時在高空拼裝為鋼結構整體。施工時，結合高空散裝法施工技術的細節差異，可以分為：滿堂支架法、懸挑法。滿堂支架法被廣泛運用在國內建筑施工，對節點相對較多的網架結構有著較強的適用性，最大的特征和優勢在于：無需運用大型系統裝備。但是使用該技術對支架進行搭設時，會耗費大量的材料。該工程更加適合懸挑法，施工時需要注意以下幾點內容：一是需要綜合結構的具體形式，明確科學合理的拼裝順序，并控制幾何尺寸的累計誤差，盡量降低幾何尺寸的累積量。二是為確保結構拼裝之后的偏差度符合工程項目的建設標準，在設計過程中，需要對已安裝結構進行隨時復測和調整。三是需要保障已施工部分結構的穩定性符合工程項目的建設要求。四是螺栓球的節點需要保障擰緊，隨后再把套筒上的定位螺栓進行固定。五是在施工時，該方法的使用多為高空作業，為保障有關工作人員的人身安全，需要制定出針對性的安全防護措施。

（2）分條或分塊安裝法。分條或分塊安裝法也被稱為小片安裝法，主要是指將鋼結構的結構構件直接在地面進行焊接，拼裝為不同的條塊小單元，隨后使用起重設備，將安裝完成的條塊單元直接吊裝到高空設計位置拼接為整體結構。這一方法的運用，可以節省地面支架，同時焊裝為分塊和分條單元之后，拼裝大小可以綜合起重設備的負荷能力確定，因此，施工方案的制定十分靈活。運用分條分塊安裝施工技術時，需要注意以下幾點內容：一是結構吊裝單元需要保障剛度符合要求，制定臨時支撐體系或是防傾覆措施，以保障鋼結構施工的安全穩定。二是吊裝單元需要結合起重設備的起重能力情況，若是結構劃分為條狀單元，則要求受力狀態與平面結構接近。施工時，設置好吊點位置、數量，有效規避撓度值太大導致的安裝偏差。三是在進行單元吊裝之前，可以運用預拼裝施工技術，控制拼裝尺寸，減少在高空對接時存在的節點位置偏差。四是可以提高支撐胎架高度，保障結構科學合理。需有關工作人員注意，接口位置不可出現錯邊問題，以避免對結構整體安全性帶來負面影響[4]。

（3）整體提升施工技術。整體施工技術主要是指，在將鋼結構進行地面整體拼裝之后，使用起重設備直接把拼裝完成的結構安裝在固定位置。這一方法包括三類，分別是整體提升、整體頂升和整體吊裝。整體提升和整體頂升的施工過程較為相似，不同點在于提升設備的位置有所差異。前者是運用起重設備，將其放置在結構的上方，而后者則是多運用支柱，將其作為滑道，直接把千斤頂安裝在結構的下方位置。在運用整體提升施工技術時，需要注意以下幾點內容：一是施工中，需要注意變邊界問題，并保證模擬計算方法選擇合理；二是需要確保調度垂直度；三是施工時，若是存在鋼體位移、彈性變形耦合問題，將會對結構質量帶來影響，需制定調整措施；四是施工時，速率提升變化過程會產生動力效應，也會對結構帶來影響；五是確定好吊點的位置和數量；七是在進行吊裝時，各個吊點移動若是不同步，也會對結構應力和位移情況帶來影響。

（4）整體吊裝法，整體吊裝法主要是指先把鋼結構的結構構件在地面進行拼裝，拼裝為整體之后，使用起重設備吊裝到高空的設計位置進行固定安裝。這一方法更加適合運用在中等跨度的桁架結構中，但是該技術的運用，將會對起重設備提出較高的標準及要求[5]。與此同時，在進行整體吊裝時，地面施工內容也會受到一定程度的影響。

（5）滑移安裝法。滑移安裝法主要是指將分條結構單元提前設置在滑軌，將其滑移到工程項目的結構設計位置進行整體拼裝。在結構施工時，該方法的運用多是進行架空作業，可以和下部的其他施工內容平行推進，不會對建筑物的內部施工帶來影響，可節省工程項目的施工周期。使用該方法時，也無需運用到大型的起重設備和大型的牽引設備。

3.3 安裝和校正

在進行鋼梁吊裝之前，首先需要對梁的編號、結合尺寸和牛腿標高進行檢查，明確其是否符合工程項目的設計圖紙要求。與此同時，需要在鋼梁的上翼緣位置打出腹板中心點，并運用紅色油漆做出標識。在鋼梁組裝完成之后，便可進行現場安裝。首先，需要把鋼絲繩鎖在起重機的吊鉤中，另外一端運用卡環，將其鎖在鋼梁提前焊接好的鋼吊耳上，運用起重機來進行升桿。鋼梁在開始提升時，需要保障升起速度緩慢，兩端需安排專業人員扶好，有效規避構件側移與其他構件碰撞。在鋼梁吊裝距離地面500mm 左右時，起重機則可以停止提升，在吊裝構件保持平穩狀態之后，繼續勻速提升。鋼梁應該運用斜起吊方法，在鋼梁距離預埋件位置在30cm 左右時，則可以直接扶正。該工程施工現場腳手架影響施工，難以扶正，需要先把鋼梁伸入到北側，在南側就位之后，再把鋼梁拉出就位，以確保構件兩端可以對準埋件的中線，并控制標高，隨后進行螺栓連接，此時則可以慢慢落鉤。在構件提升的過程中，需要確定流程，對構件方向進行嚴格控制，有效規避對人員帶來的負面影響[6]。首先，需要吊裝GL1-1 線鋼梁就位，保障鋼梁兩端均在混凝土柱牛腿的預埋件上。腹板和混凝土柱預埋的連接板，需要運用螺栓來進行連接，并控制鋼梁支座中心線和定位軸線，調整好鋼梁標高。在調整工作完成之后，則可以進行底座和預埋板連接。腹板可以使用螺栓和連接板進行連接，隨后擰緊。依照工程項目的施工順序，對其他鋼梁進行吊裝。在進行安裝矯正時，需要從以下三個方面入手：

（1）標高找正，首先，需要明確支座處標高，綜合最高點和最低點存在的高度差，對制作出的墊板高度進行調整，以尋找正高差。找正之后，對于同一根鋼梁的高度差，需要在工程項目的設計偏差允許范圍之內，并確保標高調整墊板和預埋件點焊牢固。

（2）平面位置找正。可以準備好經緯儀，在混凝土柱的側方位置標注好和鋼梁中心之間的距離尺寸，同時與鋼梁中心線進行比較，使用千斤頂頂移的方式逐步找正。找正完成之后，要求鋼梁相對安裝中心線的位移和撓曲度偏差始終維持在工程項目的允許偏差范圍之內[7]。

（3）進行垂直度的矯正。可以運用吊線錘，檢查鋼梁垂直度，若是發現存在偏差，則可以直接在兩端支座面中加設斜墊板，并運用人工拉葫蘆或是千斤頂來調整，一直到偏差度在允許范圍內，保障鋼梁和預埋件結合緊密。找正工作完成之后，則可以進行最終的固定處理。

4 結論

綜上所述，現代建筑建設規模日益擴大，為滿足這些建筑物的大跨度、大空間使用功能需求，需彌補傳統混凝土結構建筑物自重太大、跨度較小的不足之處，加強對鋼結構的運用，發揮出鋼結構的強度高、自重輕、組裝靈活等優勢，滿足新時期的建筑物施工需求。文章針對大跨度鋼結構施工技術進行了分析，將某地會展中心作為分析對象，提出了四種施工結構，分別為網架結構、懸索結構、殼體結構、折板結構，并指出折板結構在該建筑物中的使用技術要點，為類似大跨度施工提供借鑒。