高層鋼結構建筑桁架安裝技術研究

茹 幸，鄭銘隆，姬永鐵，李 波，張 聰

（中國建筑第二工程局有限公司，北京 101121）

在高層鋼結構建筑結構設計中使用桁架結構，能夠有效地減少工程用鋼量，降低工程施工的難度與復雜度。當前傳統的桁架安裝技術在既有高層鋼結構建筑工程應用中，仍然存在部分問題與不足，主要體現在不能較好地對桁架構件安裝過程中內力與變形的實際情況做出實時分析，導致桁架安裝質量得不到保障，影響了建筑結構的穩定性與安全性。針對以上問題，本文在傳統桁架安裝技術的基礎上，做出了優化設計，以某既有高層鋼結構建筑工程為例，開展了建筑桁架安裝技術的全方位深入研究。

1 工程概況

選取某既有高層鋼結構建筑工程作為本次研究背景，該建筑工程屋頂屬于管桁架結構，由次桁架與檁條構成，結構設計使用年限為50 年，鋼結構支撐與桁架抗震等級均為四級。該工程中使用的鋼桁架參數，如表1 所示。

表1 某既有高層鋼結構建筑工程鋼桁架參數

該工程建設施工過程中，鋼結構建筑桁架制作量較大，包括大量的高空作業，且鋼桁架安裝中存在構件跨度大、重量較重的特點，均增加了整體工程的施工難度。除此之外，桁架在加工制作階段，由于節點轉換構件截面較為復雜，匯交節點數量較多，在節點焊接時由于熱集中，可能引發構件變形問題。在現場安裝階段，桁架安裝對空間定位與測量的要求較高，常規的定位與測量方法無法滿足桁架安裝精度的要求，增加了桁架安裝難度。

2 桁架安裝技術

2.1 基于BIM技術分段處理桁架

由于既有高層鋼結構建筑工程建設規模龐大，桁架構件數量較多，各個桁架構件均存在造型扭曲多變的問題，且具有復雜的空間分布結構。為了控制桁架構件整體結構的穩定性，保證其能夠順利地進入工程施工場地，本文引入BIM 技術對桁架構件進行分段分節處理，保證其運輸質量與效率，減少后續安裝過程中桁架吊裝次數，方便后續現場安裝施工操作。

在分段分節處理中，綜合考慮桁架構件滿足運輸與吊裝施工需求。在既有高層鋼結構建筑桁架構件中，箱體巨柱主要由桁架角部鋼柱與圓管交匯組成，箱體由桁架上弦桿、斜腹桿與下弦桿組成，桁架的中弦桿多數為H 型。基于BIM 技術，對桁架構件進行分段分節處理，得出如下所示的桁架分節信息。上弦桿：規格1 200mm×1 200mm×600，最大單重為36.4t，焊縫長度為150.8m；斜腹桿：規 格1 200mm×1 200mm×80mm×40，最大單重為23.6t，焊縫長度為302.4m；下弦桿：規 格1 200mm×1 200mm×600，最大單重為16.5t，焊縫長度為154.8m；中弦桿：規格1 150mm×500mm×30mm×40，最大單重為2.3t，焊縫長度為20.8m；鋼柱：異形箱體，最大單重為80.4t，焊縫長度為167.2m。通過對桁架構件進行分段處理，使其結構構造全方位滿足運輸與吊裝的需求，方便現場施工操作，保證了桁架安裝施工的穩定性與安全性。

2.2 設計桁架下弦桿預留吊柱對接牛腿

根據桁架分布位置，對桁架下弦桿預留吊柱對接牛腿進行設計，方便后續桁架安裝施工過程中及時對桁架與吊柱之間進行對接就位與校正。根據某既有高層鋼結構建筑工程的實際施工需求，結合桁架分段分節后空間分布結構，本文設計了如圖1所示的桁架下弦桿預留吊柱對接牛腿。

圖1 桁架下弦桿預留吊柱對接牛腿

預留吊柱對接牛腿包括兩種，分別為桁架預留吊柱牛腿與吊掛層鋼結構預留吊柱對接牛腿，通過二者，實現施工過程中對接就位與校正的目標。在吊柱對接牛腿下部位置，安裝臨時對接固定裝置，保證桁架結構的穩固性。

2.3 吊點及吊耳設計

首先，針對桁架吊點進行設計。桁架吊點設計主要負責對吊點的數量與布設位置進行設計。依據桁架吊點布設相關原則可知，桁架吊點可以布設在3 個位置處。第一個，布設在桁架構件結構節點處，能夠方便構件結構傳力。第二個，布設在桁架吊件重心以上位置，避免被吊構件產生失穩問題。第三個，布設在桁架構件結構支座處，具有較高的穩定性，相對變形較小。吊點的數量盡量控制為偶數，使吊點兩側布設數量保持對稱，避免吊點兩端力矩出現失衡。結合吊點的布設情況，設計吊耳。本文設計的桁架吊點及吊耳示意圖，如圖2 所示。

圖2 桁架吊點及吊耳布設示意圖

如圖2 所示，本文設計的桁架吊點與兩個端口的距離為H／4，兩個桁架吊點之間的距離為H／2，其中H表示桁架分段分節處理后節段的單元長度，保證吊點與吊耳能夠布設在桁架構件的中間位置，起到穩定支撐的作用。

2.4 鋼結構建筑桁架安裝

在上述準備工作結束后，接下來，安裝鋼結構建筑桁架。首先，根據桁架構件的實際結構構造與吊裝設備的性能，計算桁架構件吊裝荷載公式為

其中，k1表示桁架構件吊裝動載系數，通常情況下取值1.2；k2表示桁架構件吊裝不均衡荷載系數，通常情況下在1.1～1.25 范圍內取值；dG表示桁架構件吊裝的重力荷載分項系數，通常情況下取值1.3；Gk1表示桁架構件荷載標準值。通過計算，得出桁架構件的吊裝荷載，綜合考慮吊具重量后，得出吊裝荷載設計值。在此基礎上，分3 段進行桁架流水安裝作業，桁架安裝順序為：26～21 軸桁架安裝→8～1 軸桁架安裝→20～9軸桁架安裝。

首先，安裝桁架整榀，確認安裝無誤后，安裝2 段次桁架。按已安裝次桁架間隔，安裝剩余外挑部分桁架與四周側弦桿。復核無誤后點焊，并固定對接焊接。基于超聲探傷原理，探測桁架構件各個位置的實際安裝情況，并進行質量檢測驗收，驗收合格后，完成既有高層鋼結構建筑桁架安裝。

3 桁架安裝結果對比分析

選取桁架構件位移變形量作為實驗的評價指標，在既有高層鋼結構建筑桁架安裝過程中，對桁架進行位移變形監測，實時獲取各個安裝施工階段桁架結構的位移變形情況。將位移變形監測點隨機布設在桁架構件上弦桿、下弦桿、中弦桿、斜腹桿以及鋼柱上，保證每個結構位置處均含有3 個監測點，分別標號為SXG-#01、SXG-#02、SXG-#03、XXG-#01、XXG-#02、XXG-#03、ZXG-#01、ZXG-#02、ZXG-#03、XFG-#01、XFG-#02、XFG-#03、GZ-#01、GZ-#02、GZ-#03。設定監測周期，在該周期內，使用高精度全站儀，實時讀取并記錄各個監測點的位移變形值，最后，取監測點位移變形平均值作為最終的監測結果。為了更加客觀地得出桁架安裝優勢與效果，采用對比分析的實驗方法，將本文提出的桁架安裝技術設置為實驗組，將文獻[1]提出的桁架安裝技術、文獻[4]提出的桁架安裝技術設置為對照組。采用MATLAB 統計分析軟件，對3 種技術應用后，桁架構件的位移變形結果進行統計與對比，結果如表2 所示。

表2 桁架安裝后位移變形值對比結果（單位：mm）

根據表2 的桁架位移變形值對比結果可以得知，本文提出的桁架安裝技術應用后，桁架構件結構的穩固性得到了顯著提升，桁架構件各個結構位置處的位移變形值均小于另外兩種安裝技術，最大位移變形值為3.24mm，位于桁架斜腹桿處。由此不難看出，本文提出的桁架安裝技術具有較高的可行性，安裝效果優勢顯著，適用于既有高層鋼結構建筑工程桁架安裝。

4 結語

通過本文的研究，提高了鋼結構桁架吊裝與施工的質量，獲取了不同時間變化規律下桁架應變的動態變化，全方位地保證了建筑工程施工安全，降低了既有高層鋼結構建筑桁架位移變形的概率，對大跨度鋼桁架的深入研究以及既有高層鋼結構建筑的建設與發展均具有重要研究意義。