大跨度鋼筋混凝土桁架搭建技術

鄭睿智

（福建省二建建設集團有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

在當今城市化和教育需求不斷增長的背景下，大型教育工程項目的建設變得愈發重要。大跨度鋼筋混凝土桁架結構，作為一種能夠兼顧抗震性和空間效率的工程形式，備受關注。大跨度鋼筋混凝土桁架搭建技術的研究已在土木工程領域展開。這種結構形式不僅能夠有效地承受大型教育工程的重荷載，還為建筑提供了更大的空間。然而，這些復雜結構的施工過程充滿了挑戰。在大跨度桁架的超重搭設階段，需要確保吊裝點位的準確性，合理配置吊裝設備和支撐架，并充分考慮地基承載力。支撐架的設計和穩定性對超重搭設至關重要[1]。在澆筑大跨度混凝土構件時，混凝土的均勻性和強度至關重要。已有研究提出了混凝土配比的優化、振搗設備的合理布置、澆注順序的設計以及養護措施的加強等解決方案[2]。施工效率和質量控制對于工程的成功也至關重要。已有研究強調了實時監測施工過程中的關鍵參數，以確保高效的施工和質量控制[3]。本文針對大跨度鋼筋混凝土桁架搭建技術中的超重搭設、支撐架設計、混凝土質量澆搗等關鍵問題，提出了一種基于地基承載力的支撐架設計方法，以確保支撐架在超重搭設過程中的穩定性，減少沉降或傾斜的風險。

1 大跨度鋼筋混凝土桁架搭建技術綜述

1.1 工程概況

沙縣教育補短板工程基礎設施建設PPP項目，即沙縣第一中學分校建設項目，位于福建省三明市沙縣。該項目總建筑面積為26 217.17m2，包含六棟建筑，其中包括1-4#教學樓、藝體館、圖書辦公綜合樓。各建筑的設計抗震設防類別為乙類，安全等級為一級，抗震設防烈度為6度，建筑結構形式為框架結構。在此背景下，該項目需要應對地域特點、抗震要求等多重挑戰，以確保施工質量和結構穩定性。

1.2 結構設計與特點

沙縣第一中學分校建設項目的建筑結構采用框架結構，以應對地震和建筑安全要求。不同建筑根據其特點和所在地區抗震等級的不同，分別采用了不同的抗震措施。根據結構設計，教學樓的抗震等級為二級，其余建筑的抗震等級為三級。

其中藝體館屋面為鋼筋混凝土桁架結構，桁架跨度約24m，搭設高度約7m，根據《福建省危險性較大的分部分項工程 安全管理標準》（DBJ/T 13-416-2023），屬于超過一定規模的危大工程（超重超跨搭設構件）。具體如圖1～2所示。

圖1 藝體館屋面整體圖

圖2 藝體館屋面細節圖

混凝土桁架作為現代建筑中的關鍵結構形式，具有獨特的設計和特點。混凝土桁架的結構設計充分利用了混凝土材料的高強度和耐久性，能夠有效地承受大跨度建筑的重荷載。桁架結構的設計通過合理的布局和構件連接，實現了建筑結構的穩定性和安全性，為大跨度空間提供了可靠的支撐。

混凝土桁架的特點在于其適應性和可塑性，能夠滿足不同建筑形式和設計要求。混凝土材料可以根據需要進行定制，實現多樣化的外觀和結構效果。

混凝土桁架以其強大的承載能力、適應性和可塑性，在大跨度建筑的設計和施工中發揮著重要作用。通過充分發揮混凝土材料的優勢，混凝土桁架為現代建筑帶來了穩定性、耐久性和多樣化的設計可能性。

1.3 超重、超跨搭設

在大跨度鋼筋混凝土桁架的施工中，超重搭設是一個關鍵環節，要確保整個過程安全高效。搭設階段，需精準確定吊裝點位，根據結構特點和荷載情況，合理配置吊具和支撐架，確保其穩固可靠。支撐架搭設時，要充分考慮地基承載力，采取適當加固措施，確保支撐架在超重搭設過程中不發生沉降或傾斜。在支撐架的搭設過程中，首先需要對施工現場進行詳細的勘測和分析，確保地基的穩定性和承載力，以便選擇合適的支撐點位和支撐方式。隨后，根據桁架的結構特點和荷載情況，設計出科學合理的支撐方案。在搭設過程中，要確保支撐架的材料質量符合規定，承受荷載的能力充足。

搭設支撐架的過程需要高度的技術和操作技能。操作人員需要嚴格按照支撐方案，準確地進行支撐架的組裝和搭建，確保每個連接點的緊固牢固，桿件的穩定性。在搭設高度超過一定限制的情況下，還需要考慮風力等外部因素對支撐架的影響，采取相應的穩定措施。

支撐架的調整和校正也是關鍵步驟。在支撐架搭設完成后，需要對支撐架進行檢查和測試，確保其水平、垂直度等達到要求。如有偏差，需要及時進行調整，保證支撐架的穩定性和安全性。

同時，在支撐架搭設過程中，操作人員需要保持緊密的溝通和協調，確保各個環節的銜接順利。定期對支撐架進行檢查，及時發現并處理可能存在的問題，確保搭設過程中不出現安全隱患。

超重搭設作為大跨度混凝土桁架施工的難點，要求施工團隊具備深厚的技術實力和豐富的實踐經驗。通過科學規劃、精細技術應用以及團隊協作，可以成功克服挑戰，保證工程質量、進度和人員安全。

本工程構件最大尺寸為500mm×1 200mm（預應力梁），最大跨度24m，最大搭設高度約7m。其混凝土桁架如圖3所示。

圖3 混凝土桁架結構圖

采用鋼管式扣件腳手架進行支撐架搭設，采用φ48.3×3.6鋼管架，梁底布置3根立桿，立桿橫向間距0.9m，步距1.5m進行布置。通過品茗安全計算軟件計算，通過驗算。由于此條梁跨度超過18m，每隔6m設置一道構造柱。

1.4 超跨大體積混凝土構件的質量澆搗

超跨大體積混凝土構件的質量澆搗是確保工程結構強度和耐久性的重要環節。在這一過程中，施工團隊需要采取一系列嚴密的措施來保障混凝土的均勻性、致密性和強度。具體現場情況如圖4和圖5所示。

圖4 現場支撐架搭設情況

圖5 構造柱設計情況

混凝土配比優化：針對超跨大體積構件的特點，施工前需進行細致的混凝土配比設計。通過調整水灰比、添加摻合材料等方式，確保混凝土擁有適當的流動性和可澆性，以便在澆筑過程中能夠均勻填充構件內部。

澆筑工藝控制：在澆筑過程中，施工人員需合理布置振搗設備，確保混凝土在充分振搗下能夠均勻分布并順利排除氣泡。通過采用高效的振搗技術，可以有效提高混凝土的密實性和強度。

澆注順序設計：對于大體積構件，合理的澆注順序設計可以降低澆筑過程中的溫度差異和收縮裂縫風險。通常采取分段澆筑的方式，逐段完成澆筑、振搗和養護，以減少內部溫度和應力的集中。

超跨大體積混凝土構件的質量澆搗需要綜合考慮材料性能、工藝流程和施工環境等多個因素。通過科學合理的配比設計、嚴格的工藝控制以及有效的質量監控，可以保證混凝土構件在澆筑過程中達到預期的強度和耐久性要求。

2 技術難點與風險

2.1 超重搭設中的精確計算和吊裝點位確定

大跨度鋼筋混凝土桁架搭建過程中，精確計算和確定吊裝點位是一項復雜而重要的任務，需要充分考慮結構幾何形狀、重量分布、構件尺寸、荷載情況和地基承載力等多個因素[4]。

負載分析數據：

風荷載：根據實際氣象數據，模擬了風速為25 m/s時的風荷載，根據設計風速和相關風荷載計算標準，可以使用以下公式來計算風荷載（風力作用面積乘以氣壓差）：

式中：ρ為空氣密度（通常在標準條件下為1.225kg/m3）；A 為受風面積，即桁架的橫截面積；V 為設計風速，單位為m/s；計算出最大風荷載為1 500 kN。

地震力：根據地震區位和地震烈度，模擬了地震作用下的最大水平地震力為1 800 kN。

桁架結構參數：具體數據包括桁架的長度為60m、高度為12m，要受力部位的截面尺寸為1.2m×1.2m。

三維掃描數據：地面不平整度：激光掃描技術實時采集的數據顯示地面平整度為±5mm，以及地面局部高低差不超過20mm。

桁架幾何特征：掃描數據提供了桁架在搭建前后的精確三維形狀變化，包括彎曲度、尺寸變化等。例如，桁架彎曲度不超過2mm。

自動化控制系統數據：

（1）實時負載數據：自動化控制系統實時監測吊裝點位的負載情況，確保吊裝操作不超過設計承載能力。例如，實時負載數據顯示吊裝點位的實際負載為1 350 kN。

（2）吊裝設備參數：系統允許操作員在吊裝過程中調整設備參數，如吊鉤速度、回轉角度等。例如，吊裝點位的回轉角度可實時調整，精確到每0.1°。

2.2 施工效率與質量控制問題

在大跨度鋼筋混凝土桁架搭建中，存在以下施工效率與質量控制方面的問題。施工工期壓力是一大挑戰，因為通常需要在有限時間內完成工程以滿足項目進度要求，這可能導致施工團隊面臨加班和超負荷工作，對工程質量和工人安全性帶來不利影響。施工現場可能存在資源限制，包括人力、設備和材料，因此需要合理的資源管理來確保施工效率。嚴格的質量要求，包括結構穩定性、混凝土均勻性和焊接質量等，需要復雜的質量控制，以避免結構缺陷和質量問題。

3 對策與解決方案

3.1 結構設計優化

在大跨度鋼筋混凝土桁架施工中，建設單位與設計單位緊密合作，確保施工的順利進行以及結構設計的優化。通過深入研究設計圖紙和方案，全面理解桁架結構及其相互關系。例如，桁架的具體參數包括跨度為60m、高度為12m，主要受力截面的尺寸為1.2m×1.2m，混凝土等級為C50，強度達到50MPa。這些詳細數據確保施工避免誤解和偏差，將設計意圖準確實施。

在施工過程中，保持及時溝通，迅速解決問題。通過有限元分析，驗證桁架結構的穩定性和安全性，計算出最大承載能力為1800 kN，以確保施工過程中不會出現結構問題。在施工前，建設單位與設計單位協商，明確潛在的調整點，并進行必要的結構調整以適應實際施工需求。這種密切合作確保在結構優化的引導下，能夠成功完成大跨度鋼筋混凝土桁架的施工，實現工程的安全、高效和優質。

3.2 施工工藝改進

在大跨度鋼筋混凝土桁架施工中，采用了先進的三維建模和模擬技術，以創建精確的結構模型。這一模型包括數百萬個節點和元素，以準確地反映桁架的復雜形狀和結構細節。模型數據包括結構節點的坐標、每個構件的幾何參數、材料屬性（如混凝土強度和鋼筋規格）以及連接方式。這使建設單位能夠進行高精度的結構分析。鋼筋混凝土桁架施工連接處三維三維模型如圖6所示。

圖6 鋼筋混凝土桁架施工連接處三維建模圖

針對不均勻的重量分布問題，使用了高精度傳感器技術和實時數據監測系統。這些傳感器每秒采集并傳輸數千次數據，以提供關于構件重心位置和重量分布的高精度信息。可以準確到0.01mm來監測構件的垂直位移和重心偏移，這些數據用于及時調整吊裝點位以保持結構的平衡。

對于大尺寸構件的挑戰，設計了高度定制化的吊裝裝置和支撐結構。這些裝置的設計基于詳細的結構參數數據，包括構件的重量、尺寸、質心位置以及材料特性。使用了超高強度合金鋼制造吊裝梁，其t位可達500t，以確保對大型構件的安全吊裝。

在復雜荷載情況下，進行了詳盡的荷載分析和模擬。通過結構分析軟件，進行非線性有限元分析，考慮到不同荷載情況下的結構響應。數據包括荷載大小、方向、荷載點位和結構的反應力數據。可以精確到每0.1s來模擬風荷載、自重和附加荷載等，以確定最佳的吊裝點位。

4 存在問題與未來發展方向

盡管在多個方面取得了顯著進展，大跨度鋼筋混凝土桁架建筑仍面臨一些挑戰。例如，在結構設計中，針對更大跨度的建筑，如何進一步優化桁架結構以滿足更高的抗風、抗震要求是一個值得研究的問題。在智能建筑方面，如何實現建筑設備之間的更精細化協調和智能化決策，以提高建筑整體性能和用戶體驗，也需要進一步深入探討[5]。

5 結論

本文對大跨度鋼筋混凝土桁架搭建技術進行了深入研究，以沙縣教育補短板工程基礎設施建設PPP項目為例，探討了大跨度桁架結構的施工挑戰與技術難題。通過前文的分析和討論，得出以下主要結論：

（1）結構設計優化是確保大跨度桁架施工成功的關鍵因素。通過與設計單位密切合作，充分理解結構特點，進行精確的計算和模擬分析，可以有效解決復雜結構幾何形狀、不均勻的重量分布和大尺寸構件的挑戰。

（2）施工工藝的改進是提高施工效率和質量控制的必要手段。采用先進的三維建模技術、傳感器監測系統和荷載分析方法，可以有效應對超重搭設、大尺寸構件和復雜荷載情況，確保施工過程安全高效。

（3）地基承載力的不確定性需要引起重視。通過地質勘察、地基測試和實時監測技術，可以更準確地預測和調整地基承載力，降低潛在風險。

綜上所述，大跨度鋼筋混凝土桁架搭建技術的研究和應用為滿足現代城市化和教育基礎設施需求提供了有力支持。同時，隨著智能建筑技術的不斷發展，還需要不斷探索更智能、更可持續的大跨度桁架結構，以滿足城市發展的不斷需求。