大跨度鋼結構吊裝施工技術研究與應用

鄭軍委，桑兆龍，孫治民，孫孝蕾，許廣勝

（中國建筑第二工程局有限公司，北京 100071）

1 引言

隨著大跨度鋼結構在國內的使用越來越廣泛，外形越來越新穎，尺寸越來越大，對建筑技術的要求也越來越高。大跨度空間建筑的工程技術和工程建設中所出現的諸多力學和技術問題引起了廣泛的關注。為了確保結構安全經濟，必須制訂出合理的施工計劃，對工程進行科學的分析。

2 大跨度鋼結構工程的特點及應用

鋼結構是我國建筑領域新興的一種建筑形式，很多大型的現代建筑都采用了鋼結構。鋼結構建筑與鋼筋混凝土、砌體、木結構建筑相比優勢顯著，一般由鋼梁、鋼管、鋼板等鋼梁、鋼柱、鋼桁架等構成。通常采用焊接、螺栓、鉚接等方式進行構件的連接，由于材料均勻、機械性能好、重量輕、強度大以及加工方便，施工速度快等特點，在工業廠房、體育館等大型建筑工程中得到了廣泛使用[1]。

3 吊裝施工技術保證條件

3.1 鋼結構構件的出廠檢查及驗收

檢驗內容為：焊接材料、鋼構構件、涂裝材料、高強螺栓等原材料，對鋼材的一次、二次焊縫進行超聲檢測和表面品質檢驗，構件的幾何形狀、螺釘孔的定位和孔洞、焊接槽口、接頭夾角和定位、配件的規格和數目等，鋼材表面涂層的檢驗，高強度螺栓摩擦面檢驗和檢驗報告。

3.2 鋼結構構件的出廠運輸

為了確保在工地上正常起重，鋼材的供應要與工地的起重進度保持一致，對于異形、大構件運輸必須制訂運輸計劃，運輸方案應考慮構件的自重，由于城市交通等客觀條件的原因，鋼鐵需放在鋼架上進行搬運，使用鋼絲繩固定時，應注意對鋼結構四角的保護，為了防止鋼纜的腐蝕和變形，在運輸過程中應確保鋼纜穩定，并在裝卸時進行平衡作業，確保汽車和部件的穩定性。在搬運時產生的高強度螺釘的摩擦磨損，必須在生產之前用柔軟材料將其摩擦表面包裹嚴實，如平臺、次梁等，為了避免在搬運時出現混亂，必須進行分級包裝。

3.3 鋼結構構件的進場驗收

鋼構件在進入現場之前要根據出運單進行檢驗，主要是檢驗來料鋼材的規格、數量、型號等，特別要注意在搬運期間的變化和破損，如果發現有變形或破損，要進行糾正和修理。

3.4 鋼結構構件進場后的報驗

進場后，對鋼材進行自查并填寫進場材料、構配件報批，還要上報監督和施工單位，鋼材的對接焊接必須經過第三方的目視檢查和直角焊的目檢[2]。

3.5 安裝前準備

在安裝鋼結構之前，要對建筑物的定位軸線和標高進行檢驗，并進行地基檢驗和移交，混凝土強度要滿足安裝需要。與監理、上一道工序的施工方共同對構件的軸線位置、標高等進行重新測量，并做記錄、驗收通過后方可進行下一步工藝的建設。

3.6 水準點及定位軸線的復測

按工程主管單位所定標高進行封閉測量，在保證視野正常的情況下，可以將控制點設置在建筑物內或鄰近不易破壞的區域，并做好控制點防護。

4 大跨度鋼結構常見安裝方法

4.1 高空原位單元安裝法

高空原位單元安裝法是在指定的地點直接對吊鉤和桿件進行設計和安裝的方法。采用這種方式，可以進行構件的高空放置并保證工作臺的安全，但必須事先設置滿堂支撐。由于吊鉤和桿件重量較輕，該方法不會加重吊裝設備的負荷，一般的吊裝設備都能達到使用要求。理論上，在任何形式的大跨度鋼結構中，高空原位單元安裝法都可以使用，但是在大型建筑中，該安裝方法需要更多的材料、更大的施工場地、更多的支撐以及更多的高空作業，因此，在工期較短的情況下不適用。

4.2 滑移安裝法

4.2.1 結構滑移法

結構滑移技術是指在有條件的地方，將結構構件先安裝好，然后通過滑移系統將裝配好的結構送到指定地點，再進行組裝。結構滑移方法的優點包括：（1）可以將所需機械裝置安置在相對固定的場地，所需支撐和操縱平臺的數量較少，場地處理費和機器管理費用也會大大降低，從而確保了項目的經濟效益。（2）采用結構滑移方法，其結構支撐有利于滑移軌道的鋪設，并且滑動路徑越長，工作效率也就越高。（3）由于滑移構件在進入工地前就已裝配好，屬于幾何不變系統，在施工中能維持一定的剛性和穩定性。在實際工程中采用結構滑移法時,應注意，滑動過程中有機械損耗和功耗也有可能損傷滑移裝置，所以，應盡量減小滑動阻力。

4.2.2 支承滑移法

支承滑移法是將支撐架設于結構的預設部位，提供作業平臺及支撐，當完成一部分結構的安裝工作后，支架可以滑移至下一段需要安裝的鋼結構處，如此循環直到完成整個安裝。支承滑移與結構滑移有很大的不同，它可以看作是滑動支承結構而非滑動結構[3]，當施工現場沒有任何可以利用的空間時，可以采用該方法。不論是結構滑移法還是支承滑移法，其滑行軌跡均非一般直線。在大型項目中，曲線滑行的效果要好于直線滑行，既節省了支撐機構的材料，又可以與其他工種科學搭配交叉作業。

4.3 大跨度懸挑鋼結構無支承安裝法

大跨度懸挑鋼結構無支承安裝法是采用懸挑鋼結構的剛性和起重設備，逐步延伸、分段安裝的方法。大跨懸挑式鋼架無支撐的安裝方法與高空現場安裝有相似之處（二者均在較高的現場進行），但也存在不同。大跨懸挑式鋼架不需預設支撐結構，施工措施較少，工藝較簡便[4]，因此，在結構剛度大、結構穩定、本體結構高的情況下，具有很好的推廣應用價值。但是，在大跨懸挑式鋼結構中，由于其自身重量過大，容易引起懸挑段下撓，從而造成構件安裝坐標不準確，很有可能無法完成。

4.4 整體提升法

當遇到大跨度鋼結構時，如果鋼結構形式規整，安裝支撐胎架不但煩瑣且造價昂貴，這時可采用全吊裝安裝方法，即將整個吊車安裝在地面或者合適的樓層上，然后將其組裝起來，借助升降系統將整個結構抬升到設計高度。在大型屋面施工中，普遍采用整體吊裝方法。與其他方法相比，整體式提升法具有以下5 個優點：（1）高空作業量大大縮減，工人的高空作業更安全[5]。（2）大大提高了工作效率。（3）減少了施工中使用的臨時設施，如胎架、腳手架等。（4）由于安裝高度的降低，一般的塔吊就能滿足項目的要求，從而節約了使用大型塔吊的成本。（5）可以和其他項目進行交叉操作，大大加快了施工進度。但是，整體提升法不適合提升裝置規格小的情況，另外，大跨度鋼結構剛度小，邊界安裝精度高，盲目使用會影響整體精度。

5 工程實例

5.1 工程概況

A 工廠的主體結構包括2 個拱、20 個鋼架（包括平面桁架、實腹式工字鋼框架和折線鋼架），桁架拱形跨度為100 m+49 m，高度為29 m。其中，最大跨徑為41 m 的平面桁架最大跨為18 m，梁高為900 mm。3 個橫向支承沿房頂縱向排列，在下部的混凝土芯筒頂部由桁架拱支撐，在下部柱頂部采用鋼桁架和實腹型工字鋼梁鉸接。

5.2 施工方案分析

在全屋結構施工中，桁架拱的安裝是最困難的，由于跨度達33 m，在實際工程中很難實現整體吊運。而本設計中所使用的空間弧形網架，由于構件規格和形式較多，采用高處散料施工難度大、造價高。經對比，最終選用分段吊運的安裝方法[6]。由于本工程中的網拱結構體量較大，在吊運過程中必須充分重視結構的受力和施工經濟效益。在吊裝過程中，部分結構跨度過大，導致桁架在起重過程中產生很大的下撓，這將會對整個焊縫的焊接和整體的線型產生不良影響，同時，結構太小，會增加吊裝作業量，使大件起重機的使用效率下降。經認真比較和分析，確定分段吊裝的構件長度限定在25 m 左右，為了方便運輸，采用“散件出廠，就地組裝”的方法。

5.3 結構施工

5.3.1 主體構件加工

該項目主要鋼結構為桁架拱，其橫截面為三角形鋼管，全長160 m 左右，按照施工方案，采用分段吊裝，每根桁架拱單元的吊裝長度為26 m，每根桁架的邊長都在5 m 以上，超出了運輸極限。需要在A 工廠內進行零配件的加工，在到達現場后，將胎架安裝在現場進行裝配。（1）原材料。在實際應用中，一般采用Q345Bo 鋼和H 型鋼兩種類型。（2）胎座的構造及技術要求。根據施工現場情況，設計了一種由路基箱、H 型鋼、千斤頂構成的桁架裝配式焊接平臺。胎架必須符合強度和安全要求，路基箱體要壓實，胎座和路基箱的連接要牢固。（3）組裝工藝。首先，將桁架拱上弦桿放入胎架，焊接上弦腹桿和下弦腹桿，然后，將下弦桿的一側放在胎座上，最后，將腹桿與上弦腹桿和下弦桿焊接在一起。

5.3.2 結構吊裝

針對A 工廠的結構特點，結合現場施工情況，采用1 臺7150 型150 t 的履帶式起重機，分3 個階段進行吊裝，最大起重325 kN（32.5 t）。采用KHl80-2 型50 t 履帶起重機，將2 座桁架拱肋間的工字鋼和屋頂橫向系桿進行吊裝。吊運過程中，在桁架拱的節點下面設置了措施桁架，1～3 軸拱段在館外進行，4～19 軸拱段在館內進行。在完成其他部件之前，先對桁架拱進行定位。在兩個縱拱之間的工字形結構中，1～3 軸工字鋼部件在室外用起重機進行單臺吊裝，4～19 軸工字鋼梁在室內進行單臺起重[7]。1～3 軸工字鋼部件由兩個V 形橫斷面和一個直斷面組成，其施工方法是將V 形斷面懸挑至網架拱形，然后進行垂直分段吊運。9-18 軸的V 形截面的長度超過3 m，在吊裝作業中，在V 形斷面與直斷面交會處應安裝一個臨時支撐。利用起重機將平面網架和鋼梁的構件沿單臂吊裝。

經多輪觀測，確認成型后零件連接性能良好，整體結構受力均勻，滿足原設計要求，不僅保證了項目的順利進行，而且保證了項目的順利進行，從而保證了項目的質量，達到了預期的目的。

6 結論

通過對大跨度鋼結構吊裝施工技術的研究和應用實例的分析，可以得出以下結論：案例工程采用的吊裝施工技術在提高施工效率和安全性方面有良好的效果，并且具有一定的推廣價值，未來還可以進一步優化吊裝方案，提高施工效率，并加強對施工過程中的各項安全措施的研究與應用。