大跨度屋面鋼桁架吊裝施工技術(shù)

邵建華 劉宸 王振田 王展光 徐鴻軒

摘要：結(jié)合臺州灣某中學(xué)項目體藝中心屋面，針對最大跨度鋼桁架的施工，對吊裝過程中的吊裝順序、吊機位置和吊機選型進行了優(yōu)化，并對吊裝時鋼桁架的強度和變形進行了計算分析，同時驗算了吊索強度和地基承載力，為相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)施工和安裝提供參考。

關(guān)鍵詞：大跨度鋼桁架； 施工技術(shù)； 吊裝方案

中圖分類號：TU758.15文獻標志碼：B

0引言

目前國內(nèi)大跨度鋼桁架的安裝方法大致分為跨內(nèi)吊裝和跨外吊裝兩種，其中包括分段吊裝高空拼接、高空散拼成形、高空滑移、整體提升、整體吊裝、整體頂升等［1］。在面對跨度較大的屋蓋，普通的混凝土支撐結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足結(jié)構(gòu)受力以及建筑布局要求。而鋼桁架具有剛度大，透風(fēng)性好，運輸方便、施工靈活等優(yōu)點，因此，鋼桁架結(jié)構(gòu)在大跨度空間結(jié)構(gòu)得到廣泛的應(yīng)用［2］。

本文結(jié)合臺州灣某中學(xué)項目體藝中心屋面，針對最大跨度鋼桁架的施工，對吊裝過程中的吊裝順序、吊機位置和吊機選型進行了優(yōu)化，并對吊裝時鋼桁架的強度和變形進行計算分析，同時驗算了吊索強度和地基承載力。

1工程概況

本項目為臺州灣某中學(xué)體藝中心屋面大跨度鋼桁架吊裝施工工程。由于體藝中心鋼桁架的最大跨度超過36 m，達到38.24 m，吊裝工藝比較復(fù)雜，因此需要編制鋼桁架吊裝的專項施工方案。本工程的總平面布置如圖1所示。

鋼桁架跨度大，重量重，建筑物場內(nèi)施工區(qū)域大小有限，且有地下室頂板，吊機只能布置于場外進行鋼構(gòu)件的拼裝、吊裝，如何合理布置吊機位置是本文施工方案研究的重點。大跨度鋼桁架的變形控制涉及到結(jié)構(gòu)外形以及金屬屋面安裝質(zhì)量的控制，是體現(xiàn)現(xiàn)場施工質(zhì)量水平高低的重要標準，這也是本文計算分析的重點。

該項目最大跨度鋼桁架弦桿截面翼緣厚度為55 mm，斜腹桿的翼緣厚度為35 mm。鋼材材質(zhì)為Q335B，桁架總重達到了38.9 t。最大跨度鋼桁架模型如圖2所示。

本文對大跨度鋼桁架進行吊裝計算分析，對吊裝機械進行選型，并通過有限元專業(yè)分析軟件SAP2000對鋼桁架進行精確的建模與數(shù)值模擬，從結(jié)構(gòu)撓度、構(gòu)件應(yīng)力比等多方面對鋼桁架的吊裝施工進行變形和強度分析，同時驗算了吊索強度和地基承載力。最大跨度鋼桁架3位于平面圖16、19軸，如圖3所示。

2吊裝工藝

2.1吊機選型

根據(jù)本項目鋼結(jié)構(gòu)總體施工安裝方案及構(gòu)件規(guī)格、重量、作業(yè)半徑等，通過經(jīng)濟對比，對吊裝位置進行放樣分析，最終選用1臺SAC4500型450 t汽車吊用作鋼桁架安裝時的主吊機，1臺XCT85型85 t汽車吊用作輔助吊機，負責主要構(gòu)件裝車與倒運、散裝構(gòu)件的安裝及吊裝單元的拼裝。

2.2吊裝方案

吊裝桁架前應(yīng)先焊接好屋頂層的鋼梁，完成效果如圖4所示。

鋼梁焊接完成后，采用450 t汽車吊跨外單片桁架整體吊裝的施工方案，按照以下各軸順序進行吊裝：15軸—16軸—18軸—17軸—19軸，分別安裝鋼桁架1—鋼桁架3—鋼桁架2—鋼桁架2—鋼桁架3。每片主桁架吊裝完成后，要及時用纜風(fēng)繩臨時固定。待兩片主桁架吊裝就位后，及時安裝相互連接的鋼梁等構(gòu)件，再進入下一榀鋼桁架的吊裝。鋼桁架1、鋼桁架2和鋼桁架3纜風(fēng)繩固定位置見圖5、圖6。

首先是第15軸鋼桁架1的吊裝，其重量約為14.16 t。將450 t汽車吊的中心停靠在距離17軸左邊1.5 m、AC軸下方6.55 m的位置。由于汽車吊外伸支腿跨距為9.4 m×9.6 m，為安全考慮，吊裝位置放樣時支腿跨距取為10 m×10 m，汽車吊的吊裝半徑設(shè)置為30 m。吊裝時將吊車主力臂從第15-16軸外框架梁的上方穿過，在桁架吊裝到指定位置后立即與鋼管混凝土柱進行焊接連接。

吊裝結(jié)束后立即在鋼桁架1的兩邊各設(shè)置兩道纜風(fēng)繩固定，然后焊接第13軸外圍鋼梁與鋼桁架1之間的次梁，以形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)體系，保證鋼桁架的平面外穩(wěn)定，完成效果如圖7所示。

第15軸鋼桁架1吊裝完畢后，吊機不改變位置，繼續(xù)吊裝第16軸鋼桁架3與第18軸鋼桁架2，汽車吊的吊裝半徑設(shè)置為28 m。吊裝完成效果和汽車吊的中心位置分別如圖8和圖9所示。

在上述吊裝完成后，將450 t汽車吊的中心轉(zhuǎn)移到距離第18軸右邊1.5 m、AC軸下方6.55 m的位置，汽車吊的吊裝半徑設(shè)置為28 m。吊裝時將吊車主力臂從第17-18軸外框架梁的上方穿過，在桁架吊裝到指定位置后立即與鋼管混凝土柱焊接連接，并及時在桁架兩邊各設(shè)置三道纜風(fēng)繩固定。

吊裝結(jié)束后，將次梁與第17軸鋼桁架2和第18軸鋼桁架2焊接連接，接著采用類似的方法進行第19軸鋼桁架3的吊裝，吊裝完成后將其與鋼管混凝土柱焊接連接，并用纜風(fēng)繩固定好位置，汽車吊位置與吊裝完成效果如圖10和圖11所示。

2.3吊點位置

根據(jù)最大跨度鋼桁架3的形狀、截面、長度和起重機性能等具體情況確定吊點位置和吊點數(shù)。為了保證鋼桁架在吊裝過程中的穩(wěn)定性和空中姿態(tài)的可調(diào)節(jié)性，并防止桁架發(fā)生過大變形，采用1臺450 t的汽車吊進行主吊，共4個吊點，另外1臺85 t的汽車吊進行輔助吊裝。汽車吊的吊鉤位置位于距離鋼桁架3上弦桿15 m處，吊點設(shè)置于桁架平面中心的正上方。

AC端到AN端四個吊點到AC端部的距離分別為5.3 m、10.67 m、25.87 m和30.87 m，AC端到AN端的鋼絲繩長分別為20 m、17 m、16.5 m和19 m。AC端到AN端鋼絲繩與上弦桿的水平夾角分別為47°、60°、65°和51°，吊點的具體位置見圖12。

3構(gòu)件參數(shù)及驗算分析

本文主要對最大跨度鋼桁架3進行計算分析。

3.1桁架構(gòu)件規(guī)格和重量

屋頂層第16、19軸的鋼桁架3桿件的材料主要為Q355B鋼，桁架總重為38.9 t，其截面規(guī)格見表1。

3.2計算模型

鋼桁架3吊裝時所受的荷載為構(gòu)件的自重作用。計算應(yīng)力比時，考慮動力放大系數(shù)1.1，以考慮起吊時的動力荷載，即分析模型自重荷載約50.57 t。吊裝時，汽車吊吊鉤對吊索相當于鉸接，吊索只承受拉力。在用專業(yè)有限元軟件進行分析時，設(shè)置拉壓限值中的壓力值為0，桁架的計算模型和邊界約束條件如圖13所示。

3.3桁架、吊索和吊鉤的內(nèi)力

吊裝過程中鋼桁架3、吊索和吊點的內(nèi)力如圖14～16所示，桁架下弦桿和中間上弦桿受壓、吊索和桁架大部分腹桿受拉。由此可知，屋頂層第16、19軸的鋼桁架3吊裝時，吊索所受的最大拉力值為183.67 kN，汽車吊吊鉤所受的荷載為517.06 kN。

3.4桁架變形

吊裝時鋼桁架3的變形如圖17所示，粗線代表吊裝變形后的鋼桁架，細線代表吊裝前未變形的鋼桁架。由圖可知，吊裝時的最大變形值為向下變形約6.19 mm，占桁架整個跨長的1/6178，相對變形很小，滿足GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》的限值要求［3］。

3.5構(gòu)件的強度

吊裝時鋼桁架3的應(yīng)力比如圖18所示。由于吊索的最大應(yīng)力比為0.241，主桁架構(gòu)件的最大應(yīng)力比為0.03，且大部分構(gòu)件的應(yīng)力比小于0.025，完全滿足構(gòu)件的強度要求。

3.6吊索強度驗算

單片鋼桁架3吊裝時，采用4根直徑為60.5 mm的6×37鋼絲繩作為鋼桁架的吊索。屋頂層第16、19軸的鋼桁架3從AC端到AN端4根鋼絲繩與上弦桿的水平夾角分別為47°、60°、65°和51°，且屋頂層第16、19軸的鋼桁架3吊裝時，吊索所受的最大拉力值為183.67 kN。考慮吊裝時的最不利工況，取八個值中的最大值183.67 kN，即單根吊索所受的拉力值為F=183.67 kN。

根據(jù)JGJ276-2012《建筑施工起重吊裝安全技術(shù)規(guī)范》［4］，可查得單根直徑60.5 mm的6×37鋼絲繩的破斷拉力值為2 115 kN。通過GB/T16762-2020《一般用途鋼絲繩吊索特性和技術(shù)條件》可查得多肢組裝吊索（與垂直方向角度相同且對稱分布的單肢吊索組成）的強度計算公式［5］。

由以上可知，鋼絲繩最小破斷拉力F0=2115 kN，接頭形式效能近似系數(shù)Ke=0.9，額定工作載荷計算系數(shù)K=1.5，安全系數(shù)Ku=5，換算系數(shù)Km=9.80665，代入公式可得吊索額定工作載荷為：

WLL=F0×Ke×KKm×Ku=2115×0.9×1.55×9.80665=58.23 t

而單根吊索所受的拉力值為：F=183.67 kN=183.67/9.80665=18.73 t

即吊索額定工作載荷WLL=58.2 t>F=18.73 t，滿足要求。

3.7地基承載力驗算

鋼結(jié)構(gòu)進場前需要對廊道內(nèi)外大型吊機的行走通道及道路進行平整夯實。450 t汽車吊道路承載力達到15 t/m2，即fa=150 kPa。汽車吊工作時四個支腿下部應(yīng)各墊一塊2.8 m×2.8 m大小的鋼板，厚度為50 mm，以保證地面受荷均勻。

450 t汽車吊自重60 t，配重142 t，共202 t，即G=2020 kN。桁架的最大受荷為F=517.06 kN。考慮起吊時動載因素，取動力放大系數(shù)為α1=1.2；同時，考慮吊裝時四腳不平衡因素，取不均勻系數(shù)α2=1.3，則地基承載力驗算：

f=NA=1.2×1.3×2020+517.06×1034×2.8×2.8=126×103 Pa=126 kPa

滿足要求。

4結(jié)論

本文對大跨度鋼桁架進行吊裝施工設(shè)計，并用有限元專業(yè)軟件數(shù)值建模分析之后，得到結(jié)論：

（1）在跨度較大的鋼桁架以及其功能背景之上，考慮吊裝順序、吊機位置、吊機選型、鋼桁架強度、變形、吊索強度以及地基承載力等因素，綜合設(shè)計出大跨度鋼桁架吊裝方案，滿足工程需求、自身安全性能及建筑空間的布局要求。

（2）吊裝時最大跨度鋼桁架的最大變形值為6.19 mm，是桁架整個跨長的1/6178，相對變形很小，鋼桁架變形滿足規(guī)范要求，吊裝方案設(shè)計合理。

（3）吊索的最大應(yīng)力比為0.241，主桁架構(gòu)件的最大應(yīng)力比為0.030，吊索所受的最大拉力值小于吊索額定工作載荷，構(gòu)件和吊索的強度滿足要求，可供類似工程借鑒。

參考文獻

［1］趙王軍. 大跨度鋼桁架吊裝施工技術(shù)應(yīng)用［J］， 建筑科學(xué)與工程，2021.

［2］趙王軍. 淺談72米大跨度鋼桁架吊裝施工技術(shù)應(yīng)用［J］， 建筑科學(xué)與工程，2021.

［3］鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準：GB50017-2017［S］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.

［4］建筑施工起重吊裝安全技術(shù)規(guī)范：JGJ276-2012. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［5］一般用途鋼絲繩吊索特性和技術(shù)條件：GB/T16762-2020. 北京：中國標準出版社，2020.

［基金項目］貴州省教育廳高等學(xué)校科學(xué)研究項目（項目編號：黔教技［2022］372號）

［作者簡介］邵建華（1979—），男，博士，教授，研究方向為結(jié)構(gòu)抗震。

［通信作者］王振田（1984—），男，本科，高級工程師，研究方向為建筑工程施工。