大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)安裝施工技術(shù)

黃紅剛

(武漢鋼鐵建工集團(tuán)有限責(zé)任公司　湖北　武漢：430081)

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大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)安裝施工技術(shù)

黃紅剛

(武漢鋼鐵建工集團(tuán)有限責(zé)任公司湖北武漢：430081)

摘要以武漢張之洞與近代工業(yè)博物館工程懸挑鋼結(jié)構(gòu)安裝為例，從設(shè)定控制目標(biāo)、確定安裝順序、計(jì)算主要構(gòu)件在安裝過(guò)程中的內(nèi)力情況、支撐胎架設(shè)計(jì)、支撐胎架卸載等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并在該工程中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，取得了良好的效果，總結(jié)出了大型懸挑鋼結(jié)構(gòu)的安裝技術(shù)和方法。

關(guān)鍵詞懸挑鋼結(jié)構(gòu)；安裝順序；內(nèi)力計(jì)算；支撐胎架；卸載

張之洞與近代工業(yè)博物館由美國(guó)建筑大師李博斯金設(shè)計(jì)，其外形猶如一艘乘風(fēng)破浪的船。建筑高度約43.8m，總建筑面積8315.3m2。工程全部采用鋼結(jié)構(gòu)形式，其主體結(jié)構(gòu)由兩個(gè)核心筒及兩個(gè)上下球面組成，大部分構(gòu)件為懸挑構(gòu)件，其中船頭懸挑水平距離最大達(dá)到22m，安裝過(guò)程中需要拼裝成若干桁架進(jìn)行整體吊裝，并在吊裝過(guò)程中進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算[1]。對(duì)懸挑構(gòu)件，利用臨時(shí)支撐胎架保證施工，同時(shí)對(duì)吊裝及卸載過(guò)程通過(guò)計(jì)算軟件進(jìn)行內(nèi)力分析仿真模擬計(jì)算，確保施工過(guò)程中的安全。本文以該工程為例，探討一下大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)。

1工程特點(diǎn)和施工順序

該工程異型大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)外挑長(zhǎng)度大，鋼構(gòu)件懸空布置，無(wú)任何支撐，需要利用臨時(shí)支撐胎架保證施工。異型大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)的起拱值精度控制困難，利用支撐胎架上的鋼支座和千斤頂可很好地控制起拱值。整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)安裝完之后，利用卸載技術(shù)完成結(jié)構(gòu)卸載和胎架拆除。異型結(jié)構(gòu)空間狀態(tài)復(fù)雜，空間尺寸精度要求高，利用軟件建立等比例三維實(shí)體模型，通過(guò)模型實(shí)現(xiàn)空間尺寸的定位。

根據(jù)該工程的特點(diǎn)，該工程分為兩大施工步驟：第一步，主體內(nèi)框架安裝，該部分為一般多層鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)，按照從下至上的順序依次安裝各層平臺(tái)(圖1)；第二步，主體內(nèi)框架安裝完之后，開(kāi)始搭設(shè)臨時(shí)支撐胎架，按照設(shè)定的順序安裝懸挑部分框架(圖2)。本文主要探討第二步懸挑結(jié)構(gòu)的安裝技術(shù)。

圖1　內(nèi)框架完成后狀態(tài)

圖2　懸挑部分完成后狀態(tài)

2設(shè)定安裝施工控制目標(biāo)

本工程在形成主體內(nèi)鋼框架，架設(shè)好懸挑部分臨時(shí)支撐胎架之后，開(kāi)始按照一定的順序安裝懸挑部分框架，直到主要構(gòu)件全部吊裝完成。采用整體構(gòu)件拼裝、吊裝與散件吊裝結(jié)合方法，對(duì)無(wú)法拼成整體的構(gòu)件增加臨時(shí)構(gòu)件。在這個(gè)過(guò)程中，需要控制每一步吊裝的散件或整體拼裝桁架在結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重及施工荷載下的位移與內(nèi)力是否超限。

2.1位移控制目標(biāo)

對(duì)每個(gè)安裝步驟完成吊裝的散件或整體拼裝桁架，嚴(yán)格控制位移，在安裝關(guān)鍵控制點(diǎn)處，要求其側(cè)移不超過(guò)5mm。對(duì)位移限值超過(guò)這一目標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)，需加相應(yīng)的臨時(shí)支撐，加上支撐后重新驗(yàn)算控制點(diǎn)位移，修改支撐剛度、支撐點(diǎn)位置，直到控制點(diǎn)位移滿足要求。

2.2內(nèi)力控制目標(biāo)

本工程±0.000以上鋼結(jié)構(gòu)采用的鋼材標(biāo)號(hào)為Q345B和Q420GJ-C兩種，在安裝過(guò)程中和安裝完成后臨時(shí)胎架的卸載過(guò)程中，嚴(yán)格監(jiān)控每個(gè)安裝子步和卸載子步下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的軸力、彎矩和剪力，并計(jì)算應(yīng)力比是否超限。

另外，在散件或整體拼裝桁架安裝過(guò)程中，須有效地固定構(gòu)件活動(dòng)端，防止構(gòu)件屈曲失穩(wěn)。

3建立模擬計(jì)算模型

本工程采用SAP2000計(jì)算軟件進(jìn)行建模計(jì)算，其在三維結(jié)構(gòu)整體性能分析，結(jié)構(gòu)彈性靜力及時(shí)程分析功能相當(dāng)不錯(cuò)，后處理方便。另外，SAP2000 v14.0漢化版引入了中國(guó)規(guī)范，具備一定的鋼框架設(shè)計(jì)/校核功能，用以檢查校核安裝過(guò)程中和胎架卸載過(guò)程中鋼構(gòu)件的內(nèi)力信息[1]。

3.1輸入截面及材料屬性建立模型

利用AUTOCAD的的分圖層導(dǎo)入功能，可以很方便的搭建起模型。在各圖層指定組和截面屬性，可以將不同截面和材料的構(gòu)件定義屬性，建立計(jì)算模型。

(1)將地下室混凝土強(qiáng)度等級(jí)及上部鋼結(jié)構(gòu)鋼材強(qiáng)度等級(jí)分別輸入計(jì)算程序中，如表1所示。

(2)將180種各種混凝土土截面和鋼結(jié)構(gòu)箱型截面、工字形截面及異性截面進(jìn)行截面屬性定義。在上部鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，樓層板尚未安裝，因此，在計(jì)算模型中將板定義為沒(méi)有質(zhì)量、剛度的虛面，除了傳遞豎向荷載外，不參與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析。

表1　輸入材料屬性

3.2荷載信息

根據(jù)中南建筑設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的張之洞博物館結(jié)構(gòu)施工圖，給出的基本荷載信息如表2所示。

3.3計(jì)算模型對(duì)比驗(yàn)算

為了保證鋼結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程分析的準(zhǔn)確性，應(yīng)把本次分析在結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下的結(jié)果與主體設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)中南建筑設(shè)計(jì)院圖紙給定的8個(gè)控制點(diǎn)在恒載和活載作用下的位移與本次模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如表3所示。

表2　計(jì)算模型荷載信息(kN/m2)

表3　各控制點(diǎn)豎向位移

從各控制點(diǎn)位移對(duì)比結(jié)果可知，各控制點(diǎn)位移計(jì)算值與設(shè)計(jì)要求值差異在10%內(nèi)，可以判定建立的SAP模型能正確反映結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，能過(guò)對(duì)鋼構(gòu)安裝過(guò)程進(jìn)行內(nèi)力分析。

4設(shè)計(jì)制作支撐胎架

結(jié)構(gòu)施工未形成整體之前不能完全靠自身承載或保持穩(wěn)定，因此在其建造過(guò)程中總是需要支撐。本工程涉及到的胎架均為安裝支撐胎架[2]。

根據(jù)懸挑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和連接特點(diǎn)，在外框連接部位設(shè)置支撐胎架，圖3所示為張之洞博物館下球面在XY平面上的投影圖，其框架四周共布置了12個(gè)臨時(shí)支撐點(diǎn)，即圖中T1～T12。

圖3　臨時(shí)胎架支撐布置圖

5確定安裝方法及安裝順序

根據(jù)懸挑部分鋼結(jié)構(gòu)初步確定的安裝順序確定吊裝構(gòu)件重量，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)布置及吊車吊裝半徑，吊裝選用150噸履帶吊作為主吊機(jī)，就此編制了《張之洞博物館鋼結(jié)構(gòu)工程安裝順序說(shuō)明》文件，依據(jù)該說(shuō)明文件確定了懸挑部分吊裝，采用整體吊裝與散件吊裝結(jié)合的方式。整體構(gòu)件的吊裝順序運(yùn)用SAP2000的施工分析功能，進(jìn)行分析計(jì)算。依據(jù)盡可能少的添加臨時(shí)側(cè)向支撐和盡可能早的讓支撐胎架參與進(jìn)來(lái)的原則，通過(guò)反復(fù)嘗試、計(jì)算和對(duì)比，調(diào)整安裝順序，得到最優(yōu)的安裝順序。安裝完成后如圖4所示。

圖4　主要懸挑構(gòu)件安裝完成示意圖

6安裝過(guò)程主要構(gòu)件內(nèi)力分析

整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程共分16個(gè)安裝步驟，包含了22個(gè)安裝子步。在SAP模型中設(shè)置包含所有22個(gè)安裝子步的施工工況，運(yùn)行分析后可以得到每個(gè)安裝子步完成后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力信息，輸出結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的內(nèi)力峰值。主體框架也參與了整個(gè)過(guò)程的內(nèi)力分析計(jì)算，主體框架在安裝和卸載過(guò)程中所有構(gòu)件是滿足要求的。分析每個(gè)安裝子步的內(nèi)力信息，提取結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的內(nèi)力最大值，計(jì)算表明， 在整個(gè)安裝施工過(guò)程中，鋼梁始終維持著較低水平的應(yīng)力比，鋼梁在安裝全過(guò)程是安全的。舉例:1-K軸立面布置圖中，左邊部分鋼梁內(nèi)力如表4所示。

表4　1-K軸構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算表

7支撐胎架卸載

7.1支撐胎架卸載方案計(jì)算

鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中支撐胎架與主體結(jié)構(gòu)是作為一個(gè)臨時(shí)整體共同作用的，故需要有較高的剛度、承載力和穩(wěn)定性[3]。張之洞博物館懸挑部分共有12個(gè)臨時(shí)支撐胎架，其布置位置與編號(hào)見(jiàn)圖5。依據(jù)胎架卸載優(yōu)化順序，將胎架位置按反力大小排序，最大反力處胎架為最優(yōu)卸載路徑，反力值見(jiàn)表5。每次選取出最大反力處胎架后，都采取一次充分卸載至胎架與主體結(jié)構(gòu)脫離，即一次性撤出胎架支撐[4]。通過(guò)計(jì)算分析得出的卸載順序如下：

圖5　1-K和1-14軸立面布置圖

胎架編號(hào)開(kāi)始T3卸掉T5卸掉T4卸掉T10卸掉T7卸掉T8卸掉T9卸掉T11卸掉T1卸掉T2卸掉完成T1409546507394375369361328319000T214922121421621621521521521442500T371100000000000T4364489705000000000T55886760000000000T63183222822592603623842692752752580T74144104034013950000000T8324324319314390549000000T93943494818519062700000T1051551250149700000000T114524314002072922993093570000T12151135133134133132130126126982030

開(kāi)始→T3→T5→T4→T10→T7→T8→T9→T11→T1→T2→T6→T12→完成。

卸載過(guò)程中各胎架反力變化趨勢(shì)如圖6所示。

7.2卸載方法和驗(yàn)證措施

各胎架卸載完成后，胎架支撐點(diǎn)的計(jì)算下擾值和卸載后實(shí)際下?lián)现狄?jiàn)表6。

圖6　卸載過(guò)程中胎架反力變化趨勢(shì)

胎架編號(hào)T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T12計(jì)算值5.3610.076.065.394.063.293.374.594.944.170.873.70實(shí)際值5.08.05.05.02.02.01.01.02.02.01.02.0

卸載時(shí)利用千斤頂將支撐點(diǎn)部位的桿件支撐住，將支撐點(diǎn)部位的臨時(shí)支撐切割掉，支撐點(diǎn)部位的重量靠千斤頂進(jìn)行支撐。將千斤頂緩慢回落，千斤頂脫開(kāi)后測(cè)量該部位的下擾值，與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)際值都小于理論計(jì)算值，說(shuō)明在整個(gè)卸載過(guò)程構(gòu)件是安全的。

8結(jié)論

本文以張之洞博物館鋼結(jié)構(gòu)工程為背景，在對(duì)其施工方法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，得到了如下結(jié)論：

(1)通過(guò)分析建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定安裝施工方案，采用整體構(gòu)件拼裝、吊裝與散件吊裝相結(jié)合的方法，對(duì)無(wú)法拼成整體的構(gòu)件增加臨時(shí)構(gòu)件，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算。對(duì)懸挑構(gòu)件，利用臨時(shí)支撐胎架保證施工，同時(shí)對(duì)吊裝過(guò)程的安裝構(gòu)件進(jìn)行靜力分析和非線性施工過(guò)程內(nèi)力分析,保證了結(jié)構(gòu)吊裝過(guò)程中的施工安全。

(2)關(guān)于安裝胎架卸載順序，利用計(jì)算機(jī)仿真軟件計(jì)算各安裝胎架的發(fā)力及反力和，并按反力大小進(jìn)行排序，已盡量減少卸載步驟為原則，每個(gè)卸載步驟先選出受力最大的胎架并將其一次卸載使其與主體結(jié)構(gòu)分離，并在卸載同時(shí)對(duì)實(shí)際下?lián)现颠M(jìn)行測(cè)量，通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證該卸載方法簡(jiǎn)單可靠，能保證卸載過(guò)程安全[5]。

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(責(zé)任編輯：李文英)

Large-span Overhanging Structure Installation

Huang Honggang

(Wuhan Construction and Industry Company of WISCO, Wuhan 430081, Hubei)

Abstract:Taking the installation of large-span overhanging structure of one museum as an example, this paper summarizes the expertise of installing large-span overhanging structure by studying the key procedures of setting control objective, determining erection procedure, calculating the internal forces in the process of installation, designing supporting braces, uninstalling of supporting braces. It turns out that this technology is practical and has gained expected result.

Key words:overhanging structure; erection procedure; calculate internal forces; supporting braces; uninstall

中圖分類號(hào)：TU393.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-3524(2016)01-0018-05

作者簡(jiǎn)介：黃紅剛(1976～)，男，工程師.E-mail：164319741@qq.com

收稿日期：2015-10-29修回日期：2016-01-17