大跨度鋼管桁架分塊吊裝施工技術

摘要：大跨度鋼桁架結構在施工中具有跨度大、單構件重量重、拼裝精度要求高等特點，其施工方法選擇的正確與否顯得尤為重要。本文結合工程實例，全面闡述大跨度鋼桁架吊裝方法、過程控制、分塊組合方案及重難點控制，通過優(yōu)化吊裝工序的施工工藝，詳細的制定出了安全可靠、施工簡單有效，且經濟實用的大跨度鋼桁架施工技術方案，保證了吊裝質量，提高了施工速度，同時在一定程度上降低了鋼桁架施工安全和成本風險。

Abstract： The long-span steel truss structure has the characteristics of large span， heavy weight of single component and high precision of assembling. It is especially important to choose the correct method of construction. This paper combines engineering examples to comprehensively expound the hoisting method， process control， block combination scheme and heavy and difficult point control of large span steel truss. By optimizing the construction process of the hoisting process， the safety and reliability， simple and effective construction， and economical and practical are detailed. The technical plan for the construction of large-span steel truss ensures the quality of lifting and improves the construction speed， and at the same time reduces the safety and cost risk of steel truss construction to a certain extent.

關鍵詞：大跨度鋼管桁架;分塊組合;吊裝技術;施工工藝

Key words： long-span steel pipe truss;block combination;hoisting technology;construction technology

中圖分類號：TU758.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）17-0145-03

0? 引言

大跨度鋼桁架的發(fā)展日新月異，它的結構輕巧、結構形式豐富多樣，加工制作便利、結構傳力明確、經濟效益合理，是目前應用比較廣泛的一種結構體系。但是在施工中由于其自身具有的跨度大、單構件多、拼裝精度質量要求高等特點，在施工前需要充分結合現場條件、結構特點及安全、環(huán)境、進度、質量、效益等因素合理選擇施工方案，施工過程中嚴格控制質量，才能確保施工圓滿完成。本文在借鑒以往鋼結構施工經驗的基礎上，結合項目特點，應用先進的軟件作輔助，同時優(yōu)化完善了施工工藝，制定出切實可行的大跨度鋼桁架施工技術方案，確保了本工程高質量完成。

1? 工程概況

中交天津港灣工程研究院有限公司天津臨港經濟區(qū)科研試驗基地-水工試驗大廳位于天津臨港經濟區(qū)內，該工程為排架/框架結構，主體結構地上1層，局部2層，軸線尺寸長90.0m，寬64.8m，共1跨。屋架肩高12.45m。工程鋼結構主桁架跨度為64.8米，最大起吊高度為15米。鋼桁架為三角立體鋼桁架體系，倒三角桁架與穩(wěn)定桁架、支撐連接后通過固定鉸支座與混凝土柱頂上的預埋件連接。所有桿件均采用Q345B無縫鋼管，制作時均按跨度的1/500起拱，桿件對接接頭焊縫等級為二級。

鋼桁架體系由8榀主桁架（HJ-01）、7榀次桁架（HJ-02）及14榀邊桁架（HJ-03）組成，其中HJ-01、HJ-02為倒三角管桁架，HJ-03為直角三角管桁架。鋼桁架平面布置見圖1。

2? 鋼桁架施工難點分析

2.1 施工難點

①屋面桁架采用倒三角管桁架，主桁架跨度64.8m、高度4.5m、重量大，倒三角形為幾何常變體系，現場拼裝和吊裝均易失穩(wěn)破壞。②為保證桁架安全施工，需結合現場環(huán)境及特點，對桁架桿件進行詳細的受力驗算和整體吊裝驗算。③跨度大、桿件切割加工精度要求高，現場拼裝難度大。

2.2 針對施工難點采取措施

①為使倒三角管桁架不失穩(wěn)，需在安裝過程中，將桁架由幾何常變體系變?yōu)閹缀尾蛔凅w系。結合現場環(huán)境、桁架結構特點、施工情況，施工前制定多方案進行對比，解決桁架施工期間的穩(wěn)定及安全問題，即（形成穩(wěn)定的桁架塊）后安裝。②采用midas gen有限元數值計算軟件進行結構內力分析，合理確定吊點位置、查明吊裝過程中存在的結構軟弱部位并采取補強措施，優(yōu)化大跨度鋼桁架變形控制施工工藝，避免桁架在吊裝過程中因不同工況產生過大的應力應變，從而導致主結構出現安全隱患。③合理布置及調整施工現場機械走位和場區(qū)布置，提前發(fā)現并消除影響吊裝施工的各項危險源，使得施工風險降到最低。④采用TEKLA軟件整體建模，從源頭上保證構件的精度。構件加工采用相貫線數控下料，保證構件加工精度。現場整體放樣拼裝，保證拼裝精度。

3? 鋼桁架吊裝施工

3.1 吊裝施工方法選定

大跨度鋼桁架常用的施工方法主要包括：高空散裝法、整體提升法、整體頂升法、高空滑移法、整體吊裝法、分塊吊裝法等。

由于該工程鋼結構桁架跨度大，項目現場作業(yè)場地有限，鋼桁架重量大，一次整體吊裝施工難度、施工風險高，綜合考慮現場條件、工期、成本、安全、質量等因素，經詳細討論后決定采用在地面拼裝場分塊制作、兩臺吊車抬吊、高空平移的方式就位，分塊吊裝后高空焊接連接的施工方法。

本項目桁架為倒三角管桁架結構，為使單榀桁架不失穩(wěn)，需在拼裝和吊裝就位時，將桁架由幾何常變體系變?yōu)閹缀尾蛔凅w系。通過施工方案的分析與對比，采用兩榀主桁架、中間次桁架及支撐系統等在地面拼裝成整體（形成穩(wěn)定的桁架塊）后安裝，即可保證桁架的穩(wěn)定性，又降低了空中安裝的難度。即首先在地面上的桁架制作胎膜上將兩榀桁架制作成一個桁架塊整體拼裝、高空平移法逐塊吊裝就位，最后將塊間桁架高空焊接連接形成整體。

3.2 吊裝施工思路及順序

桁架塊拼接吊裝思路為：在地面上提前準備好的拼裝場地上進行桁架塊的焊接拼裝。一個吊裝桁架塊由兩榀HJ-01+一榀HJ-02+兩榀HJ-03焊接拼裝組成，總重量約60t。共分為四個桁架塊分四次進行吊裝就位。

先安裝8-10軸的桁架塊結構，再依次安裝6-7軸桁架塊、5-4軸桁架塊、3-2軸桁架塊，最后連接8-10軸、6-7軸及5-4軸、3-2軸間的次桁架，直至全部桁架安裝完畢。

3.3 吊裝施工過程

3.3.1 鋼桁架拼接要點

①在地面上搭設好桁架的拼裝胎架，用水準儀、經緯儀和全站儀測量和控制胎架的定位尺寸、標高，確保胎架穩(wěn)定牢固。

②在胎架上先對主弦桿對接接長，對接拼裝時，在對接口處必須設置焊接襯套，控制好桿件的直線度，先進行點焊固定，再根據加工完成的構件連接點進行測量和定位，確認無誤后將主弦桿固定在胎架上，按對接焊接工藝的要求進行對接口的焊接，焊接完成后符合檢測條件后進行焊口檢測。

③主弦桿焊接完成檢驗合格，按圖紙要求在弦桿上放樣，然后按安裝圖編號從兩端向中間拼裝弦桿間的桿件，相貫面口吻合緊密塞焊固定，直至整榀桁架拼裝完成。

④整個拼裝過程中用全站儀實施全過程測量控制，確保桁架的位置、尺寸符合要求。

3.3.2 吊裝工況分析

通過綜合分析現場環(huán)境、施工狀況以及桁架本身的結構特點，對吊裝各種工況進行分析。

①雙機抬至3-4軸工況進行分析。

組裝成整體的塊狀桁架重約60噸，采用兩臺350噸汽車吊吊裝，每臺分擔30噸。結合現場行走路線及吊車位置，查性能表得知，主臂36m，吊裝半徑20m，可吊52噸，單機負荷率30/52=57.7%<80%，滿足桁架吊裝要求。詳見圖2、圖3。

②對雙機抬至6-7軸進行工況分析。

雙機抬至6-7軸時，汽車吊工作半徑最大為22m，此時為整個工程最不利的工況。查汽車吊性能表得知，主臂36m，吊裝半徑22m，可吊45噸，單機負荷率30/45=66.7%<80%，滿足桁架吊裝要求

3.3.3 桁架吊點的設置

塊狀桁架采用雙機抬吊，每臺4點吊裝方式，8根吊帶，其中4根長14m，4根長12m。通過midas有限元分析，吊點位置滿足施工需要。

桁架吊點以吊起后桁架不變形、平衡穩(wěn)定為準，采用吊帶避免吊裝過程中桿件破壞和油漆脫落。通過受力分析，確定吊點位置，吊點上弦桿與腹桿的節(jié)點處如圖6。

3.3.4 鋼桁架吊裝就位

桁架支座混凝土柱強度已達到設計強度要求后，方可進行桁架安裝。吊裝前對桁架的整體尺寸進行復核，測量上下弦桿原始起拱度數值。組裝成整體的塊狀桁架重約60噸，采用兩臺350噸汽車吊桁架跨外吊裝，每臺分擔30噸。

①首先雙機抬第一塊狀桁架臨時放至3-4軸鉸支座上，以纜風繩輔助桁架的臨時穩(wěn)定。②移動汽車吊，吊裝第一桁架塊至6-7軸再至8-10軸鉸支座，與支座焊接固定就位。③汽車吊按上述方法吊裝第二桁架塊至6-7軸鉸支座，對位調整后與支座焊接。連接兩塊桁架間的次結構，形成穩(wěn)定體系，詳見圖8。④依次按照上述步驟拼裝第三、第四塊桁架，連接次桁架及時形成整體。桁架安裝完畢，詳見圖7。

⑤屋面桁架整體安裝后，及時測量上下弦桿最終的變形量，與地面測量的初始起拱度進行對比，是否滿足桁架設計及規(guī)范要求的最終變形量。同時檢查安裝節(jié)點的標高、跨距、外形尺寸等，需滿足設計要求。

4? 工藝優(yōu)化及完善

4.1 吊點部位桿件受力分析及優(yōu)化

4.1.1 桿件替換

本工程因兩榀桁架及中間次桁架在地面拼裝成一個整體桁架塊后吊裝，吊點位置處桿件在吊裝過程中內力與原設計時有差異。確定吊裝方案后，用MDAS有限元軟件對桁架吊裝進行受力分析，發(fā)現圖7中標紅的吊點之間桿件內力較大，為保證吊裝施工安全，在工廠加工時根據吊裝受力情況，把原桿件直徑及壁厚加大，經計算替換為Ф219*5圓管，滿足吊裝要求。（如圖6桁架吊點平面布置圖吊點間桿件）。

4.1.2 吊裝驗算

結構吊點處采用midas gen有限元數值計算軟件進行結構建模，恒荷載系數取1.5。吊裝應力比最大值為0.422<1，滿足吊裝安全的要求。

4.2 吊裝成品路基箱的應用

吊裝方案確定后，現場地基承載力經計算不符合350噸汽車吊支腿處的承載力要求，考慮到350噸吊車吊裝時的實際工況，根據吊車在最不利受力狀態(tài)下，吊車每個支腿需要承受的力來進行支腿承載力計算，通過現場驗證及壓載試驗，決定在汽車吊車支腿下鋪設專用路基箱（2×3米）來增加地基承載力，滿足吊裝要求，保證吊裝施工安全。

5? 鋼桁架吊裝施工監(jiān)控

5.1 屋架下撓監(jiān)控

5.1.1 監(jiān)控點布置

每榀桁架在上下弦桿處各布設5個觀測點，觀測點位置為桁架的四等分點。

5.1.2 觀測方法

首先在各監(jiān)測點上粘貼反射片，然后在事先選好的測站點位置架設全站儀，測量各監(jiān)測點和基準點間高差，與設計值相比較從而得出該軸向在豎直方向的撓度值。在對每一個監(jiān)測點進行測量時，盤左、盤右全讀數后取其平均值，消弱系統誤差帶來的影響。

5.1.3 監(jiān)測周期

桁架安裝完畢觀測一次，之后每天觀測一次，主體結構完工恒荷載加載完畢觀測一次。加完恒定荷載后每10天觀測一次，觀測三次后視變形情況調整觀測頻率，如變形穩(wěn)定，每1個月監(jiān)測一次至竣工驗收。

6? 結語

①實踐證明，結合現場條件、工期、成本、安全、質量等因素，采用在地面拼裝場分塊制作、兩臺吊車抬吊，分塊起吊高空平移的施工方案是非常成功的。②本施工工藝在滿足工期要求的前提下，充分利用現場場地，保證施工質量的同時節(jié)約了施工成本（一塊桁架1個臺班就能夠完成吊裝）。③輔助應用相貫線切割控制技術，進行圓鋼管間的連接口切割，切割口規(guī)矩精準，提高現場拼接精度的同時，減小了拼接變形，保證了焊接質量。④提前采用TEKAL軟件進行整體建模，通過對吊裝過程進行工況模擬，采用midas gen有限元數值計算軟件進行結構內力分析，合理確定吊點位置、查明吊裝過程中存在的結構軟弱部位，并在工藝上采取了補強措施，保證了桁架在吊裝過程中的整體穩(wěn)定。⑤施工現場機械行走路線、走位及場區(qū)布置，專用成品路基箱的應用，吊裝變形監(jiān)測方法的調整等工藝方法的完善，保證了大跨度鋼管桁架施工的高質量完成。

參考文獻：

[1]葛杰，王玉嶺，王桂玲，等.杭州國際博覽中心大跨度鋼桁架吊裝施工過程仿真分析[J].鋼結構，2013，28（9）：64-67.

[2]鄒祝.長江航道模型實驗廳大跨度鋼管桁架分段吊裝技術[J].施工技術，2015，44（2）：60-64.

[3]徐長春.某體育場大跨度鋼管桁架施工技術研究[D].青島理工大學，2016.

作者簡介：邵偉（1985-），男，天津人，中級工程師，本科，學士，研究方向為土木工程。