津巴布韋議會大廈屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

朱文俊

上海建工集團股份有限公司海外事業(yè)部 上海 200032

1 工程概況

1.1 工程總體概況

津巴布韋議會大廈項目建設(shè)內(nèi)容主要包括議會大廈議事廳、辦公樓主體建筑及室外廣場、道路等附屬設(shè)施。建筑整體呈圍合型布局，議事廳部分為圓形布置，議會辦公部分環(huán)繞其西側(cè)，兩者之間以連廊相接其中（圖1）。

圖1 議會大廈建筑平面布置

1.2 鋼結(jié)構(gòu)工程概況

本工程鋼結(jié)構(gòu)主要為議事廳3層鋼桁架結(jié)構(gòu)，議事廳呈圓形，直徑36 m，采用焊接H型鋼主次桁架體系，共有6榀主桁架、7榀次桁架及一部分連接桿件（圖2）。

圖2 鋼桁架布置

桁架結(jié)構(gòu)上下弦及腹桿均焊接H型鋼，材質(zhì)為Q345B，桁架高度2.7 m。構(gòu)件截面規(guī)格主要為H400 mm×300 mm×30 mm×30 mm、H300 mm×300 mm× 30 mm×30 mm、H300 mm×300 mm×20 mm ×20 mm、H300 mm×200 mm×16 mm×20 mm等。

桁架安裝頂面標高為10.5 m，兩端分別與混凝土柱牛腿支座連接。最大跨度34.38 m，主桁架最大單件重25.7 t。議事廳桁架鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約為306 t。

1.3 當?shù)貧夂蚯闆r

項目建設(shè)地位于津巴布韋首都哈拉雷市，屬于熱帶草原氣候。四季分別不明顯，全年主要分為雨、旱兩季，4—10月為旱季、11月—次年3月為雨季，全年氣溫最高在12月，中午可達到30 ℃，最低溫度為15 ℃。年平均降雨量1 000 mm，雨季時瞬時降雨量非常大。

2 工程特點、難點

2.1 工程施工地點的特殊性

本工程遠處東非內(nèi)陸，當?shù)亟ㄖY源匱乏，鋼結(jié)構(gòu)主要材料需全部從國內(nèi)工廠加工發(fā)運。運輸過程復(fù)雜，需先由國內(nèi)港口海運至莫桑比克貝拉港，再陸路運輸550 km至工地現(xiàn)場，全程運距約15 000 km，歷時60 d；鋼構(gòu)件加工制作尺寸受運輸條件限制，最大直線長度不能大于集裝箱凈長11.8 m。

2.2 場地狹小，施工條件有限

議事廳外圍被辦公樓建筑環(huán)繞，外部無足夠的可利用場地空間；加之津巴布韋當?shù)責o大型起重設(shè)備租賃，現(xiàn)場塔吊起重性能僅能滿足預(yù)埋件及散件的吊裝要求，主桁架吊裝時只能采用2臺項目自有的25 t汽車吊，施工條件非常有限。

2.3 拼裝、焊接量大，安裝精度控制難

受運輸及起吊質(zhì)量限制，桁架分段較多，導(dǎo)致現(xiàn)場拼裝焊接工作量大；主桁架拼接及主次桁架連接焊縫數(shù)量多，安裝質(zhì)量及精度控制難度大。

3 總體制作安裝部署

3.1 總體施工方案選擇

根據(jù)上述工程特點、難點，所有鋼構(gòu)件均在國內(nèi)工廠分段加工；主桁架分段時，應(yīng)結(jié)合裝箱運輸條件，控制構(gòu)件最大加工長度≤11.8 m；現(xiàn)場安裝時應(yīng)合理安排施工進度計劃，盡量避開雨季施工。為避免吊裝及焊接時受風雨天氣影響，需采取有效防護措施[1-4]。

受場地空間及起重設(shè)備性能限制，采用2臺汽車吊跨內(nèi)分段吊裝，每個分段吊裝單元最大限度地進行地面拼裝，確保構(gòu)件起吊質(zhì)量與現(xiàn)場起重設(shè)備性能相適應(yīng)，克服現(xiàn)場起重設(shè)備缺乏的困難，同時控制合理的施工成本及進度。

3.2 鋼桁架分段工廠加工和運輸

議事廳鋼桁架主要由主次桁架組成，其中東西方向為6榀主桁架，南北方向由7榀次桁架及3根連接桿，與主桁架連接形成整體。

主桁架最小及最大長度分別為24.08、34.38 m，為滿足構(gòu)件裝箱尺寸要求，所有主桁架應(yīng)至少分3段進行工廠加工，分段連接點盡量設(shè)置在構(gòu)件受力較小位置（圖3、圖4）。主桁架分段加工尺寸及質(zhì)量如表1所示。

圖3 主桁架一、主桁架六分段示意

圖4 中間4榀主桁架分段示意

表1 主桁架分段加工尺寸及質(zhì)量

3.3 吊裝機械部署

議事廳內(nèi)場地空間有限，桁架拼裝尺寸較大，為避免桁架在空中大范圍轉(zhuǎn)運，分段拼裝須在構(gòu)件安裝位置附近的地面進行。因此，將2臺汽車吊停站于桁架同一側(cè)，以便拼裝完成后，起重設(shè)備無需調(diào)整回轉(zhuǎn)，可直接將構(gòu)件豎直起吊到安裝位置。

議事廳主桁架高度2.7 m，吊裝高度10.5 m。根據(jù)吊點設(shè)置，桁架上弦距吊鉤高度為3.5 m，故起重設(shè)備吊臂起升高度須大于14 m。為最大限度發(fā)揮起重設(shè)備性能，起重設(shè)備應(yīng)盡可能靠近桁架拼裝位置，吊裝半徑應(yīng)小于6 m。

查25 t汽車吊性能參數(shù)可知，當主臂長度為15.25 m、吊裝半徑為6 m時，起吊質(zhì)量為12.5 t；2臺25 t汽車吊同時抬吊，每臺起重荷載不得超過允許荷載的80%，即雙機抬吊最大起重質(zhì)量為20 t。

3.4 現(xiàn)場桁架拼接和分段吊裝劃分

根據(jù)桁架分段，主桁架一、六的整榀總質(zhì)量為18.9 t，每榀3個分段可在地面完成拼裝后一次性整體吊裝。剩余4榀桁架，最大2個分段拼裝后質(zhì)量為17.4 t，故將每榀中的2個分段拼裝為一個吊裝單元進行吊裝，剩余一段單獨吊裝。

4 鋼桁架安裝工藝

4.1 構(gòu)件現(xiàn)場拼裝

為減少對議事廳內(nèi)部空間的占用，桁架分段臨時堆放于議事廳場外。安裝施工開始后，根據(jù)主桁架吊裝順序，每次只將需要安裝的下一榀桁架構(gòu)件分段，由議事廳東側(cè)主入口倒運至議事廳內(nèi)拼裝位置。

主桁架分段采用地面胎架立拼法拼裝，拼裝胎架使用20a#槽鋼搭設(shè)，并利用地錨和支撐進行固定。吊車將鋼桁架分段吊到胎架上就位后，再進行校正、調(diào)整及拼裝。桁架的弦桿及腹桿采用現(xiàn)場拼接節(jié)點，即采用單面設(shè)置連接板并用臨時安裝螺栓固定的連接措施，現(xiàn)場拼接調(diào)整后再進行焊接（圖5、圖6）。

圖5 胎架拼裝示意

圖6 桁架現(xiàn)場拼接節(jié)點示意

4.2 桁架吊裝

4.2.1 支座標高位置的調(diào)整

鋼桁架安裝前應(yīng)先復(fù)測支座標高及中心線，確保支座位置偏差滿足設(shè)計及規(guī)范要求，為提高桁架安裝質(zhì)量提供基礎(chǔ)保障。

4.2.2 吊點位置設(shè)置

通過Tekla軟件模型確定構(gòu)件重心位置及吊點位置，吊點主要設(shè)置在正對腹桿立柱加勁板位置或正對斜腹桿翼緣加勁板位置，以盡量減小起吊引起的桁架變形。

4.2.3 索具選擇

以最大構(gòu)件質(zhì)量18.9 t為依據(jù)，采用2臺汽車吊、4根鋼絲繩吊裝，鋼絲繩與鉛垂線夾角為30°，根據(jù)鋼絲繩安全拉力估算公式推導(dǎo)計算，選用φ32 mm（6×37+1）鋼絲繩，并經(jīng)安全驗算滿足要求。

4.2.4 臨時支撐

本工程主桁架最大單榀自重不超過270 kN，臨時支撐柱設(shè)置在跨度1/3位置，按三點支撐受力計算，所受豎向軸力為135 kN，考慮現(xiàn)場施工過程的活荷載為3 kN，支撐柱高度為7 600 mm。選用100 mm×10 mm角鋼焊接格構(gòu)柱，格構(gòu)柱斷面500 mm×500 mm，材質(zhì)Q235B。經(jīng)鋼柱受力和長細比分析計算，能滿足要求。格構(gòu)柱下端通過埋件與混凝土地面連接，柱體4個方向采用纜風繩配合2 t倒鏈保證格構(gòu)柱的側(cè)向穩(wěn)定性。

4.2.5 主桁架安裝

主桁架從南北兩側(cè)起吊，逐步向中間收攏，即吊裝順序為：主桁架一→主桁架二→主桁架三→主桁架六→主桁架五→主桁架四。

兩側(cè)的主桁架一和主桁架六在吊裝前，先在地面將3段拼裝、焊接成一榀整體，再利用2臺25 t汽車吊進行抬吊；桁架兩端直接落在混凝土柱牛腿埋件上，調(diào)整桁架平面位置及標高，待滿足設(shè)計及規(guī)范要求后固定。

中間4榀主桁架吊裝前，先在地面將一端的2段拼裝焊接成1個吊裝單元，再利用2臺25 t汽車吊進行抬吊；桁架一端落在混凝土柱牛腿埋件上，另一端落在臨時設(shè)置的支撐柱上；隨后由1臺汽車吊完成剩余一段的吊裝，2段在空中拼接、調(diào)整、焊接（圖7）。

圖7 中間4榀主桁架分段吊裝示意

4.2.6 次桁架安裝

次桁架及連接桿安裝隨主桁架安裝穿插進行，每榀主桁架安裝完成后，及時將與相鄰主桁架連接的次桁架及連接桿件吊裝完成，直至形成完整桁架體系，并拆除臨時支撐。

4.2.7 桁架焊接

主桁架拼接及主次桁架連接處均為設(shè)置焊接襯板的單面坡口全熔透焊縫。焊接采用手工電弧焊，焊條選用E5016堿性焊條。焊接工藝參數(shù)按照工藝評定文件選定。

4.3 安裝安全措施

在主桁架兩端設(shè)置2根1.2 m高度的立柱，用φ10 mm鋼絲繩綁扎在立柱上，用M16的花籃螺栓將鋼絲繩拉緊，形成主桁架方向上的生命線通道。鋼爬梯作為主桁架上主要的垂直通道，用φ16 mm的圓鋼制作，寬度0.5 m，梯凳間距0.3 m，長度4 m，做成標準段，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況進行組合使用，并用鋼絞線綁扎在主桁架上。設(shè)置吊籠進行高空中的焊接節(jié)點施工，確保作業(yè)人員安全。

在鋼桁架分段起吊過程中，需在兩端牽拉纜風繩，防止構(gòu)件大幅搖晃，維持鋼桁架自身以及起重設(shè)備受力穩(wěn)定；同時，避免鋼桁架分段在高空中碰撞混凝土結(jié)構(gòu)和臨時支撐。

4.4 安裝質(zhì)量控制措施

4.4.1 加工、運輸控制

鋼構(gòu)件使用Xsteel軟件建模出圖，提高圖紙精確度，制作時應(yīng)精確放樣；出廠前須對重要節(jié)點進行抽樣預(yù)拼裝，并加強質(zhì)量驗收，盡量將問題在加工廠內(nèi)消化。主桁架高度2.7 m，采用開頂高箱垂直立放運輸，集裝箱內(nèi)設(shè)置可靠支承及固定，確保構(gòu)件水平、穩(wěn)定，減少運輸造成的變形。

4.4.2 拼裝質(zhì)量控制

桁架分段拼裝前，必須先對關(guān)鍵幾何尺寸進行檢查，校正加工制作時可能產(chǎn)生的誤差及運輸中可能產(chǎn)生的變形。調(diào)整使構(gòu)件分段縱向中心線、特征點標高及垂直度等滿足要求后，進行定位焊，然后按合理順序?qū)ΨQ焊接焊縫，確保桁架拼裝精度。

4.4.3 吊裝質(zhì)量控制

桁架吊裝前，以議事廳中心為測量控制點，用經(jīng)緯儀和激光投線儀在二樓樓面上畫出各條桁架控制中心線；同時在混凝土結(jié)構(gòu)柱上畫出標高控制線。每榀桁架安裝到位、拼接接頭焊接之前，需對桁架中心線及中部標高進行二次測量，確保主次桁架中心線偏差不超過3 mm，跨中施工起拱滿足設(shè)計要求15 mm，再對現(xiàn)場拼接節(jié)點進行焊接。臨時支撐拆除后，還應(yīng)對桁架中間標高再次復(fù)測。

4.4.4 焊接質(zhì)量控制

為確保焊接質(zhì)量，提高安裝精度，采用合理的安裝、焊接順序，減少空中焊接數(shù)量，降低焊接難度；主桁架對接焊縫焊接完成后，再進行側(cè)向次桁架及連接桿件的焊接；拼裝焊接時構(gòu)件預(yù)留收縮余量，分段矯正構(gòu)件，實施多人對稱反向焊接，最大限度減少焊接變形。規(guī)范焊條烘焙、領(lǐng)用制度，嚴格控制焊接工藝參數(shù)。鋼結(jié)構(gòu)焊接后及時進行外觀檢查，24 h后進行超聲波無損檢測，確認焊縫達到一級焊縫要求。

5 結(jié)語

通過本項目議事廳屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工程的實踐，從構(gòu)件加工、裝箱發(fā)運、現(xiàn)場拼接、分段吊裝及焊接工藝等方面著手進行統(tǒng)籌策劃，運用合理的施工方法和工序安排，成功解決了無大型吊裝設(shè)備、狹小施工環(huán)境下，有較高安裝精度要求的鋼桁架安裝難題。

本項目的成功實施，為非洲地區(qū)類似工況下的鋼結(jié)構(gòu)工程施工提供了參考。