不對稱人字形箱體式管桁架吊裝施工技術(shù)

丁亞飛 黃 瑞 李 媛

甘肅第六建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 甘肅 蘭州 730000

隨著施工技術(shù)的發(fā)展，越來越多的大跨度鋼結(jié)構(gòu)[1]工程開始采用吊裝的施工方法，包括分段吊裝和整體吊裝等。雖然此施工方法簡便高效、綠色環(huán)保，但技術(shù)含量高，專業(yè)性強(qiáng)，施工難度大，工程事故頻發(fā)，在施工中遇到的許多問題沒有得到系統(tǒng)的研究和解決，比如在施工過程中，結(jié)構(gòu)可能會失去平衡而傾覆，或者失去穩(wěn)定而倒塌，也可能成形后的結(jié)構(gòu)與設(shè)計狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)。關(guān)于這些問題，一些學(xué)者進(jìn)行過研究：朱易舉等[2]報道了復(fù)雜空間管桁架結(jié)構(gòu)現(xiàn)場拼裝及吊裝施工技術(shù)，采用在地面拼裝成榀，再吊裝至高空胎架定位、就位組裝的施工技術(shù)；楊文偉等[3]報道了鋼管桁架的現(xiàn)場拼裝、轉(zhuǎn)換桁架臨時支撐的搭設(shè)、高空散拼、放射狀主桁架整體吊裝等施工技術(shù)；顏衛(wèi)亨等[4]在管桁架整體吊裝階段需要考慮的計算工況的基礎(chǔ)上，建立有限元模型，得出在綜合考慮施工條件下的合理吊點(diǎn)；張偉等[5]公開了大跨度不對稱矩形空間扭曲管桁架的吊裝方法，找出了桁架施工圖中扭曲狀態(tài)下的空間重心位置；張立平等[6]報道了空間管桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化施工技術(shù)，通過建立工程三維模型，計算出吊裝工件的重心，并做出吊點(diǎn)；程勤功等[7]報道了大跨度變截面拱形立體管桁架施工技術(shù)，吊點(diǎn)的選擇在目前的工程項目中要基于施工跨度、起重量、工程受力均衡等情況進(jìn)行綜合分析；楊敏等[8]公開了一種用于拱形立體管桁架落地段安裝調(diào)節(jié)、固定裝置，可對大跨度拱形立體管桁架落地段臨時固定及高空拼裝的間隙進(jìn)行調(diào)整。

綜上所述，國內(nèi)雖對復(fù)雜空間管桁架、屋面大跨度鋼管桁架的施工進(jìn)行了一定研究，但本項目的不對稱人字形箱體式管桁架采用了帶檁條、馬道整體吊裝的施工方法，即通過控制結(jié)構(gòu)變形及傾覆的吊點(diǎn)優(yōu)化組合能量分析法，確定不對稱人字形箱體式管桁架最佳吊點(diǎn)，以實現(xiàn)平穩(wěn)安全吊裝的方法，國內(nèi)未見相同報道。

本文以定西市某縣體育館管桁架結(jié)構(gòu)屋蓋施工安裝工程為研究對象，分析了施工中遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題，并提出相應(yīng)的解決方案，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況及重難點(diǎn)分析

1.1 工程概況

定西市某縣全民健身體育館建設(shè)項目，建筑物地上1層，局部3層，建筑面積8 850 m3。屋蓋共布置11榀不對稱人字形管桁架，每榀桁架由15節(jié)組成，質(zhì)量約60 t，跨度62.85 m，矢高10.87 m，厚度3.6 m，矢跨比1∶5.77。每榀桁架兩端支座間存在高差，管桁架最高點(diǎn)標(biāo)高26.1 m。桁架間凈距275 mm，采用系桿、法蘭連接。

1.2 重難點(diǎn)分析

1）屋蓋上下弦桿為φ325 mm×12 mm圓鋼管，腹桿由φ245 mm×12 mm、φ219 mm×6 mm、φ168 mm×6 mm圓鋼管組成，單榀桁架跨度大、質(zhì)量大。

2）桁架形式為人字形箱體式管桁架，由2種管桁架交替布置，分別為GHJ1（拐點(diǎn)在8～9節(jié)之間）、GHJ2（拐點(diǎn)在10～11節(jié)之間），沿長度方向不對稱，與一字形桁架相比，吊裝穩(wěn)定性差。

3）G H J 1、G H J 2兩端支座高差分別為2.4 7 6、2.987 m，且采用系桿、法蘭連接，連接處凈距只有275 mm，與大多數(shù)采用次桁架連接且兩端無高差的桁架相比，吊裝難度更大。

4）桁架上設(shè)46根H200 mm×100 mm×4.5 mm×6 mm檁條，檁條之間設(shè)拉桿，檁條與支托間焊接連接。桁架下部縱橫向共設(shè)置5道檢修馬道，全長242 m，馬道與桁架之間采用耳板、螺栓連接，高空作業(yè)多、作業(yè)難度大。

2 工藝原理

結(jié)合不對稱人字形箱體式管桁架自身特點(diǎn)，采用單臺履帶吊跨外吊裝。桁架在地面拼裝時，焊接檁條、組裝馬道。通過控制結(jié)構(gòu)變形及傾覆的吊點(diǎn)優(yōu)化能量分析方法，確定管桁架的最佳吊點(diǎn)位置。在吊裝前，利用計算機(jī)技術(shù)模擬吊裝過程以指導(dǎo)施工。

在加工制作時，通過試驗對桁架長向進(jìn)行預(yù)收，控制桁架就位時的下?lián)献冃?。在吊裝過程中，通過鋼絲繩倒U形連接，保證鋼絲繩均勻受力，并采取“分東西2段吊裝，及時進(jìn)行桁架間法蘭螺栓初擰，全部吊裝完成后進(jìn)行終擰”的總體施工方法。

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程

方案選擇→吊裝模擬→管桁架現(xiàn)場加工制作→管桁架翻身擺放→管桁架焊接檁條、組裝馬道→行走路線→球形支座安裝→吊車進(jìn)場組裝掛鋼絲繩、連接管桁架吊點(diǎn)→試吊、調(diào)整→行走至最終站位→管桁架吊裝就位→拆除吊帶→繼續(xù)下一榀桁架吊裝→管桁架連接固定→檢測、試驗

3.2 操作要點(diǎn)

3.2.1 方案選擇

1）總體方案確定：分析管桁架自身特點(diǎn)、現(xiàn)場作業(yè)條件及比較后，采用現(xiàn)場拼裝，帶檁條、馬道由1臺履帶吊進(jìn)行吊裝。

2）吊裝順序：為減少履帶吊轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)，吊裝自中部10—11軸桁架開始，分東西2段進(jìn)行，即先吊裝東側(cè)5榀桁架，再吊裝西側(cè)6榀桁架，如圖1所示。

圖1 桁架吊裝順序

3）起重機(jī)選擇：結(jié)合吊裝質(zhì)量、吊裝高度、工作幅度，選取400 t履帶吊（帶250 t超起配重）并對吊車站位區(qū)域進(jìn)行確定。

4）計算復(fù)核、選取最佳吊點(diǎn)：通過結(jié)構(gòu)力學(xué)知識計算整個桁架的重心位置，人字形桁架采用八點(diǎn)起吊，分別在重心兩側(cè)各布置4個吊點(diǎn)，鋼絲繩合力通過桁架重心，合力作用點(diǎn)在桁架重心上。

通過上述方法選取了3種可能的吊點(diǎn)位置。運(yùn)用Midas Gen對3種吊裝方案中桁架桿件受力、變形進(jìn)行分析，同時對桿件應(yīng)變能進(jìn)行計算對比，選取桿件應(yīng)變能最小的吊點(diǎn)方案作為最佳方案，吊點(diǎn)均位于桁架上弦節(jié)點(diǎn)上，如圖2、圖3所示。應(yīng)變能的計算公式如式（1）所示。

圖2 GHJ1桁架吊點(diǎn)布置

圖3 GHJ2桁架吊點(diǎn)布置

式中：u——能量的變化量；

σi——鋼管的應(yīng)力；

Fi——鋼管的內(nèi)力；

E——彈性模量；

l0——鋼管的計算長度。

5）鋼絲繩型號及吊具選擇：通過Midas Gen軟件建立桁架的受力模型，計算出鋼絲繩的內(nèi)力，選取鋼絲繩型號，鋼絲繩的安全系數(shù)取6～8；吊具選取8根25 t合成纖維吊帶。

3.2.2 吊裝模擬

利用Revit軟件建立主體結(jié)構(gòu)框架及管桁架模型，利用Rhino軟件按吊車外形尺寸進(jìn)行1∶1建模。選取吊車站位點(diǎn)，調(diào)整臂桿角度，調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度模擬吊車臂桿運(yùn)動過程，觀測吊裝過程中臂桿與結(jié)構(gòu)梁、柱的碰撞情況。通過模擬確定吊車的最終站位和吊裝運(yùn)動軌跡，確保與主體框架結(jié)構(gòu)不碰撞，記錄模擬參數(shù)。通過計算機(jī)模擬，桁架就位時，吊臂與桁架最近距離1.6 m，大于安全距離0.2 m，不會抗桿。

3.2.3 管桁架現(xiàn)場加工制作

1）桁架以拐點(diǎn)為界分左右2段，在胎架上由一端向另一端進(jìn)行拼裝，先主管后腹桿，由雙數(shù)名焊工同時對稱施焊，保證相貫線焊縫質(zhì)量。

2）半榀桁架加工完成后，在總拼平臺上放角度線，墊50 cm枕木并找平。2種形狀鋼桁架理論下?lián)涎诱钩叽鐬?8、32 mm，經(jīng)現(xiàn)場2個月放置試驗，實際下?lián)涎诱棺畲笾禐?8 mm；最終確定在總裝時預(yù)收10～15 mm。

3.2.4 管桁架翻身擺放

由1臺75 t汽車吊、1臺100 t汽車吊相配合對平放狀態(tài)下的桁架進(jìn)行翻身，四點(diǎn)起吊。2臺汽車吊位于桁架一側(cè)，將桁架緩慢翻身，放至墊木上。然后根據(jù)吊裝順序，采用八點(diǎn)起吊將桁架轉(zhuǎn)運(yùn)擺放至預(yù)定位置。

3.2.5 管桁架焊接檁條、組裝馬道

半榀管桁架拼裝完成后，定位檁托并焊接。吊點(diǎn)處檁條待桁架吊裝完成后再進(jìn)行焊接，以免吊裝時該處檁條磨損吊帶。檁條焊接完成后進(jìn)行馬道組裝，完成后，由手拉葫蘆配合汽車吊吊至安裝位置進(jìn)行安裝。

3.2.6 行走路線

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)高度、吊車工作性能參數(shù)及桁架的位置、質(zhì)量等確定行走路線及站位。

3.2.7 球形支座安裝

復(fù)核預(yù)埋件位置后，安裝球形支座，為避免桁架就位時沖擊鉸支座，在上下座之間用寬30 mm、厚10 mm的連接板焊接固定。球形支座上三面焊定位板，對桁架就位位置進(jìn)行控制，具體做法如圖4所示。

圖4 球形支座連接板、定位板示意

3.2.8 吊車進(jìn)場組裝、掛鋼絲繩、連接管桁架吊點(diǎn)

履帶吊進(jìn)場后進(jìn)行組裝，然后不帶超起配重行走到桁架20 m幅度范圍內(nèi)，吊鉤掛鋼絲繩、連接鋼絲繩和吊帶，吊帶從管桁架的上主弦桿節(jié)點(diǎn)穿過并固定；在桁架兩端上弦節(jié)點(diǎn)處掛上4根溜繩用以輔助桁架轉(zhuǎn)向、就位。

綁扎時，8個吊點(diǎn)采用“6根鋼絲繩，下四上二”的綁扎方法，每根鋼絲繩均采用倒U形連接，如圖5所示。通過這種綁扎方法，能使鋼絲繩在起吊時通過重力自平衡全部張緊，均勻受力。

圖5 吊點(diǎn)鋼絲繩倒U形連接示意

3.2.9 試吊、調(diào)整

試吊過程中密切觀察管桁架與吊帶的連接處，如發(fā)生異常情況，立即停止起吊；如一切正常，緩慢起吊離開地面200 mm，停止起吊，并用溜繩控制管桁架的擺動。桁架在空中懸掛5 min，一切正常后，開始正式起吊。

3.2.10 行走至最終站位

履帶吊提著桁架，間斷轉(zhuǎn)向、緩慢行走至最終站位，行走過程中始終保持桁架平穩(wěn)。

3.2.11 管桁架吊裝就位

掛好超起配重，拉好溜繩，緩慢起吊，起吊過程中回轉(zhuǎn)、變幅（回轉(zhuǎn)與變幅不得同時進(jìn)行）。當(dāng)桁架穿越主體結(jié)構(gòu)上空時，桁架一端溜繩控制人員位于建筑物外側(cè)，另一端溜繩控制人員位于建筑物內(nèi)側(cè)，指揮400 t履帶吊往管桁架安裝位置上回轉(zhuǎn)，過程中保證桁架平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，并嚴(yán)格監(jiān)護(hù)好管桁架不要碰撞其他設(shè)備、吊車扒桿或建筑物。

管桁架吊至支座上方時，吊車緩慢移動桁架，人工輔助使桁架較低一端支座準(zhǔn)確對中，緩慢下落至球形支座定位板范圍內(nèi)，桁架支座與定位板之間的縫隙用鋼墊板塞實，然后按照同樣的方法，使桁架另一端就位。桁架就位后先與支座點(diǎn)焊接進(jìn)行臨時固定，并復(fù)核桁架支座位置，無誤后，將塞實的鋼墊板取掉，吊車卸載90%，使桁架釋放應(yīng)力、自由延展，待桁架完全靜止之后，再與支座滿焊固定。

3.2.12 拆除吊帶

桁架固定后，吊車完全卸載，作業(yè)人員通過安全爬梯到達(dá)管桁架上，在管桁架上弦內(nèi)側(cè)鋪設(shè)的腳手板走道上行走至吊帶位置，拆除吊帶，將鋼絲繩安全放置在基本與吊鉤豎向方向一致的位置，然后開始脫鉤。

3.2.13 繼續(xù)下一榀桁架吊裝

在第2榀桁架吊裝時要注意兩榀桁架之間的凈距非常小，時刻控制溜繩以防止碰撞。

3.2.14 管桁架連接固定

兩榀桁架吊裝完成后，測量桁架側(cè)向彎曲值。此時連接縱向系桿法蘭螺栓，對螺栓進(jìn)行初擰。11榀桁架全部就位后，從一側(cè)向另一側(cè)緊固縱向系桿法蘭螺栓。

3.2.15 檢測、試驗

對桁架外形尺寸、側(cè)向彎曲值進(jìn)行現(xiàn)場檢測，桁架焊縫按設(shè)計要求經(jīng)超聲波探傷檢測。

4 結(jié)語

1）采用現(xiàn)場拼裝，帶檁條、馬道由單臺履帶吊吊裝的施工方法，避免了現(xiàn)場倒運(yùn)，減少了高空作業(yè)，提高了桁架加工制作精度，增加了吊裝整體剛度。

2）通過控制結(jié)構(gòu)變形以及傾覆的吊點(diǎn)優(yōu)化能量分析的方法，確定了管桁架的最佳吊點(diǎn)位置，減少了桁架的試吊次數(shù)。

3）吊具選用合成纖維吊帶，其為柔性材料，無需設(shè)計專用夾具，直接在管桁架上弦節(jié)點(diǎn)處綁扎即可，且合成纖維吊帶質(zhì)量只有同等載荷的鋼絲繩索具的20%。

4）采用BIM技術(shù)建立桁架吊裝模型，進(jìn)行仿真模擬，將整個屋面桁架按吊裝順序在虛擬場景中進(jìn)行預(yù)吊裝，確定每榀桁架吊車的最終站位和吊裝運(yùn)動軌跡，確保與主體框架結(jié)構(gòu)不碰撞，記錄模擬參數(shù)，用于指導(dǎo)施工，實現(xiàn)安全吊裝。

5）通過試驗，測量桁架在自身重力下的下?lián)涎诱怪担趯嶋H拼裝過程中，采取預(yù)收的措施，控制桁架吊裝就位后的下?lián)献冃沃怠?/p>

6）8個吊點(diǎn)采用“6根鋼絲繩，下四上二”的綁扎方法，每根鋼絲繩均采用倒U形連接。其能使鋼絲繩在起吊時通過重力自平衡全部張緊，均勻受力，杜絕了個別鋼絲繩受力過大，發(fā)生斷裂的風(fēng)險。