某改造項(xiàng)目大跨度高空鋼結(jié)構(gòu)安裝施工技術(shù)*

柯江華，張宏磊，謝心謙，趙亞鵬，郭金鵬

(1.中天建設(shè)集團(tuán)有限公司第四分公司，北京 101113； 2.北京中天北方建設(shè)有限公司，北京 101113)

1 工程概況

北京市朝陽區(qū)來廣營拆除和改造項(xiàng)目總建筑面積為122 627m2，建筑高度22.8m,地上4層,地下3層(見圖1)。建筑原為商場，因建筑功能提升、部分格局改變，需拆除與加固改造主體結(jié)構(gòu)。本工程位于北京市市區(qū)，外部人流密集、場內(nèi)空間狹小，大跨度鋼梁運(yùn)輸和安裝成為鋼結(jié)構(gòu)施工的重要制約因素。

圖1 整體建筑效果

根據(jù)結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)方案，本工程需要在屋頂原混凝土結(jié)構(gòu)上開設(shè)27m×27m的中庭采光洞口，洞口上需安裝3根H型鋼梁，作為采光頂棚支撐。鋼梁1截面為H1 350×500×20×60，鋼梁2截面為H650/450×400×20×40(梁截面中間進(jìn)行加高)，主梁跨度27m，其中鋼梁1重約22.01t，鋼梁2重10.1t。每個洞口安裝33根次梁，次梁截面為H500×250×12×25，跨度3m。

2 工程難點(diǎn)

1)中庭洞口面積較大，且位于原結(jié)構(gòu)中央部位，距離結(jié)構(gòu)邊緣最近距離27m，安裝高度為23.5m，周圍場地狹小，場區(qū)可利用空間較少。

2)鋼梁最大高度達(dá)1.35m，單根構(gòu)件最重約22.01t，質(zhì)量較大。屋面安裝高度較大，施工過程中受風(fēng)力影響較大，吊裝困難。

3)中庭第2，3層采光洞口已拆除，無法提供結(jié)構(gòu)操作平臺。

4)鋼梁支座設(shè)置在原混凝土結(jié)構(gòu)上，支座底板為400mm×600mm×40mm，中間呈球狀凸起，如圖2所示，安裝精度要求較高。

圖2 安裝支座節(jié)點(diǎn)

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 施工方案選擇

1)起重機(jī)吊裝散拼法 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在工廠按照深化圖進(jìn)行拆分加工，運(yùn)至現(xiàn)場完成鋼結(jié)構(gòu)梁拼裝后，使用起重機(jī)吊運(yùn)至安裝位置，再將次梁吊裝就位后進(jìn)行安裝。經(jīng)計(jì)算，此方法需要500t以上起重機(jī)才滿足吊裝要求，但使用大型起重機(jī)需較大空間進(jìn)行架設(shè)，而現(xiàn)場可使用場地有限，無法滿足吊裝需求。

2)室內(nèi)整體提升法 將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件拆分后吊運(yùn)至2層樓板，整體在2層樓板位置完成拼裝。根據(jù)總質(zhì)量和高度，分別設(shè)置4～6個起重吊點(diǎn)，將構(gòu)件整體提升至安裝位置。此方案吊裝質(zhì)量較小，但對提升吊點(diǎn)的要求較大，而且提升高度較大，施工難度較大。

3)整體滑移法 在屋頂上分別設(shè)置多個組裝區(qū)，先在第1個組裝區(qū)組裝完成1跨，再整體滑移至第2組裝區(qū)，然后組裝下一跨。按上述流程循環(huán)作業(yè)，直至完成施工。本方法吊裝質(zhì)量小，可充分利用屋頂原結(jié)構(gòu)空間，但因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)整體較重，對原結(jié)構(gòu)所能承受的荷載要求較高。經(jīng)計(jì)算，原結(jié)構(gòu)不滿足承載力要求，所以本方法無法實(shí)施。

4)主、次梁分次滑移法 將鋼梁主梁構(gòu)件分3段運(yùn)輸至現(xiàn)場，再分別使用起重機(jī)吊裝至屋面。在樓頂中庭洞口西側(cè)的胎架上組裝主梁，并于洞口南北兩側(cè)鋪設(shè)滑移軌道，然后利用載重小坦克與卷揚(yáng)機(jī)牽引滑移至安裝位置。為保證方案順利實(shí)施，主梁滑移過程中，牽引裝置采用雙速電動葫蘆進(jìn)行同步控制，使主梁兩端勻速滑動。主梁安裝完成后，在中庭洞口南北兩側(cè)布設(shè)滑索支座，采用鋼絲繩做滑索，將次梁滑移至安裝位置就位。經(jīng)計(jì)算，50t起重機(jī)即滿足吊裝要求。

經(jīng)整體考慮現(xiàn)場工況及進(jìn)度計(jì)劃要求，決定采用主、次梁分次滑移法施工，此方案具有可操作性，施工靈活，滿足現(xiàn)場要求。

3.2 鋼梁滑移支座設(shè)計(jì)

經(jīng)計(jì)算，本工程最大截面H型鋼主梁自重約22.01t，兩端支座壓力分別為110kN，設(shè)計(jì)滑移支座如圖3所示，由立柱、斜撐、底部橫梁及連接吊臂組成，所有構(gòu)件均采用H型鋼，各構(gòu)件采用焊接連接。

圖3 鋼梁滑動支座設(shè)計(jì)模型

支座下設(shè)置3個載重小坦克，每個小坦克額定載重12t，滿足支座承載要求?；栖壍啦捎貌垆撨M(jìn)行鋪設(shè)，施工時采用雙速電動葫蘆同時牽引鋼梁兩端支座，保證鋼梁按設(shè)計(jì)路線平穩(wěn)行進(jìn)。

滑移軌道鋪設(shè)在中庭洞口南北兩側(cè)原結(jié)構(gòu)梁上，軌道底部設(shè)置T形鋼支撐，間距0.5m，鋼支撐采用M20化學(xué)錨栓固定在原結(jié)構(gòu)上，軌道使用[12.6，肋朝上設(shè)置。鋼梁滑移軌道設(shè)計(jì)模型如圖4所示。

圖4 鋼梁滑移軌道設(shè)計(jì)模型

3.3 鋼梁滑動支座分析

支撐結(jié)構(gòu)承受垂直方向荷載及水平方向荷載，垂直方向荷載主要由立柱承擔(dān)，包括鋼梁自重荷載、支座結(jié)構(gòu)自重荷載及施工荷載。水平方向荷載主要由斜向支撐承擔(dān)，包括牽引產(chǎn)生的動荷載及風(fēng)荷載。鋼梁受力如圖5所示。

圖5 鋼梁滑移計(jì)算受力分析

如模型所示，支座立柱為抗壓構(gòu)件，軸向力為110kN。設(shè)計(jì)立柱截面為H200×100×7×11.4。經(jīng)計(jì)算，立柱最大承載力為為641kN，滿足承載力要求。

鋼梁重22.01t，根據(jù)現(xiàn)場工況，限定滑移速度≤1m/min。現(xiàn)場采用雙速電動葫蘆進(jìn)行牽引施工，電動葫蘆額定功率為500W，計(jì)算最大牽引力為10kN，斜支撐傾斜角度為30°，經(jīng)計(jì)算，傳遞給斜支撐的力為20kN。

根據(jù)現(xiàn)場條件，風(fēng)力<3級時才允許滑移施工。3級風(fēng)對應(yīng)風(fēng)荷載取0.02kN/m2，考慮建筑高度、構(gòu)件體型系數(shù)及風(fēng)振系數(shù)，施工時風(fēng)對每個支座產(chǎn)生的荷載約0.95kN。

斜支撐設(shè)計(jì)為H200×100×7×11.4。經(jīng)計(jì)算，斜支撐可承受的最大荷載約603kN，滿足承載力要求。

出于安全考慮，利用有限元分析軟件，分析鋼梁整體滑移過程中牽引動力和自身重力共同作用下的滑移支座安全穩(wěn)定性，經(jīng)計(jì)算，滑移支座各桿件應(yīng)力比均<0.5，滿足承載力要求。

3.4 次梁滑移方案設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)主梁安裝完畢后施工次梁，滑移軌道利用鋼索進(jìn)行設(shè)置，鋼索直徑為28mm，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度為1 550MPa，最小破斷拉力為378kN。次梁兩端分別設(shè)置1根鋼索，并在鋼索上設(shè)置吊具，將次梁固定于吊具上，通過卷揚(yáng)機(jī)牽引至安裝位置后進(jìn)行安裝。

施工時，鋼索兩端固定于固定支座上。經(jīng)計(jì)算，H型鋼次梁自重約0.42t，估算鋼索荷載后，采用H型鋼制作固定支座，由立柱、斜撐、撐桿焊接組成，各桿件利用化學(xué)錨栓固定于原屋面結(jié)構(gòu)上，以保證制作承載力。

3.5 次梁滑移懸索和固定支座分析

根據(jù)現(xiàn)場工況，鋼索跨度為27m，安裝于固定支座上后，跨中最大垂度約1m。鋼索自重約2.75kg/m，依據(jù)JGJ 257—2012《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行計(jì)算，鋼索在安裝時所受軸力約10.77kN。懸索是柔性的，不能抗彎和抗壓，只能受拉，因此懸吊次梁時，懸索結(jié)構(gòu)將次梁集中荷載轉(zhuǎn)變?yōu)閼宜鲝埩?，再將張力傳到支座上?/p>

由于鋼梁吊裝荷載為集中荷載，而規(guī)范中無明確對索結(jié)構(gòu)集中荷載的計(jì)算方式，因此設(shè)計(jì)時采用等效換算的方法估算鋼索軸力與支座反力：

F=(P/G+1)F1

(1)

式中：F為吊裝時的鋼索軸力；P為鋼梁集中荷載；G為鋼索自重；F1為安裝時鋼索所受軸力。

經(jīng)計(jì)算，吊裝時鋼索所受軸力約30.59kN，鋼索滿足承載力要求。

固定支座所受荷載為鋼索軸力的一半，斜支撐與地面角度為45°，所以斜支撐承受荷載約21.62kN。經(jīng)計(jì)算，斜支撐強(qiáng)度、穩(wěn)定性符合要求。

4 施工工藝流程

4.1 鋼梁組裝區(qū)域頂板加固

經(jīng)驗(yàn)算，原混凝土結(jié)構(gòu)不滿足鋼梁滑移承載力要求，因此施工前需在滑移區(qū)域設(shè)置腳手架回頂結(jié)構(gòu)。

通過計(jì)算，確定腳手架立桿橫縱間距均為0.9m，橫桿步距為1.2m，并在梁下單獨(dú)設(shè)置2排立桿。架體構(gòu)造應(yīng)滿足JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求。

4.2 鋼梁(支座)組裝

確定鋼構(gòu)件組裝區(qū)域后，安裝組裝鋼梁所用胎架。胎架使用T形鋼和H型鋼進(jìn)行組焊，截面尺寸由施工荷載、構(gòu)件質(zhì)量等因素確定。在柱頂、梁位置使用2M20化學(xué)錨栓進(jìn)行固定，如圖6所示。

圖6 鋼梁組裝胎架

鋼梁組裝時，應(yīng)注意組裝胎架和軌道的位置及高度，以便鋼梁組裝完成后可直接放置在軌道上。鋼梁組裝完成后，需對鋼梁和支座焊縫進(jìn)行100%損傷檢測。

鋼梁在相應(yīng)胎架上組裝完成后，焊接滑移支座，如圖7所示。當(dāng)端部活動支架焊接完成后，小坦克滑輪距滑動軌道間距為100mm。待軌道安裝完成后，使用龍門支架+倒鏈將鋼梁落至軌道上。

圖7 鋼梁滑移支座

4.3 滑移軌道安裝

軌道安裝過程中，應(yīng)保證軌道支撐固定牢固，且軌道水平度嚴(yán)格控制在±1mm范圍。另外，軌道連接部位的焊縫必須平整，凹、凸部位均進(jìn)行處理，保證標(biāo)高一致、平滑順直、焊縫順滑，軌道接縫處兩側(cè)均有支撐。

4.4 滑移

鋼梁滑移施工盡量選擇在無風(fēng)天氣，滑移過程中，需控制滑移速率≤1m/min，并采用同步裝置保證兩端勻速滑行，同時密切關(guān)注軌道和鋼梁變形、小坦克與軌道的相對位置變化情況，如有異常立即停止。牽引繩采用鋼絲繩類材料，嚴(yán)禁使用彈性較大材料。

4.5 鋼梁就位

鋼梁滑移至定位位置后，使用特制龍門架，固定在大梁兩側(cè)位置，固定前拆除支座兩側(cè)軌道，使用8M24化學(xué)錨栓將龍門架固定在原結(jié)構(gòu)混凝土梁(柱)頂端，使用斜向鋼支撐固定龍門架，斜支撐使用2M20化學(xué)錨栓固定在梁上，鋼梁兩端使用15t倒鏈同時均勻提升，達(dá)到可以拆除的支架高度后，拆除端部滑移支架，兩端同時均勻卸載使鋼梁就位。大跨度鋼梁高空就位時，需保證鋼梁兩端同時回落。鋼梁就位后，應(yīng)校核鋼梁及連接點(diǎn)是否變形。

4.6 次梁滑移

4.6.1次梁索道準(zhǔn)備

次梁采用鋼索進(jìn)行滑移施工，滑移支座(固定鋼索支座)使用H型鋼焊接而成。為增加支座穩(wěn)定性，在鋼絲繩一側(cè)支座設(shè)置斜支撐。設(shè)計(jì)鋼索直徑為28mm，鋼索進(jìn)場時應(yīng)進(jìn)行檢查，不得出現(xiàn)銹蝕、脫絲等問題。

4.6.2滑索安裝就位

次梁安裝過程中，采用滑索將次梁就位。施工過程中，使用叉車將次梁運(yùn)輸至滑索端部，使用倒鏈滑移至次梁安裝位置，下落后就位安裝。

5 結(jié)語

北京市朝陽區(qū)來廣營拆除和改造中庭大跨度高空鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中，采用鋼結(jié)構(gòu)主、次梁分別滑移的施工方法，滑移支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分利用型鋼抗壓性能，懸索設(shè)計(jì)利用鋼絲繩的抗拉性能，傳力簡單、明確，施工工藝操作簡單、快捷。通過計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)安全可靠。施工完成后，支座和軌道鋼材拆卸后可二次使用。本施工技術(shù)可有效解決拆改項(xiàng)目，在場地不足的情況下，高空大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)安裝問題，降低施工成本，實(shí)現(xiàn)既定的工程目標(biāo)。