大型懸挑鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵施工技術(shù)研究

李少龍

（中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

科學技術(shù)日新月異，建筑結(jié)構(gòu)形式的多樣化為建筑功能的實現(xiàn)提供了良好的保障。比如在一些地標性建筑物中大懸挑結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用，大懸挑結(jié)構(gòu)形式大多是應(yīng)用鋼桁架結(jié)構(gòu)進行施工。鋼結(jié)構(gòu)具有剛度高、重量輕、跨越能力強且具有建筑美感等諸多優(yōu)點，多用于空間廣闊的大型公共建筑結(jié)構(gòu)中[1]。伴隨鋼結(jié)構(gòu)形式的不斷增多，結(jié)構(gòu)跨度逐漸增大，建筑結(jié)構(gòu)體系更加復(fù)雜化，這對建筑施工工藝與施工技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提出了更高要求。在大跨度連體鋼結(jié)構(gòu)施工中，施工工藝和施工技術(shù)不同會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力、穩(wěn)定性及形變有較大差異。此外，因施工荷載的復(fù)雜性、材料的蠕變、結(jié)構(gòu)在施工過程中的不完整性等因素引發(fā)結(jié)構(gòu)在施工過程中產(chǎn)生事故的概率極大。在建筑施工中加強對大型懸挑鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵施工技術(shù)的研究，控制好建筑工程質(zhì)量尤為重要[2]。本文創(chuàng)新點在于實現(xiàn)了大懸挑鋼結(jié)構(gòu)桁架層的拼裝、仿真分析等技術(shù)大跨度、重型構(gòu)件的安裝精度，通過對所選關(guān)鍵控制點的控制有效保障工程施工順利、安全地進行。

1 大懸挑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計說明

本工程鋼結(jié)構(gòu)大懸挑位于裙樓3～4 層，勁性柱部分位于裙樓及裙樓負2～5 層3～7 軸交C～D 軸，共計7 處，勁性柱截面形式為十字型及H 型鋼，材質(zhì)為Q355B；大懸挑鋼桁架位于7 軸～10 軸交C 軸～G 軸，桁架分布于3～5 層，桁架主要截面形式為焊接H 型鋼，材質(zhì)為Q355B，最大高度為10.71m，最大懸挑長度為27.65m。

2 施工重難點分析

根據(jù)本工程大懸挑鋼結(jié)構(gòu)特點，對懸挑鋼結(jié)構(gòu)桁架層關(guān)鍵施工技術(shù)進行重難點分析，針對具體情況采取相應(yīng)對策[3]。

鋼結(jié)構(gòu)桁架層平面布置要求高、工程體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鋼構(gòu)件需根據(jù)平面布置進行合理分段組裝，在施工過程中工程的整體施工組織及現(xiàn)場平面布置十分重要。為了滿足塔吊運輸能力，確保施工的正常穩(wěn)定開展，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要依據(jù)現(xiàn)場實際平面布置要求、工況要求及塔吊的運輸能力情況合理分段。

本工程的懸臂桁架向外懸挑27.65m，桁架分成若干個散裝單元施工，會因自重荷載而下?lián)希芰蛡髁Φ耐緩奖容^復(fù)雜，可能會出現(xiàn)桁架應(yīng)力集中而導(dǎo)致變形過大的情況。所以，安裝時采用格構(gòu)式胎架臨時支撐的方法，在對應(yīng)的桁架弦桿下方搭設(shè)臨時支撐架，確保桁架施工過程中的穩(wěn)定性。

在支撐拆除即卸載過程中建筑結(jié)構(gòu)體系會發(fā)生一系列變化，懸挑結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生形變，內(nèi)力會重新分配，由于卸載順序及卸載方法的不同支撐胎架的支座反力也會隨著發(fā)生相應(yīng)變化。所以為了確保建筑結(jié)構(gòu)符合設(shè)計的受力情況，且在卸載過程中不破壞支撐架，必須對卸載過程中結(jié)構(gòu)的力學安全性進行計算分析，選擇科學的卸載順序和卸載方法。

3 主要施工方法

3.1 柱腳錨栓預(yù)埋施工

預(yù)埋錨栓采用雙螺帽，柱腳節(jié)點采用M20/M25 的錨栓，材質(zhì)為Q355B。地腳螺栓的埋設(shè)采用直埋法，即在基礎(chǔ)底板綁扎鋼筋的同時，將地腳螺栓群用鋼模板做相對固定，并與柱基礎(chǔ)鋼筋籠牢固連接，整體澆筑混凝土，一次固定。鋼柱地腳螺栓的定位，直接關(guān)系到今后的梁柱能否順利地安裝，其定位精度直接影響到整個工程的施工質(zhì)量，因此要切實做好現(xiàn)場的測量工作。

3.1.1 地腳螺栓固定架埋設(shè)

因為鋼柱體積和重量較大，定位精度要求又高，臨時固定難度很大。制作預(yù)埋支架將支架與下層鋼筋籠焊牢加固，并加焊斜支撐，防止跑位和傾覆。

3.1.2 下部混凝土的澆注

應(yīng)測設(shè)好錨栓安裝位置的控制線（基軸線或中心線等）及錨栓上角鋼頂面定位線。錨栓角鋼上事先彈好縱橫向中心線，預(yù)埋時找準縱橫向控制線，使其與測量定位基軸線吻合。

安裝結(jié)束后進行混凝土的澆注，澆注需采取措施保證預(yù)埋螺栓的位置尺寸，采用調(diào)節(jié)預(yù)埋板下部螺母的方法調(diào)節(jié)預(yù)埋板的標高，測量預(yù)埋板的位置尺寸，發(fā)現(xiàn)偏差及時校正。

3.1.3 鋼柱的安裝與固定

進行鋼骨柱的安裝，安裝時應(yīng)確保螺栓的相對位置尺寸，同時應(yīng)保護好螺栓的絲扣不受到破壞螺栓墊板與鋼柱底板之間的焊接，焊接時采用合理的焊接順序，注意控制焊接變形。

3.1.4 鋼柱底部的二次灌漿

對鋼骨柱的底部混凝土的二次灌漿，并確保鋼骨柱底部的水平標高準確。

3.2 勁性柱吊裝流程

3.2.1 安裝臨時工裝設(shè)備

吊裝前將安裝爬梯安裝在鋼柱的一側(cè)，同時在柱與梁的連接位置下1.2m 處焊接固定裝配式安裝操作平臺的臨時槽鋼，鋼爬梯和臨時槽鋼應(yīng)安全牢靠，便于作業(yè)人員操作。

3.2.2 吊點設(shè)置及起吊方式

吊點設(shè)置在預(yù)先焊好的連接耳板處。為防止吊耳起吊時的變形，采用專用吊具裝卡，采用單機回轉(zhuǎn)法起吊。起吊前，鋼柱應(yīng)墊上枕木以避免起吊時柱底與地面的接觸，起吊時，不得使柱端在地面上有拖拉現(xiàn)象。

3.2.3 柱腳定位

鋼柱吊到就位上方200mm 時，應(yīng)停機穩(wěn)定，對準螺栓孔和十字線后，緩慢下落，使鋼柱四邊中心線與基礎(chǔ)十字軸線對準。

3.2.4 鋼柱臨時固定

柱底就位應(yīng)盡可能在鋼柱安裝時一步到位，少量的校正可用千斤頂和調(diào)整螺母法校正（精度可達±1mm）。

3.3 鋼桁架施工流程

現(xiàn)場滿足鋼結(jié)構(gòu)施工→HJ-D4 下弦底部放置圓管支撐→安裝HJ-D4 下弦桿→安裝HJ-D4 第一根斜腹桿→安裝HJ-D4 斜腹桿及立桿→安裝HJ-D4 上弦桿→HJ-D3 下弦底部放置圓管支撐→安裝HJ-D3 下弦桿→依次安裝HJ-D3 腹桿及上弦桿→安裝兩榀桁架間次桁架（HJ-C2）→HJ-C2 下弦E 軸處放置格構(gòu)支撐→安裝HJ-C2 第二段中弦→HJ-C1 下弦8 軸處放置格構(gòu)支撐→安裝HJ-C1 第一段下中弦及腹桿→HJ-C1 下弦10 軸處放置格構(gòu)支撐→安裝HJ-C1 第二段中弦桿→安裝HJ-C2 第三段中弦桿→按照相同方法依次安裝HJ-C1 剩余上弦及腹桿→安裝HJ-C2，C 軸～E 軸間上弦桿及腹桿→安裝HJ-C2 剩余上弦桿及腹桿→安裝HJ-D1 →安裝HJ-D3 →安裝HJ-D1 與HJ-D3 間次梁→安裝HJ-D2 →裙樓桁架安裝完成。

3.4 鋼桁架吊裝工況分析

安裝過程中需重點把控構(gòu)件分段方案、安裝工況及平面布置三者關(guān)系[4-5]。首先，根據(jù)整體施工進度及經(jīng)濟效率原則進行施工平面布置；其次，根據(jù)起重設(shè)備的最大起重重量進行構(gòu)件分段；最后，采用工況分析法驗證分段結(jié)果是否滿足起重要求。桁架施工主要采用現(xiàn)場XGT360-20S1 型（65m）塔吊單根或單元高空散裝，懸挑桁架下弦桿底部設(shè)置臨時支撐，桁架散裝單元分析如表1 所示。

表1 桁架散裝單元工況分析表

3.5 裙樓桁架施工過程分析

為確保結(jié)構(gòu)施工安全性，需要對施工過程進行模擬驗算，分析結(jié)構(gòu)變形和桿件的應(yīng)力比，為建筑工程的安全施工提供準確的數(shù)據(jù)支撐。本次驗算采用有限元分析軟件Midas Gen 2021，荷載僅為自重（含節(jié)點自重），考慮動荷載系數(shù)1.4。

由施工過程分析結(jié)果可知，在施工過程中，桿件的應(yīng)力比最大值0.485，如圖1 所示，結(jié)構(gòu)最大位移19.59mm，如圖2 所示，方向向下，跨度與撓度之比為1/1442；結(jié)構(gòu)的變形和桿件應(yīng)力比均較小，可以滿足施工要求。

圖1 應(yīng)力比模擬示意圖（來源：作者自繪）

圖2 鋼桁架結(jié)構(gòu)變形模擬示意圖（來源：作者自繪）

3.6 臨時支撐架的布置

臨時支撐架需拉設(shè)纜風繩，裙樓鋼桁架共設(shè)置3 個格構(gòu)支撐及2 個圓管支撐，圓管支撐布置于2 層樓面，下部做反頂處理，反頂圓管頂至地下室-2 層底板處。臨時支撐布置于地下室頂板處及-1 層頂板處。布置于樓面的支撐架需在樓層梁上擱置規(guī)格為HW350mm×350mm 的轉(zhuǎn)換梁，轉(zhuǎn)換梁下部墊25mm×300mm×300mm 的鋼板，防止轉(zhuǎn)換梁與樓板接觸破壞樓板。所以轉(zhuǎn)換梁材質(zhì)均為Q235B。

3.6.1 支撐架的樣式

格構(gòu)支撐截面為1.6m×1.6m，支撐架節(jié)間高度2.2m，主肢管采用φ140mm×10mm，斜腹桿采用φ80mm×10mm，直腹桿采用φ50mm×4mm，頂部轉(zhuǎn)換梁截面為HW400mm×400mm×13mm×21mm,材質(zhì)為Q235B，格構(gòu)支撐最大搭設(shè)高度為21.0m。圓管支撐采用φ245mm×10mm,搭設(shè)高度為5.0m,材質(zhì)為Q235B。

3.6.2 支撐架纜風繩設(shè)計

為保證格構(gòu)式支撐架穩(wěn)定性，在支架2/3 附近節(jié)點位置拉設(shè)纜風繩，纜風繩拉設(shè)角度按45°～60°左右控制，并根據(jù)土建施工順序進行拉設(shè)，以免對安裝施工造成影響。纜風繩一側(cè)就近拉設(shè)在混凝土柱處，另一側(cè)與拉設(shè)在格構(gòu)架2/3 處，纜風繩選用6×19+FC 鋼絲繩，φ16mm 鋼絲繩，兩兩對稱拉設(shè)。

3.6.3 圓管支撐反頂措施設(shè)置

（1）由于2 層圓管支撐區(qū)域存在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，為了不使圓管支撐傳遞過程中破壞混凝土結(jié)構(gòu)，需對2 個圓管支撐底部設(shè)置反頂立桿。反頂立桿應(yīng)從基礎(chǔ)底頂至2 層樓面底。反頂立桿的截面為φ245mm×10mm，材質(zhì)為Q235B。

（2）由于上下兩層混凝土梁水平投影位置不一致，導(dǎo)致反頂立桿存在一定的偏差，為了使立桿有效傳遞至地基，對立桿上下層有偏差處進行補強。對于處在上下層偏差處設(shè)置HW200mm×200mm 進行頂緊，HW200mm×200mm 與樓板間采用20mm×250mm×250mm 鋼板墊緊.

（3）為了使反頂立柱能有限傳遞至基礎(chǔ)而不受損失，反頂立柱在設(shè)施過程中需有限頂緊混凝土梁板，反頂立柱上下端部各焊接兩塊端板，安裝時利用下部兩臺千斤頂使立柱抬起，然后底部空隙逐步塞入2～6mm 鋼板使立柱頂緊，最后緩慢釋放千斤頂，使立柱上下端完全頂緊上下層梁板。

3.6.4 桁架臨時支撐系統(tǒng)驗算

為保證鋼桁架結(jié)構(gòu)施工安全，需在主桁架懸臂端設(shè)置臨時支撐結(jié)構(gòu)，臨時支撐采用四肢格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)?？紤]桁架的安裝方式，因此設(shè)臨時支撐架時需考慮豎向和水平向的作用力，結(jié)合作用在支撐架的最不利荷載及需搭設(shè)支撐架的高度，本次驗算采用有限元分析軟件Midas Gen 2021 進行驗算分析。

（1）位移計算結(jié)果。支撐架最大水平變形為8.59mm；最大豎向位移為3.22mm＜20mm，能滿足安裝精度要求。

（2）應(yīng)力比計算結(jié)果。支撐架桿件最大應(yīng)力比為0.657，其中立桿最大應(yīng)力比為0.355＜0.9，斜腹桿最大應(yīng)力比為0.097＜0.9，直腹桿最大應(yīng)力比為0.041＜0.9，頂部轉(zhuǎn)換鋼梁最大應(yīng)力比為0.657＜0.9，均滿足承載能力要求。

（3）臨時支撐穩(wěn)定性分析。彈性過程屈曲分析臨界荷載系數(shù)為62.62 ＞4，結(jié)構(gòu)不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3.7 支撐體系卸荷

卸荷是整個施工中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一，在卸載時應(yīng)遵循“變形協(xié)調(diào)、卸載均衡”的原則，采取先上層后下層、先中間后向兩端的順序逐步完成卸荷作業(yè)。在該工程中首先將中間格構(gòu)式支撐架進行卸荷，即先將中間支撐架用氣割卸去一定的量,一般以10mm 為宜,具體數(shù)據(jù)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際而定,下一步則將其余支撐架各卸去10mm,依次類推直至全部脫空卸完。當桁架完全處于承載受力之后，再由中間向兩端將盤扣式腳手架進行拆除。這種卸荷順序使桁架在施工過程中盡量形成一種自受力體系，以降低卸荷對不同支架受力不均的影響[6]。在支架卸荷中為了更好地降低對支架產(chǎn)生的不均勻受力情況，需要針對不同支架進行多次交替卸荷。臨時支撐架布置圖如3 所示。

圖3 臨時支撐架布置圖（來源：作者自繪）

4 結(jié)論

本文以廣州律師大廈二期項目為研究背景，通過對大懸挑鋼桁架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵施工技術(shù)進行研究，對大懸挑鋼桁架結(jié)構(gòu)安裝制定了較為詳細的施工方案及施工部署，在安裝過程中合理的把控構(gòu)件分段方案、安裝工況及平面布置三者關(guān)系，有效提升了施工效率。針對大懸挑鋼桁架結(jié)構(gòu)的特點，采用了格構(gòu)式胎架臨時支撐法與胎架卸載法等關(guān)鍵施工方法，由于在胎架卸載前后懸挑架受力狀況會由簡支狀態(tài)變?yōu)閼姨魻顟B(tài)，鋼構(gòu)件內(nèi)力會重新分布，通過時變因素施工模擬技術(shù)進行全過程的模擬驗算，進而控制整體結(jié)構(gòu)施工的安全性與壓縮變形精度。