建筑工程大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)分析

余 濤

（杭州建工集團(tuán)有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

隨著市政設(shè)施建設(shè)的規(guī)模日益增多，越來越多的學(xué)者對大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)提出了新的施工要求，田瑞斌等[1]提出了基于復(fù)雜施工條件下的大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架模塊化施工方法，并將蘭州市中川國際機(jī)場T3 航站樓作為工程項(xiàng)目的研究對象，運(yùn)用了Tekla 技術(shù)展開坐標(biāo)系出圖和三維建模，使用有限元分析技術(shù)，針對拼裝支撐胎架展開現(xiàn)場模擬吊裝和分析，減少了工程項(xiàng)目的材料浪費(fèi)，縮短工期，施工過程十分便捷，工程項(xiàng)目質(zhì)量也較好。陳軍等[2]將江西省展演中心項(xiàng)目的鋼屋面裝修改造作為研究對象，提出了桁架懸挑梁施工平臺和鋼管懸掛鋼結(jié)構(gòu)施工平臺的使用策略。劉三玲等[3]提出了BIM 技術(shù)支持下的多層大跨度鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)絡(luò)橋施工技術(shù)，借助BIM 技術(shù)三維建模，為地基處理提供指導(dǎo)，并使用分段吊裝，保障了多層鋼箱梁的立體分段吊裝施工過程安全且高效，同時(shí)提出運(yùn)用有限元來模擬鋼箱梁焊接應(yīng)力，針對應(yīng)力較大位置可以在其中增設(shè)轉(zhuǎn)移焊接集中應(yīng)力的卡馬，減少了焊接時(shí)的集應(yīng)力，為類似工程項(xiàng)目的施工提供了有力參考。

1 工程概況

某地會展中心建設(shè)于2012 年，其中包括3 層的劇場以及10 層的配套服務(wù)樓，地下1 層，建筑物面積共計(jì)76 543m2，建筑物用的是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)，使用鋼結(jié)構(gòu)紅頂屋面裝飾，施工現(xiàn)場已經(jīng)完成了外墻立面、地下室防水和室內(nèi)裝修的改造升級。經(jīng)建設(shè)單位要求，需要對屋面上層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，其中包括大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工。

2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工的技術(shù)分類

大跨度結(jié)構(gòu)建筑物主要是指在結(jié)構(gòu)橫向方向上超過60m 的建筑物。大跨度結(jié)構(gòu)建筑物空間結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，鋼材是主要的承重結(jié)構(gòu)材料。運(yùn)用大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的建筑物，建筑物的覆蓋面積較大，造型新穎、獨(dú)特，結(jié)構(gòu)安全、可靠、牢固。相較于傳統(tǒng)的施工技術(shù)，使用大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)時(shí)，需確保選材堅(jiān)固，以抵御自然災(zāi)害。基于我國目前在大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工上的技術(shù)應(yīng)用，依照其承重方式的差異性可以分為：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)、折板結(jié)構(gòu)。

2.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是使用最為廣泛、最為普遍的一類大跨度建筑結(jié)構(gòu)，也是大跨度屋面結(jié)構(gòu)的主要類型之一。該結(jié)構(gòu)是運(yùn)用建筑鋼材進(jìn)行現(xiàn)場拼裝。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可以適應(yīng)不同幾何形狀的屋面設(shè)計(jì)需求，也可以綜合建筑空間和建筑物的建設(shè)目標(biāo)，對方案進(jìn)行調(diào)整，完成高建筑自由度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這種將鋼材作為主要結(jié)構(gòu)材料的建筑物，有著更強(qiáng)的穩(wěn)定性，防震效果更好。一般情況下，城市中造型較為新穎的商業(yè)建筑物或是新建辦公樓，往往運(yùn)用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)建筑物現(xiàn)場施工如圖1 所示。

2.2 懸索結(jié)構(gòu)

在懸索結(jié)構(gòu)中，承重部件為建筑物對角線方向交叉設(shè)置的多條鋼索，主要?jiǎng)澐譃閮深悾謩e是懸索屋頂式與氣承式。前者用到的是雙層或是多層懸索，可結(jié)合鋼材高強(qiáng)度的特征，制作為吊索網(wǎng)。后者由于有著較好的張力，因此抗風(fēng)性能更好，在海邊城市使用較廣泛。

2.3 殼體結(jié)構(gòu)

運(yùn)用輕質(zhì)高強(qiáng)度材料制作而成的鋼結(jié)構(gòu)，雖然剖面尺寸減小，但是在重力荷載的影響下，很容易出現(xiàn)凹陷和變形，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性不足。但是殼體結(jié)構(gòu)運(yùn)用到的是力學(xué)分析方法，將鋼材制作為殼型屋頂，內(nèi)部應(yīng)力分配更為均勻，殼體結(jié)構(gòu)厚度更小、覆蓋面積更大。與此同時(shí)，在承接荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)也會更為安全、穩(wěn)定，使用殼體結(jié)構(gòu)比較具有代表性的建筑物為悉尼歌劇院。

2.4 折板結(jié)構(gòu)

折板結(jié)構(gòu)是將多塊鋼筋混凝土進(jìn)行拼接之后，制作為坡折形薄壁的建筑結(jié)構(gòu)，比較常用到的鋪設(shè)結(jié)構(gòu)橫截面包括兩種，分別是v 型橫截面和梯型橫截面。在屋頂設(shè)計(jì)時(shí)，需保障豎直的支撐墻體與水平面構(gòu)成30°以下的夾角，結(jié)構(gòu)更為安全穩(wěn)定。將該夾角作為鋪設(shè)方向，運(yùn)用坡式折板，常用在大型展廳和車站等公共建筑物中。鑒于該工程項(xiàng)目的施工特征及要求，施工中使用折板結(jié)構(gòu)。

3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用

3.1 安裝準(zhǔn)備

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的安裝之前，需要對安裝定位運(yùn)用到的軸線控制點(diǎn)以及測量標(biāo)高使用水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，并放出標(biāo)高控制線和軸線的吊裝輔助線。復(fù)驗(yàn)時(shí)，復(fù)驗(yàn)內(nèi)容為鋼梁預(yù)埋線的軸線、標(biāo)高、水平度，檢查吊裝機(jī)械和吊具，確定焊接和輔助工具是否準(zhǔn)備到位。還需要注意起重機(jī)的選擇，吊裝作業(yè)時(shí)的最大半徑為45m，可以使用320t 履帶式起重機(jī)安裝鋼梁，回轉(zhuǎn)半徑45m，與建筑物之間的距離需要小于11m，起重的基桿長度需要在78m。在進(jìn)行鋼梁吊裝時(shí)，可以運(yùn)用兩點(diǎn)吊裝法，在鋼梁的2/3 位置設(shè)置好吊耳，并將鋼絲繩的角度設(shè)置為60°。鋼絲繩和吊耳之間適合運(yùn)用卡環(huán)來進(jìn)行連接，鋼絲繩需要準(zhǔn)備4 根，每根的長度12m，要求鋼絲繩為雙股繩。使用兩根15t鋼絲繩，需要懸掛在吊鉤中，并運(yùn)用卡環(huán)對鋼絲繩進(jìn)行固定，有效規(guī)避鋼絲繩的脫鉤問題。

3.2 現(xiàn)場吊裝

綜合該工程項(xiàng)目大跨度鋼結(jié)構(gòu)的受力特征，施工時(shí)，需要綜合考量多方面的因素，其中包括場地條件、機(jī)械設(shè)備準(zhǔn)備情況、成本投入以及工程質(zhì)量的建設(shè)要求。目前在進(jìn)行大跨度鋼結(jié)構(gòu)安裝時(shí)，該工程可使用的施工方法包括以下幾種。

（1）高空散裝法。該方法主要是指將工程項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，劃分為不同的小單元散件，同時(shí)在高空拼裝為鋼結(jié)構(gòu)整體。施工時(shí)，結(jié)合高空散裝法施工技術(shù)的細(xì)節(jié)差異，可以分為：滿堂支架法、懸挑法。滿堂支架法被廣泛運(yùn)用在國內(nèi)建筑施工，對節(jié)點(diǎn)相對較多的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有著較強(qiáng)的適用性，最大的特征和優(yōu)勢在于：無需運(yùn)用大型系統(tǒng)裝備。但是使用該技術(shù)對支架進(jìn)行搭設(shè)時(shí)，會耗費(fèi)大量的材料。該工程更加適合懸挑法，施工時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)內(nèi)容：一是需要綜合結(jié)構(gòu)的具體形式，明確科學(xué)合理的拼裝順序，并控制幾何尺寸的累計(jì)誤差，盡量降低幾何尺寸的累積量。二是為確保結(jié)構(gòu)拼裝之后的偏差度符合工程項(xiàng)目的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)過程中，需要對已安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨時(shí)復(fù)測和調(diào)整。三是需要保障已施工部分結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性符合工程項(xiàng)目的建設(shè)要求。四是螺栓球的節(jié)點(diǎn)需要保障擰緊，隨后再把套筒上的定位螺栓進(jìn)行固定。五是在施工時(shí)，該方法的使用多為高空作業(yè)，為保障有關(guān)工作人員的人身安全，需要制定出針對性的安全防護(hù)措施。

（2）分條或分塊安裝法。分條或分塊安裝法也被稱為小片安裝法，主要是指將鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件直接在地面進(jìn)行焊接，拼裝為不同的條塊小單元，隨后使用起重設(shè)備，將安裝完成的條塊單元直接吊裝到高空設(shè)計(jì)位置拼接為整體結(jié)構(gòu)。這一方法的運(yùn)用，可以節(jié)省地面支架，同時(shí)焊裝為分塊和分條單元之后，拼裝大小可以綜合起重設(shè)備的負(fù)荷能力確定，因此，施工方案的制定十分靈活。運(yùn)用分條分塊安裝施工技術(shù)時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)內(nèi)容：一是結(jié)構(gòu)吊裝單元需要保障剛度符合要求，制定臨時(shí)支撐體系或是防傾覆措施，以保障鋼結(jié)構(gòu)施工的安全穩(wěn)定。二是吊裝單元需要結(jié)合起重設(shè)備的起重能力情況，若是結(jié)構(gòu)劃分為條狀單元，則要求受力狀態(tài)與平面結(jié)構(gòu)接近。施工時(shí)，設(shè)置好吊點(diǎn)位置、數(shù)量，有效規(guī)避撓度值太大導(dǎo)致的安裝偏差。三是在進(jìn)行單元吊裝之前，可以運(yùn)用預(yù)拼裝施工技術(shù)，控制拼裝尺寸，減少在高空對接時(shí)存在的節(jié)點(diǎn)位置偏差。四是可以提高支撐胎架高度，保障結(jié)構(gòu)科學(xué)合理。需有關(guān)工作人員注意，接口位置不可出現(xiàn)錯(cuò)邊問題，以避免對結(jié)構(gòu)整體安全性帶來負(fù)面影響[4]。

（3）整體提升施工技術(shù)。整體施工技術(shù)主要是指，在將鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行地面整體拼裝之后，使用起重設(shè)備直接把拼裝完成的結(jié)構(gòu)安裝在固定位置。這一方法包括三類，分別是整體提升、整體頂升和整體吊裝。整體提升和整體頂升的施工過程較為相似，不同點(diǎn)在于提升設(shè)備的位置有所差異。前者是運(yùn)用起重設(shè)備，將其放置在結(jié)構(gòu)的上方，而后者則是多運(yùn)用支柱，將其作為滑道，直接把千斤頂安裝在結(jié)構(gòu)的下方位置。在運(yùn)用整體提升施工技術(shù)時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)內(nèi)容：一是施工中，需要注意變邊界問題，并保證模擬計(jì)算方法選擇合理；二是需要確保調(diào)度垂直度；三是施工時(shí)，若是存在鋼體位移、彈性變形耦合問題，將會對結(jié)構(gòu)質(zhì)量帶來影響，需制定調(diào)整措施；四是施工時(shí)，速率提升變化過程會產(chǎn)生動力效應(yīng)，也會對結(jié)構(gòu)帶來影響；五是確定好吊點(diǎn)的位置和數(shù)量；七是在進(jìn)行吊裝時(shí)，各個(gè)吊點(diǎn)移動若是不同步，也會對結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移情況帶來影響。

（4）整體吊裝法，整體吊裝法主要是指先把鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地面進(jìn)行拼裝，拼裝為整體之后，使用起重設(shè)備吊裝到高空的設(shè)計(jì)位置進(jìn)行固定安裝。這一方法更加適合運(yùn)用在中等跨度的桁架結(jié)構(gòu)中，但是該技術(shù)的運(yùn)用，將會對起重設(shè)備提出較高的標(biāo)準(zhǔn)及要求[5]。與此同時(shí)，在進(jìn)行整體吊裝時(shí)，地面施工內(nèi)容也會受到一定程度的影響。

（5）滑移安裝法。滑移安裝法主要是指將分條結(jié)構(gòu)單元提前設(shè)置在滑軌，將其滑移到工程項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)位置進(jìn)行整體拼裝。在結(jié)構(gòu)施工時(shí)，該方法的運(yùn)用多是進(jìn)行架空作業(yè)，可以和下部的其他施工內(nèi)容平行推進(jìn)，不會對建筑物的內(nèi)部施工帶來影響，可節(jié)省工程項(xiàng)目的施工周期。使用該方法時(shí)，也無需運(yùn)用到大型的起重設(shè)備和大型的牽引設(shè)備。

3.3 安裝和校正

在進(jìn)行鋼梁吊裝之前，首先需要對梁的編號、結(jié)合尺寸和牛腿標(biāo)高進(jìn)行檢查，明確其是否符合工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)圖紙要求。與此同時(shí)，需要在鋼梁的上翼緣位置打出腹板中心點(diǎn)，并運(yùn)用紅色油漆做出標(biāo)識。在鋼梁組裝完成之后，便可進(jìn)行現(xiàn)場安裝。首先，需要把鋼絲繩鎖在起重機(jī)的吊鉤中，另外一端運(yùn)用卡環(huán)，將其鎖在鋼梁提前焊接好的鋼吊耳上，運(yùn)用起重機(jī)來進(jìn)行升桿。鋼梁在開始提升時(shí)，需要保障升起速度緩慢，兩端需安排專業(yè)人員扶好，有效規(guī)避構(gòu)件側(cè)移與其他構(gòu)件碰撞。在鋼梁吊裝距離地面500mm 左右時(shí)，起重機(jī)則可以停止提升，在吊裝構(gòu)件保持平穩(wěn)狀態(tài)之后，繼續(xù)勻速提升。鋼梁應(yīng)該運(yùn)用斜起吊方法，在鋼梁距離預(yù)埋件位置在30cm 左右時(shí)，則可以直接扶正。該工程施工現(xiàn)場腳手架影響施工，難以扶正，需要先把鋼梁伸入到北側(cè)，在南側(cè)就位之后，再把鋼梁拉出就位，以確保構(gòu)件兩端可以對準(zhǔn)埋件的中線，并控制標(biāo)高，隨后進(jìn)行螺栓連接，此時(shí)則可以慢慢落鉤。在構(gòu)件提升的過程中，需要確定流程，對構(gòu)件方向進(jìn)行嚴(yán)格控制，有效規(guī)避對人員帶來的負(fù)面影響[6]。首先，需要吊裝GL1-1 線鋼梁就位，保障鋼梁兩端均在混凝土柱牛腿的預(yù)埋件上。腹板和混凝土柱預(yù)埋的連接板，需要運(yùn)用螺栓來進(jìn)行連接，并控制鋼梁支座中心線和定位軸線，調(diào)整好鋼梁標(biāo)高。在調(diào)整工作完成之后，則可以進(jìn)行底座和預(yù)埋板連接。腹板可以使用螺栓和連接板進(jìn)行連接，隨后擰緊。依照工程項(xiàng)目的施工順序，對其他鋼梁進(jìn)行吊裝。在進(jìn)行安裝矯正時(shí)，需要從以下三個(gè)方面入手：

（1）標(biāo)高找正，首先，需要明確支座處標(biāo)高，綜合最高點(diǎn)和最低點(diǎn)存在的高度差，對制作出的墊板高度進(jìn)行調(diào)整，以尋找正高差。找正之后，對于同一根鋼梁的高度差，需要在工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)偏差允許范圍之內(nèi)，并確保標(biāo)高調(diào)整墊板和預(yù)埋件點(diǎn)焊牢固。

（2）平面位置找正?？梢詼?zhǔn)備好經(jīng)緯儀，在混凝土柱的側(cè)方位置標(biāo)注好和鋼梁中心之間的距離尺寸，同時(shí)與鋼梁中心線進(jìn)行比較，使用千斤頂頂移的方式逐步找正。找正完成之后，要求鋼梁相對安裝中心線的位移和撓曲度偏差始終維持在工程項(xiàng)目的允許偏差范圍之內(nèi)[7]。

（3）進(jìn)行垂直度的矯正。可以運(yùn)用吊線錘，檢查鋼梁垂直度，若是發(fā)現(xiàn)存在偏差，則可以直接在兩端支座面中加設(shè)斜墊板，并運(yùn)用人工拉葫蘆或是千斤頂來調(diào)整，一直到偏差度在允許范圍內(nèi)，保障鋼梁和預(yù)埋件結(jié)合緊密。找正工作完成之后，則可以進(jìn)行最終的固定處理。

4 結(jié)論

綜上所述，現(xiàn)代建筑建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，為滿足這些建筑物的大跨度、大空間使用功能需求，需彌補(bǔ)傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)建筑物自重太大、跨度較小的不足之處，加強(qiáng)對鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，發(fā)揮出鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度高、自重輕、組裝靈活等優(yōu)勢，滿足新時(shí)期的建筑物施工需求。文章針對大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行了分析，將某地會展中心作為分析對象，提出了四種施工結(jié)構(gòu)，分別為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)、折板結(jié)構(gòu)，并指出折板結(jié)構(gòu)在該建筑物中的使用技術(shù)要點(diǎn)，為類似大跨度施工提供借鑒。