大懸挑體育場空間管桁架整體吊裝施工技術(shù)研究

張松華 付 婧 孫 健

隨著我國體育事業(yè)的蓬勃發(fā)展、大型會展業(yè)的興起以及大規(guī)模集體文娛活動的增多，人們對于具備較大空間跨度、出色受力性能和優(yōu)美造型的大跨度及大懸挑公共建筑的需求日益增長[1]，因此管桁架結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)。但由于其造型獨特，導(dǎo)致施工過程中涉及大量焊接作業(yè)、吊裝作業(yè)和高空作業(yè)等，進而增加了施工風(fēng)險和工期風(fēng)險[2]。

為了減少高空焊接作業(yè)量，降低高空作業(yè)風(fēng)險，加快施工進度，并提高桁架的安裝精度和焊接質(zhì)量，河南省洛寧縣全民健身體育活動中心項目的鋼結(jié)構(gòu)工程積極創(chuàng)新，專注于大懸挑倒三角桁架整體吊裝施工的技術(shù)攻關(guān)，并對其施工工藝進行專項研究。這項研究取得了2 項國家實用新型專利，分別為《一種用于異型鋼結(jié)構(gòu)制作的鋼胎膜結(jié)構(gòu)》和《防止鋼絲繩彈射的吊裝裝置》。

1 項目概述和工藝流程

體育場的屋蓋采用帶有加強桁架的空間單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，最大懸挑長度約30 m。整個屋蓋呈不規(guī)則弧面，上下兩部分對稱排列，總質(zhì)量約為920 t。該結(jié)構(gòu)共設(shè)置了10 個豎向桁架，桁架截面形狀為三角形，三角腹桿和內(nèi)弦桿采用圓管型材，在弧形豎向桁架中間設(shè)置支座點。單榀桁架最重達75 t，通過先在地面整體拼裝，然后整體吊裝的方式進行安裝。管桁架現(xiàn)場拼裝工藝流程如圖1 所示。

圖1 管桁架現(xiàn)場拼裝工藝流程（來源：作者自繪）

2 操作要點

2.1 定位放樣和埋設(shè)預(yù)埋件

十字鋼柱預(yù)埋件的頂板即為桁架支座底板，因此要嚴格控制頂板的高程和中心點的坐標。在土建施工階段，先將框架柱澆筑至設(shè)計高度，并提前埋設(shè)錨栓和定位鋼板，當混凝土達到強度要求后，將預(yù)置的十字鋼柱預(yù)埋件安裝到相應(yīng)位置[3]。

為了確保預(yù)埋件的穩(wěn)固，采用密實灌漿料對預(yù)埋件下部至混凝土面之間進行灌漿，其他部位按照設(shè)計要求澆筑常規(guī)混凝土?；炷翉姸冗_到設(shè)計強度的70%以上，才能安裝桁架[4]。在深化設(shè)計時，需要特別注意土建框架柱鋼筋與預(yù)埋件綁扎的順序，以免發(fā)生沖突。

2.2 搭設(shè)地面拼裝胎架

桁架地面拼裝胎架需要采用300 mm×200 mm×6 mm×8 mm 的焊接H 型鋼，間距為6 m，其他弦桿支撐架根據(jù)位置和高度進行相應(yīng)調(diào)整。三角桁架拼接胎架示意圖如圖2 所示。為確保各主管的尺寸和形狀正確，在裝配之前要進行預(yù)拼裝。先在管件連接處增加連接耳板，用螺栓連接管件，然后檢查連接的正確性，如有不符合要求的情況應(yīng)立即矯正。在裝配平臺上，利用組裝胎架裝配桁架的主管和主管之間的腹桿，裝配順序為先在胎架上組裝上弦和下弦主管，確定它們的空間位置，再裝配腹桿并進行定位，最后焊接。桁架拼裝示意圖，如圖3所示。

圖2 三角桁架拼接胎架示意圖（來源：作者自繪）

圖3 桁架拼裝示意圖（來源：作者自繪）

2.3 測量矯正

對于地面拼裝、整體吊裝的桁架施工方法，節(jié)點控制至關(guān)重要。要特別注意控制胎架的定位，根據(jù)臨時支撐布置圖放出支撐架的控制軸線和定位十字線，在安裝支撐架時要與十字線對齊[5]。空間桁架拼裝角度變化較大，桁架上各點的標高也相應(yīng)變化，因此需要在桁架上選取分段支撐處的上弦、下弦節(jié)點作為坐標控制點。在計算機仿真模型測量出桁架桿件的定位坐標，并與測點進行坐標轉(zhuǎn)換，再使用全站儀精確定位。使用全站儀檢測支撐架頂端是否控制在預(yù)定坐標范圍內(nèi)，并在支承架的頂端和側(cè)面標記明顯的十字線加以區(qū)分[6-8]。

2.4 管桁架現(xiàn)場拼裝

在已經(jīng)測平的平臺上，標記出桁架控制點的水平投影點。首先，將胎架焊接在平臺上，使用水準儀等儀器測量控制點的垂直標高。通過調(diào)節(jié)水平調(diào)整板或螺栓，確保構(gòu)件控制點的垂直標高尺寸符合圖紙要求。其次，在胎架上按照具體位置放置單板節(jié)點和弦桿。使用掛錘球等儀器，確保桁架上控制點的垂直投影點與平臺上標記的控制點重合，并固定定位塊，確保弦桿位置正確。再次，在胎架上繪制各主管節(jié)點的中心線，確定主管的相對位置時，須考慮焊接收縮余量[9-11]。安裝腹桿并進行定位焊接，至少采用4 個焊接點。最后，對桁架進行焊接。先焊接未靠胎架的一面，完成后使用吊機將桁架翻轉(zhuǎn)，再焊接另一面。為確保焊接質(zhì)量，盡量避免仰焊和立焊。在組裝過程中，應(yīng)考慮桁架的預(yù)起拱值。根據(jù)規(guī)范要求，在跨度大于24 m的情況下，可采用L/500的預(yù)起拱值（L為桁架跨度），而對于較小跨度的桁架則無須進行預(yù)起拱。

2.5 焊接施工

本項目采用二氧化碳氣體保護焊工藝進行焊接。為了防止焊接應(yīng)力引起變形，主桁架的焊接工作分成2 個步驟―首先焊接主管的對接焊縫，然后焊接支管。在焊接支管時，應(yīng)從桁架的中間管開始焊接，逐漸向兩側(cè)進行[12]。

2.6 管桁架結(jié)構(gòu)安裝

管桁架結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝的主要順序：軸線復(fù)測―桁架吊裝―桁架支座相貫焊接―水平系桿焊接―屋面檁條安裝―屋面系統(tǒng)安裝[13]。

試件核心鋼骨部分為柱貫通式節(jié)點，由焊接工字鋼組合焊接而成，左右鋼梁采用熔透對接焊縫焊接，鋼材材料基本力學(xué)性能見表2。再生混凝土強度等級為C40，再生粗骨料來源于拆遷建筑的廢棄混凝土，其各項材料指標基本能滿足《混凝土用再生粗骨料》(GB/T25177-2010)[8]的配置要求，再生混凝土基本力學(xué)性能指標見表3。

現(xiàn)場桁架的安裝施工要點如下：

1）安裝工況驗算。

2）桁架吊裝。選擇合適的吊車吊裝桁架，每臺吊車的綁扎點選在距離吊裝單元端部1/4 的位置。吊裝前采用懸吊鋼尺和水準儀法將標高引測到下部結(jié)構(gòu)，控制桁架與下部結(jié)構(gòu)相貫各點的標高。吊裝時注意用溜繩控制兩端，并緩慢將桁架梁放置到位。

3）相貫節(jié)點焊接。首先焊接桁架梁弦桿和下部結(jié)構(gòu)，然后安裝連接桁架梁之間的支撐桁架桿件，待所有構(gòu)件安裝焊接工序完成之后，卸載吊點并摘鉤。

4）高空補桿焊接。高空補桿采用手工電弧焊或二氧化碳氣體保護焊的方法，按照先主管后次管、先對接后角焊的順序進行分層分區(qū)焊接，確保每個區(qū)域形成穩(wěn)定的空間體系，減少安裝誤差。

5）安裝質(zhì)量檢測。采用外觀檢測和超聲波無損探傷的方法檢測安裝質(zhì)量，其中外觀檢測主要檢查焊接方法、焊接電流和焊條直徑等，對所有全熔透焊縫進行超聲波探傷并記錄，確保符合相關(guān)規(guī)范要求。

另外，胎架數(shù)量要根據(jù)現(xiàn)場情況、吊裝要求和施工周期確定，以確保管桁架拼裝和安裝速度相匹配，減少或避免窩工現(xiàn)象。

2.7 吊裝計算

某單榀桁架質(zhì)量為70.1 t，計劃采用300 t 的履帶式起重機進行吊裝，通過軟件模擬吊裝工況下的位置和變形情況，如圖4 所示。

圖4 軟件模擬吊裝工況示意圖（來源：作者自繪）

為了控制桁架的位置和角度，可以在下部連接2 根鋼絲繩，在每根鋼絲繩上安裝1 個32 t 的手拉葫蘆，用于調(diào)整桁架的角度。手拉葫蘆的手鏈長度設(shè)置為20 m，便于操作人員在地面操作。

桁架最大立面寬度為3.8 m，吊車的作業(yè)半徑在15 m 內(nèi)。根據(jù)300 t履帶式起重機的性能參數(shù)，其主臂為48 m，吊車額定起重量為116 t，被吊物體質(zhì)量為70.1 t，動力系數(shù)取1.3。根據(jù)相關(guān)規(guī)范計算可得吊車的豎向荷載為95.16 t，小于額定起重量，可以滿足吊裝要求。

2.8 鋼桁架初步起吊和空中姿態(tài)調(diào)整

為避免損壞桁架構(gòu)件，在地面拼裝時桁架處于平放狀態(tài)。但在吊車將桁架提升至設(shè)計安裝姿態(tài)的直立過程中，底部可能會沿地面滑移。為了解決這一問題，需要配置一臺80 t 的吊車提升桁架底部，并配合將其移動到直立位置[14]。

起重吊裝工作必須嚴格按照規(guī)范和履帶式起重機、汽車起重機使用說明書的要求進行。在正式起吊之前，應(yīng)先進行試吊。試吊應(yīng)緩慢進行，當離地50 cm 后需停留一段時間，觀察構(gòu)件是否有明顯變形，確保吊點沒有問題后才能正式起吊。在起吊過程中要緩慢提升，并根據(jù)軟件模擬的翻身過程，保證只有底部的2 個吊點承受力。桁架直立過程需要緩慢進行，保證輔助吊車的桿件微微離開地面。直立完成后，可以使用預(yù)先設(shè)置好的手拉葫蘆調(diào)整角度[15]。

2.9 下弦桿與支座焊接

調(diào)整好桁架的角度后，需要將其旋轉(zhuǎn)到土建基礎(chǔ)預(yù)埋件的對應(yīng)位置。利用預(yù)先點焊在支座位置上的鋼板調(diào)整定位，調(diào)整完成后，將桁架下弦桿與支座進行定位焊接。為保持桁架的穩(wěn)定，需要在桁架兩側(cè)的垂直方向拉設(shè)纜風(fēng)繩，在桁架靠近建筑物的位置設(shè)置撐桿，預(yù)防左右傾覆。

摘鉤和卸鋼絲繩的過程如下：桁架頂部距離吊點高度約5.5 m，在吊鉤解開后，吊臂會出現(xiàn)一定偏移，需要在看臺頂部落鉤并進行摘鉤操作。這樣吊索就會靠近看臺位置，然后沿著預(yù)先設(shè)計好的爬梯上人拆除，下部的吊索拆卸可以使用云梯車上人拆除。

在首榀桁架吊裝完成后，通過在接近端點位置向兩側(cè)拉設(shè)纜風(fēng)繩和圓管支撐措施，保持桁架結(jié)構(gòu)就位穩(wěn)定，形成穩(wěn)固結(jié)構(gòu)。后續(xù)依次按照由中間向兩邊的順序進行桁架吊裝，桁架間同樣采取連接穩(wěn)定措施。以相同方法安裝剩余9 榀桁架，在完成2 榀后即可進行穿插施工，安裝桁架間的網(wǎng)殼。

3 結(jié)語

本文以洛寧縣全民健身體育活動中心為例，研究大懸挑體育場空間管桁架整體吊裝施工技術(shù)的具體應(yīng)用。通過地面拼裝、整體吊裝的方法，有效解決了高空分段拼接安裝施工中耗費人力物力大、施工周期長、精確度無法保證等難題，確保了施工的安全可靠，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。