大跨度鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工技術(shù)研究與應(yīng)用

鄭軍委，桑兆龍，孫治民，孫孝蕾，許廣勝

（中國(guó)建筑第二工程局有限公司，北京 100071）

1 引言

隨著大跨度鋼結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)的使用越來越廣泛，外形越來越新穎，尺寸越來越大，對(duì)建筑技術(shù)的要求也越來越高。大跨度空間建筑的工程技術(shù)和工程建設(shè)中所出現(xiàn)的諸多力學(xué)和技術(shù)問題引起了廣泛的關(guān)注。為了確保結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)，必須制訂出合理的施工計(jì)劃，對(duì)工程進(jìn)行科學(xué)的分析。

2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程的特點(diǎn)及應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)是我國(guó)建筑領(lǐng)域新興的一種建筑形式，很多大型的現(xiàn)代建筑都采用了鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)建筑與鋼筋混凝土、砌體、木結(jié)構(gòu)建筑相比優(yōu)勢(shì)顯著，一般由鋼梁、鋼管、鋼板等鋼梁、鋼柱、鋼桁架等構(gòu)成。通常采用焊接、螺栓、鉚接等方式進(jìn)行構(gòu)件的連接，由于材料均勻、機(jī)械性能好、重量輕、強(qiáng)度大以及加工方便，施工速度快等特點(diǎn)，在工業(yè)廠房、體育館等大型建筑工程中得到了廣泛使用[1]。

3 吊裝施工技術(shù)保證條件

3.1 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出廠檢查及驗(yàn)收

檢驗(yàn)內(nèi)容為：焊接材料、鋼構(gòu)構(gòu)件、涂裝材料、高強(qiáng)螺栓等原材料，對(duì)鋼材的一次、二次焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)和表面品質(zhì)檢驗(yàn)，構(gòu)件的幾何形狀、螺釘孔的定位和孔洞、焊接槽口、接頭夾角和定位、配件的規(guī)格和數(shù)目等，鋼材表面涂層的檢驗(yàn)，高強(qiáng)度螺栓摩擦面檢驗(yàn)和檢驗(yàn)報(bào)告。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出廠運(yùn)輸

為了確保在工地上正常起重，鋼材的供應(yīng)要與工地的起重進(jìn)度保持一致，對(duì)于異形、大構(gòu)件運(yùn)輸必須制訂運(yùn)輸計(jì)劃，運(yùn)輸方案應(yīng)考慮構(gòu)件的自重，由于城市交通等客觀條件的原因，鋼鐵需放在鋼架上進(jìn)行搬運(yùn)，使用鋼絲繩固定時(shí)，應(yīng)注意對(duì)鋼結(jié)構(gòu)四角的保護(hù)，為了防止鋼纜的腐蝕和變形，在運(yùn)輸過程中應(yīng)確保鋼纜穩(wěn)定，并在裝卸時(shí)進(jìn)行平衡作業(yè)，確保汽車和部件的穩(wěn)定性。在搬運(yùn)時(shí)產(chǎn)生的高強(qiáng)度螺釘?shù)哪Σ聊p，必須在生產(chǎn)之前用柔軟材料將其摩擦表面包裹嚴(yán)實(shí)，如平臺(tái)、次梁等，為了避免在搬運(yùn)時(shí)出現(xiàn)混亂，必須進(jìn)行分級(jí)包裝。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收

鋼構(gòu)件在進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)之前要根據(jù)出運(yùn)單進(jìn)行檢驗(yàn)，主要是檢驗(yàn)來料鋼材的規(guī)格、數(shù)量、型號(hào)等，特別要注意在搬運(yùn)期間的變化和破損，如果發(fā)現(xiàn)有變形或破損，要進(jìn)行糾正和修理。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)后的報(bào)驗(yàn)

進(jìn)場(chǎng)后，對(duì)鋼材進(jìn)行自查并填寫進(jìn)場(chǎng)材料、構(gòu)配件報(bào)批，還要上報(bào)監(jiān)督和施工單位，鋼材的對(duì)接焊接必須經(jīng)過第三方的目視檢查和直角焊的目檢[2]。

3.5 安裝前準(zhǔn)備

在安裝鋼結(jié)構(gòu)之前，要對(duì)建筑物的定位軸線和標(biāo)高進(jìn)行檢驗(yàn)，并進(jìn)行地基檢驗(yàn)和移交，混凝土強(qiáng)度要滿足安裝需要。與監(jiān)理、上一道工序的施工方共同對(duì)構(gòu)件的軸線位置、標(biāo)高等進(jìn)行重新測(cè)量，并做記錄、驗(yàn)收通過后方可進(jìn)行下一步工藝的建設(shè)。

3.6 水準(zhǔn)點(diǎn)及定位軸線的復(fù)測(cè)

按工程主管單位所定標(biāo)高進(jìn)行封閉測(cè)量，在保證視野正常的情況下，可以將控制點(diǎn)設(shè)置在建筑物內(nèi)或鄰近不易破壞的區(qū)域，并做好控制點(diǎn)防護(hù)。

4 大跨度鋼結(jié)構(gòu)常見安裝方法

4.1 高空原位單元安裝法

高空原位單元安裝法是在指定的地點(diǎn)直接對(duì)吊鉤和桿件進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝的方法。采用這種方式，可以進(jìn)行構(gòu)件的高空放置并保證工作臺(tái)的安全，但必須事先設(shè)置滿堂支撐。由于吊鉤和桿件重量較輕，該方法不會(huì)加重吊裝設(shè)備的負(fù)荷，一般的吊裝設(shè)備都能達(dá)到使用要求。理論上，在任何形式的大跨度鋼結(jié)構(gòu)中，高空原位單元安裝法都可以使用，但是在大型建筑中，該安裝方法需要更多的材料、更大的施工場(chǎng)地、更多的支撐以及更多的高空作業(yè)，因此，在工期較短的情況下不適用。

4.2 滑移安裝法

4.2.1 結(jié)構(gòu)滑移法

結(jié)構(gòu)滑移技術(shù)是指在有條件的地方，將結(jié)構(gòu)構(gòu)件先安裝好，然后通過滑移系統(tǒng)將裝配好的結(jié)構(gòu)送到指定地點(diǎn)，再進(jìn)行組裝。結(jié)構(gòu)滑移方法的優(yōu)點(diǎn)包括：（1）可以將所需機(jī)械裝置安置在相對(duì)固定的場(chǎng)地，所需支撐和操縱平臺(tái)的數(shù)量較少，場(chǎng)地處理費(fèi)和機(jī)器管理費(fèi)用也會(huì)大大降低，從而確保了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。（2）采用結(jié)構(gòu)滑移方法，其結(jié)構(gòu)支撐有利于滑移軌道的鋪設(shè)，并且滑動(dòng)路徑越長(zhǎng)，工作效率也就越高。（3）由于滑移構(gòu)件在進(jìn)入工地前就已裝配好，屬于幾何不變系統(tǒng)，在施工中能維持一定的剛性和穩(wěn)定性。在實(shí)際工程中采用結(jié)構(gòu)滑移法時(shí),應(yīng)注意，滑動(dòng)過程中有機(jī)械損耗和功耗也有可能損傷滑移裝置，所以，應(yīng)盡量減小滑動(dòng)阻力。

4.2.2 支承滑移法

支承滑移法是將支撐架設(shè)于結(jié)構(gòu)的預(yù)設(shè)部位，提供作業(yè)平臺(tái)及支撐，當(dāng)完成一部分結(jié)構(gòu)的安裝工作后，支架可以滑移至下一段需要安裝的鋼結(jié)構(gòu)處，如此循環(huán)直到完成整個(gè)安裝。支承滑移與結(jié)構(gòu)滑移有很大的不同，它可以看作是滑動(dòng)支承結(jié)構(gòu)而非滑動(dòng)結(jié)構(gòu)[3]，當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)沒有任何可以利用的空間時(shí)，可以采用該方法。不論是結(jié)構(gòu)滑移法還是支承滑移法，其滑行軌跡均非一般直線。在大型項(xiàng)目中，曲線滑行的效果要好于直線滑行，既節(jié)省了支撐機(jī)構(gòu)的材料，又可以與其他工種科學(xué)搭配交叉作業(yè)。

4.3 大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)無支承安裝法

大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)無支承安裝法是采用懸挑鋼結(jié)構(gòu)的剛性和起重設(shè)備，逐步延伸、分段安裝的方法。大跨懸挑式鋼架無支撐的安裝方法與高空現(xiàn)場(chǎng)安裝有相似之處（二者均在較高的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行），但也存在不同。大跨懸挑式鋼架不需預(yù)設(shè)支撐結(jié)構(gòu)，施工措施較少，工藝較簡(jiǎn)便[4]，因此，在結(jié)構(gòu)剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、本體結(jié)構(gòu)高的情況下，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。但是，在大跨懸挑式鋼結(jié)構(gòu)中，由于其自身重量過大，容易引起懸挑段下?lián)?，從而造成?gòu)件安裝坐標(biāo)不準(zhǔn)確，很有可能無法完成。

4.4 整體提升法

當(dāng)遇到大跨度鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，如果鋼結(jié)構(gòu)形式規(guī)整，安裝支撐胎架不但煩瑣且造價(jià)昂貴，這時(shí)可采用全吊裝安裝方法，即將整個(gè)吊車安裝在地面或者合適的樓層上，然后將其組裝起來，借助升降系統(tǒng)將整個(gè)結(jié)構(gòu)抬升到設(shè)計(jì)高度。在大型屋面施工中，普遍采用整體吊裝方法。與其他方法相比，整體式提升法具有以下5 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）高空作業(yè)量大大縮減，工人的高空作業(yè)更安全[5]。（2）大大提高了工作效率。（3）減少了施工中使用的臨時(shí)設(shè)施，如胎架、腳手架等。（4）由于安裝高度的降低，一般的塔吊就能滿足項(xiàng)目的要求，從而節(jié)約了使用大型塔吊的成本。（5）可以和其他項(xiàng)目進(jìn)行交叉操作，大大加快了施工進(jìn)度。但是，整體提升法不適合提升裝置規(guī)格小的情況，另外，大跨度鋼結(jié)構(gòu)剛度小，邊界安裝精度高，盲目使用會(huì)影響整體精度。

5 工程實(shí)例

5.1 工程概況

A 工廠的主體結(jié)構(gòu)包括2 個(gè)拱、20 個(gè)鋼架（包括平面桁架、實(shí)腹式工字鋼框架和折線鋼架），桁架拱形跨度為100 m+49 m，高度為29 m。其中，最大跨徑為41 m 的平面桁架最大跨為18 m，梁高為900 mm。3 個(gè)橫向支承沿房頂縱向排列，在下部的混凝土芯筒頂部由桁架拱支撐，在下部柱頂部采用鋼桁架和實(shí)腹型工字鋼梁鉸接。

5.2 施工方案分析

在全屋結(jié)構(gòu)施工中，桁架拱的安裝是最困難的，由于跨度達(dá)33 m，在實(shí)際工程中很難實(shí)現(xiàn)整體吊運(yùn)。而本設(shè)計(jì)中所使用的空間弧形網(wǎng)架，由于構(gòu)件規(guī)格和形式較多，采用高處散料施工難度大、造價(jià)高。經(jīng)對(duì)比，最終選用分段吊運(yùn)的安裝方法[6]。由于本工程中的網(wǎng)拱結(jié)構(gòu)體量較大，在吊運(yùn)過程中必須充分重視結(jié)構(gòu)的受力和施工經(jīng)濟(jì)效益。在吊裝過程中，部分結(jié)構(gòu)跨度過大，導(dǎo)致桁架在起重過程中產(chǎn)生很大的下?lián)?，這將會(huì)對(duì)整個(gè)焊縫的焊接和整體的線型產(chǎn)生不良影響，同時(shí)，結(jié)構(gòu)太小，會(huì)增加吊裝作業(yè)量，使大件起重機(jī)的使用效率下降。經(jīng)認(rèn)真比較和分析，確定分段吊裝的構(gòu)件長(zhǎng)度限定在25 m 左右，為了方便運(yùn)輸，采用“散件出廠，就地組裝”的方法。

5.3 結(jié)構(gòu)施工

5.3.1 主體構(gòu)件加工

該項(xiàng)目主要鋼結(jié)構(gòu)為桁架拱，其橫截面為三角形鋼管，全長(zhǎng)160 m 左右，按照施工方案，采用分段吊裝，每根桁架拱單元的吊裝長(zhǎng)度為26 m，每根桁架的邊長(zhǎng)都在5 m 以上，超出了運(yùn)輸極限。需要在A 工廠內(nèi)進(jìn)行零配件的加工，在到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，將胎架安裝在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配。（1）原材料。在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用Q345Bo 鋼和H 型鋼兩種類型。（2）胎座的構(gòu)造及技術(shù)要求。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況，設(shè)計(jì)了一種由路基箱、H 型鋼、千斤頂構(gòu)成的桁架裝配式焊接平臺(tái)。胎架必須符合強(qiáng)度和安全要求，路基箱體要壓實(shí)，胎座和路基箱的連接要牢固。（3）組裝工藝。首先，將桁架拱上弦桿放入胎架，焊接上弦腹桿和下弦腹桿，然后，將下弦桿的一側(cè)放在胎座上，最后，將腹桿與上弦腹桿和下弦桿焊接在一起。

5.3.2 結(jié)構(gòu)吊裝

針對(duì)A 工廠的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，采用1 臺(tái)7150 型150 t 的履帶式起重機(jī)，分3 個(gè)階段進(jìn)行吊裝，最大起重325 kN（32.5 t）。采用KHl80-2 型50 t 履帶起重機(jī)，將2 座桁架拱肋間的工字鋼和屋頂橫向系桿進(jìn)行吊裝。吊運(yùn)過程中，在桁架拱的節(jié)點(diǎn)下面設(shè)置了措施桁架，1～3 軸拱段在館外進(jìn)行，4～19 軸拱段在館內(nèi)進(jìn)行。在完成其他部件之前，先對(duì)桁架拱進(jìn)行定位。在兩個(gè)縱拱之間的工字形結(jié)構(gòu)中，1～3 軸工字鋼部件在室外用起重機(jī)進(jìn)行單臺(tái)吊裝，4～19 軸工字鋼梁在室內(nèi)進(jìn)行單臺(tái)起重[7]。1～3 軸工字鋼部件由兩個(gè)V 形橫斷面和一個(gè)直斷面組成，其施工方法是將V 形斷面懸挑至網(wǎng)架拱形，然后進(jìn)行垂直分段吊運(yùn)。9-18 軸的V 形截面的長(zhǎng)度超過3 m，在吊裝作業(yè)中，在V 形斷面與直斷面交會(huì)處應(yīng)安裝一個(gè)臨時(shí)支撐。利用起重機(jī)將平面網(wǎng)架和鋼梁的構(gòu)件沿單臂吊裝。

經(jīng)多輪觀測(cè)，確認(rèn)成型后零件連接性能良好，整體結(jié)構(gòu)受力均勻，滿足原設(shè)計(jì)要求，不僅保證了項(xiàng)目的順利進(jìn)行，而且保證了項(xiàng)目的順利進(jìn)行，從而保證了項(xiàng)目的質(zhì)量，達(dá)到了預(yù)期的目的。

6 結(jié)論

通過對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工技術(shù)的研究和應(yīng)用實(shí)例的分析，可以得出以下結(jié)論：案例工程采用的吊裝施工技術(shù)在提高施工效率和安全性方面有良好的效果，并且具有一定的推廣價(jià)值，未來還可以進(jìn)一步優(yōu)化吊裝方案，提高施工效率，并加強(qiáng)對(duì)施工過程中的各項(xiàng)安全措施的研究與應(yīng)用。