钢桁架-ALC屋面板系统安装关键技术问题分析

王　翔，刘泓鑫

(1.绍兴市镜湖建设开发有限公司，浙江 绍兴 312000；2.华汇工程设计集团股份有限公司，浙江 绍兴 312000)



钢桁架-ALC屋面板系统安装关键技术问题分析

王翔1，刘泓鑫2

(1.绍兴市镜湖建设开发有限公司，浙江 绍兴 312000；2.华汇工程设计集团股份有限公司，浙江 绍兴 312000)

摘要：对大跨度桁架结构施工中施工技术的选择、连接质量的保证、支撑柱拆卸等一些关键技术问题进行了探讨，并且通过实例对钢桁架-ALC板屋盖系统施工工艺作了论述，旨在提高大跨度桁架钢结构的施工技术，从而促进建筑业的发展。

关键词：大跨度；钢桁架；ALC屋面板；关键技术

大跨度钢桁架结构施工是建筑物跨度超过36 m空间钢桁架的施工方法。大跨度钢结构的成型过程是通过施工技术，如吊装、整体(或部分)滑移，整体提升(或顶升)等施工技术，从一系列准结构逐渐安装形成最终结构的过程。大跨度桁架结构的施工，尤其是空间钢桁架是困扰施工企业的技术难题，其中尤以施工方案、吊装方案的制定为甚。由于结构外形、跨度、场地的各异性，关键的施工技术很难有规范的经验可借鉴。本文通过工程实例着重分析了大跨度桁架钢结构施工会共同出现的一些关键技术：施工技术的选择、连接质量的保证、施工力学、后期拆除方案、安全保证措施,等等。ALC技术于1934年诞生于瑞典马尔摩市，20世纪60年代初传入日本，经过大半个世纪的应用和发展，ALC产品和技术在日本、欧洲已经推广普及，应用技术日臻完善。随着经济的发展，人们对建筑材料的要求越来越高。国家建设部经贸委已明确指示，发展和应用新型建材是改善和提高人民居住条件和生活质量的关键。而ALC产品由于节能、节土、节水等特点，充分利用各种工业尾砂，保护生态环境，坚决贯彻了建筑业可持续发展战略。随着21世纪“绿色生态环保”这一住宅产业的发展，ALC产品会得到更大范围的应用。本文所列项目将大跨度钢桁架、ALC屋面板乃至于钢-混凝土叠合柱整合在一起，目前国内这种做法比较少见，具有很强的实际意义。

1工程概况

1.1工程简介

绍兴科技馆新馆(图1)工程总建筑面积为31 208.6 m2，其中地上建筑面积25 321.6 m2，地下建筑面积5 887 m2。主要功能为科普展览、科技教育、科学实践、培训办公、学术交流与科技展示。平面布局设计为三区：其中南区为A区，设计为影院区；中区为B区，设计为培训办公区；北区为C区，设计为展览区。本文对B区的钢桁架施工及ALC屋面板安装的一些技术问题进行了分析。

1.2工程结构特点

该工程A区结构主要为劲性钢柱及上部网壳屋面结构，C区主要为钢筋混凝土结构和部分劲性钢柱，B区为双层钢桁架结构，支撑在A、C两区的劲性钢柱上。

图1　科技馆新馆效果图

本文探讨的范围仅限于B区双层钢桁架在施工过程中遇到的一些关键技术问题，所涉及的钢结构有2层楼面主次桁架、屋面层主次桁架两部分。该部分钢桁架节点复杂，连接形式繁多，施工难度很大，其主要技术难点有以下几方面：

1)B区桁架与A区、C区钢柱的连接节点复杂，形式多样，安装测量控制难度较大。

2)B区桁架上下两层，单榀重量较重、跨度较大，最大重量约为41 t，最大跨度约为51 m，吊装施工难度大，安装要求精度高。

3)B区桁架分上下两层，每层又分若干主次桁架，施工时不同构件、不同节点荷载变化大，须设计临时钢支撑辅助安装。

4)施工中由于多工序相互穿插，施工的协调与管理存在一定的难度。

2施工技术的介绍与选择

根据施工现场遇到的实际问题，施工技术的合理选择至关重要。目前大跨度钢结构的施工技术[1]主要有：

1)整体提/顶升法。提升法是利用吊杆将构件提升至安装位置，顶升法是利用千斤顶将构件沿着垂直滑道顶到安装位置。可以不需要大型吊装设备，采用小型力矩电机和液压千斤顶即可。

2)整体吊装法。该方法是将大型构件在地面拼装好后，吊装到指定的标高并加固。可以在场外拼装，对于大型构件则需要注意其运输的可行性，另外必须匹配功率足够的起重机。由于构件自身较大的重力，因此必须对吊点个数、位置、钢丝绳的强度、吊耳强度等一一计算和校核。

3)高空散装法。该方法的优点是不需要大型的起重设备，但是需要搭建很多的脚手架和辅助支撑装置，同时高空作业时间长。主要用在不需要大量焊接的桁架、网架的拼装场合，对装配位置要求的精度较高。

4)高空滑移法。该方法需要搭建滑轨，分块/分单元由一端滑移至另一端，最后拼装成整体构件。方法优点是节省空间和时间，允许其他土建平行作业，不需要大型吊装设备。

5)分条/分块安装法。将一个结构拆成许多小构件，用起重机吊至指定位置进行拼装。如果拆分成的小构件刚度大，受力不易变形，采用此种方法是合适的。该方法中小构件因为在地面上焊接、拼装，所以可以节省高空作业时间，效率高。

由于本工程可以利用吊装及拼装的场地有限，加上钢桁架本身自重高、跨度大、施工工期紧的特点。通过三维虚拟仿真技术反复推敲吊装方案，最终采用分块安装的方法(图2)，具体吊装顺序为：定位轴线建筑→地脚螺栓预埋→叠合柱吊装→支撑柱吊装→底层主桁架吊装→底层次桁架吊装→屋面主桁架吊装→屋面次桁架吊装→支撑柱拆除→中间验收。采用此种方案吊装完成后，经过现场实测，钢桁架挠度能满足设计要求，从而节省了工期，达到了预期的效果。

3连接质量

钢桁架的连接质量受定位精度的影响非常大。安装前，临时支撑的定位标高以及其他一些限位装置的标高都需要测量。工程中一般采用测量放线可以保证定位精度。当构件与基础固定时，地脚螺栓错位是安装中常见的问题。其原因主要是螺栓在基础浇筑时没有固定牢靠或者固定位置不准确。而且在混凝土初凝前，没有检查和校正，导致锚栓移位，造成构件局部应力集中或者安装不上去的局面。钢架的固定一般采用普通螺栓或高强螺栓，使用前必须保证螺栓合格。

当构件采用焊接时，需要注意以下几点问题：

1)焊接环境。在不适宜环境下的焊接会导致裂纹出现，比如在雨雪天气中进行焊接作业。

2)焊接的速度与角度。通常焊条与构件前进方向的角度为60°～75°，在焊件厚度一致的情况下，焊条与焊件的夹角为45°；在焊件厚度不一致时，焊条与较厚一边的焊件的夹角应大于与较薄焊件之间的夹角。

3)焊缝的处理。为避免温度突变产生的应力集中而导致的焊缝裂缝，应对焊接的部位进行预热，并在焊接的过程中随时进行加热。焊接完成后还需要再进行热处理，以消除温度造成的应力，并进行焊缝的外观检查和探伤。

4)清渣。在进行下一阶段的焊接前应及时清除焊渣。

图2　现场吊装

4支撑柱拆卸

如图3、图4所示，在结构的施工阶段需要设置一些临时支撑柱。

图3　支撑柱剖面图

图4　支撑柱三维模型

本工程B区主桁架安装时采用格构柱作临时支撑(图4)，底层格构柱整体长度约为7.5 m，由4根角钢作主肢，间距500 mm设置一道缀板，格构柱截面尺寸为800 mm×800 mm；格构柱底部设置放大底座，增强稳定性。上层格构柱整体长度约为5.7 m，同样由4根角钢做主肢，间距500 mm设置一道缀板，截面尺寸为500 mm×500 mm。

当所有构件安装完成后，临时支撑柱就失去了作用，必须将它们拆除。拆除临时支撑柱后，原支撑点处的支撑外力(相对于构件而言)将消失，构件受力状态发生变化，因此构件内部应力将重新分布[2]。拆除某一根支撑柱时，该支撑柱的压力会按照某种关系卸给其余所有支撑柱。因此，需要精确地计算出拆除支撑过程中整个构件应力变化情况，进而寻找出最佳拆除顺序以保证构件不发生大的变形，保证施工安全。当全部的临时支撑柱被拆除后，构件即处于正常的设计受力状态。有如下原则需要在拆除过程中给予考虑：

1)拆除过程方便、安全可靠、便于施工；

2)组成构件的杆件或者临时支撑柱均要在弹性状态下受力，不允许出现塑性变形。

根据“变形协调，卸载均衡”的原则，通过放置在支撑柱上的可调节千斤顶，多次循环微量下降来实现“荷载平衡转移”。首先将上层各支撑点的千斤顶同时调高10 mm左右，使结构荷载落在千斤顶上，并对此时构件的应力变化进行监测分析，然后将上层支撑点短柱上钢板垫层抽去20 mm，并将千斤顶同时降低20 mm，使钢桁架结构层和支撑点保持10 mm的间隙，保持此状态48 h。每个卸载行程20 mm，所有千斤顶行程相同，做到同步卸载、同时退出。将整个桁架结构逐渐转换到自由受力状态。此过程中千斤顶受力比较均匀，没有大的内力变化，而且施工现场利于操作，卸载过程结构受力合理，易于实施，见图5。

图5　构件吊装装置

考虑到施工过程中变化的因素很多，结构的危险工况一般也出现在施工过程中。因此，本工程在正式吊装前通过软件，根据实际受力的各个工况，对整个吊装过程进行了三维模拟-虚拟仿真。采用这种技术之后，不仅仅在吊装过程中避免了很多危险工况的出现，更重要的是对于各个构件之间相连的精确性起到了不可估量的作用。其优越性主要体现在：

1)通过静态装配构件，校验装配尺寸，避免了钢结构的安装错误；

2)利用仿真技术动态模拟构件吊装过程(图5)，进行实时干涉检测，可以确保构件安装到位，对方案在空间上进行优化，即时检验构件安装中是否与其他构件及支架的碰撞与干涉，从而得出正确的安装方法；

3)采用多点同时施工，按实际吊装顺序模拟工程进展，对方案在时间上进行优化，并且直观地实现了对于施工进度与质量的监管；

4)通过对吊装施工方案的动态模拟，施工人员可以选择观察的地点和角度，对吊装现场进行实时漫游，随时根据施工现场的具体情况调整吊装施工方案。

5ALC屋面板施工工艺

5.1施工准备

认真贯彻“百年大计，质量第一”和“预防为主”的方针，“谁施工谁负责质量”的原则。认真学习和会审施工图纸、排版图、节点图并做好交底工作。蒸压轻质加气混凝土屋面板依照图纸及现场实际尺寸测量，进行排版计算。然后安排生产，到现场对号入座安装。材料进场码放位置及施工道路应平整、通畅。堆放时距板两端1/5处用垫木或加气砖垫平，每垛不能超过2 m。板材含水率不能超过15%。

5.2工艺流程

ALC屋面板工艺流程：施工部位确认→清扫、清理→放线→验线→ALC板二次搬运→ALC板两端扩孔→ALC板材就位→板材校正调整→板材固定(四周用钩头螺栓固定)→板材修补→水泥砂浆勾缝→自检→报验。

5.3施工方案

1)按施工图弹线放样。

2)在钢结构上安装厚面板，可直接在钢屋架或钢梁上焊接钢筋；在钢筋混凝土结构上安装屋面板，可在预埋铁上焊接钢筋；当屋面坡度为1∶2时，须在三块板之间焊接支承铁件，并做好防锈处理。

3)焊接定位钢筋完成后，即可安装屋面板。屋面板应使用M12钩头螺栓安装。

4)板安装完毕，即可安装接缝钢筋。

5)接缝钢筋安装完毕后，用1∶3水泥砂浆灌缝。

6)在屋面板上刷一道界面剂或防水界面剂，然后做20 mm厚水泥砂浆找层,或在屋面板上做40 mm 厚配筋细石混凝土面层。

7)找平层或面层完成并干固后，按设计要求做层面防水层。

5.4常见问题及纠正措施

1)材料变形的纠正措施：将板的两端固定，用机械或人力将板调直。

2)材料损坏的纠正措施：用修补石膏将损坏部位修整。

3)相邻板面不平整的纠正措施：将差别较大的屋面板卸下，挑选厚度差异较小的屋面板放置在一跨屋面上。

4)节点未做防锈处理的纠正措施：用石膏修补，内掺防水粉修补节点。

5)焊接钢筋长度搭接不够的纠正措施：另取Φ10钢筋连接板与节点，两端都要满足搭接长度。

6结语

该工程现已投产使用，其先进的设施和舒适的环境受到广大市民的一致好评。在整个施工过程中，工程管理人员精心管理、精心施工，遇到技术难题勇于创新，其中《钢结构安装施工仿真技术》被评为2013年度浙江省工程建设优秀质量小组，大跨度异型钢结构关键技术研究项目被列为浙江省重点建设科研项目，同时获得了2014—2015年度工程建设最高奖——鲁班奖。当下正是工业化建筑蓬勃发展的阶段，此种结构体系切实符合了工厂化建筑的“节能、节水、节电、节材、环保”的主题，是一项可以大力发展的技术，值得推广。

参 考 文 献

[1]《建筑施工手册》(第五版)编委会.建筑施工手册[M].5版.北京：中国建筑工业出版社,2012.

[2]中国建筑科学研究院.GB 50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

收稿日期：2016-02-17

作者简介：王翔(1967—)，男，浙江绍兴人，高级工程师，从事建筑工程管理工作。

中图分类号：TU765

文献标志码：B

文章编号：1008-3707(2016)07-0035-04

Analysis on the Key Technical Problems of Installationof the Steeltruss Roof Panel System

WANG Xiang1, LIU Hongxin2