大跨度棱形单层钢梁网格结构安装施工技术

黄亚均，游建华

（1.中建三局第三建设工程有限责任公司，湖北 武汉 430074；2. 中建三局集团有限公司，江苏 苏州 215021）

0 引 言

诸如电影院、溜冰场、游泳池、宴会厅等功能建筑要求有较大跨度的空间，各种形式的大跨度钢结构屋面应运而生。大跨度棱形单层钢梁网格结构是由单层钢梁组成的斜向斜交网格体系，其安装施工方法因施工环境的不同而有所差异。本文以镇江苏宁广场项目为依托，开展了大跨度棱形单层钢梁网格结构安装施工技术的研究，对类似大跨度钢结构工程施工具有一定的参考意义。

1 工程概况

镇江苏宁广场项目位于镇江市京口区解放路与中山东路交汇处，总建筑面积 39.5 万 m2，由东塔楼（77 层，建筑高度 341 m）、西塔楼（62 层，建筑高度228 m）和商业裙房（7 层，建筑高度 38 m）组成，建成后是集酒店、办公、大型购物广场及娱乐设施于一体的地标性城市综合体。

裙房 7 层的溜冰场屋面钢结构采用大跨度棱形单层钢梁网格结构，其外形为不规则多边形，最大跨度达 42.2 m，覆盖面积 1 277 m2。钢梁材质为 Q 345，截面形式为 H1 000×300×16×28，棱形单元夹角 62°，边长 5.2 m。由 14 根劲性钢骨柱支承网格结构屋盖，屋顶结构上方为玻璃幕墙。网格结构屋盖平面形式如图1 所示，所在位置如图2 所示。

图1 网格结构平面图（单位：mm）

2 有限元模拟分析

钢结构在自重和外部荷载的共同作用下，势必会产生弹性变形。尤其在大跨度钢结构上，这种变形带来的影响不可忽视。以本工程为例，大跨度网格结构作为屋面玻璃幕墙的承载骨架，如果其出现较大弹性变形，则会直接影响玻璃幕墙安装质量。因此，需要重点控制好大跨度钢结构的下挠变形，使其在标准允许范围内。

为了实现这个目标，本工程采用有限元分析软件Midas/Gen8.0 进行模拟分析。根据钢结构设计图纸，建立有限元模型，计算大跨度网格结构在正常工作状态下受力与变形情况。

1）荷载取值。施工阶段恒荷载主要包括钢结构自重和幕墙荷载，其中结构自重考虑节点重量，取系数 1.1；幕墙荷载取 1.5 kN/m2，折算成线荷载为 3.64 kN/m。恒荷载分项系数取 1.2。不考虑活荷载。

图2 网格结构平面位置图

2）边界条件。支撑钢柱柱底采用固定刚性支座，钢梁连接节点采用刚接。计算结果如表1 所示。

表1 有限元分析成果

根据上述计算结果，位于网格结构中心位置的点位 5 下挠值最大，为 119.5 mm＞跨度 42 200 mm/400=105.5 mm［1］。为了将其下挠变形控制在允许范围内，可以通过预起拱的方式实现。起拱值可以参照上述模拟分析确定，但起拱的实施方法需要结合钢结构安装工艺来确定。

3 钢结构安装工艺选择

大跨度钢结构按照其结构特点和现场施工环境，常用的施工方法有高空散装法、分条（分块）安装法、滑移安装法、整体（单元）安装法等［2］。

本工程溜冰场大跨度钢结构屋盖在裙房 8 层楼面的高度，约 38 m，且位于裙房的中心地带，安装环境复杂。根据现场条件，吊装可利用现场已有的塔吊吊装钢构件，塔吊型号为 ST 70/30，臂长 55 m，完全覆盖网格结构范围。因此，优先选择高空散装的方法施工。

在确定钢结构的施工方案之后，下一步就需要制定对应的预起拱方案。在高空散装法的施工条件下，本工程拟定采用胎架支撑整体预起拱方案。首先在下层楼板上布置 5 组胎架 TJ 1、TJ 2、TJ 3、TJ 4、TJ 5（见图3），通过计算屋盖在自重和幕墙荷载共同作用下胎架位置的挠度值-X，从而确定该部位预起拱值应为 X（见表2），在屋盖安装过程中，胎架工装标高为（屋盖标高+X），通过胎架支撑对整个屋面进行预起拱，屋盖结构钢结构安装完成后，进行胎架卸载，屋盖结构恢复至设计标高位置。

图3 胎架支撑布置图

胎架主要采用φ325×10与φ89×4 的圆管制作，截面尺寸 2 500 mm×2 500 mm，底座和胎帽采用H 300×300×10×15 型钢制作，材质均为 Q 235。胎架利用塔吊进行吊装，底座固定于结构楼板上，结构楼板承载力需经验算；胎帽用于连接顶部工装。

表2 各胎架预起拱值表

4 钢结构安装施工

为了保证钢结构安装过程中已施工部分钢结构的刚度和稳定性，整个网格结构施工应遵循“先外围交圈，再对称填充，后悬挑封边”的总体施工顺序，这样还能保证网格结构整体变形最小，利于控制安装精度。

4.1 施工流程

施工准备→钢骨柱、支撑胎架安装→钢骨柱间连梁安装→大跨度钢梁高空散装→复测、校正→悬挑边梁安装→叠合柱施工→支撑胎架卸载、拆除。

4.2 具体施工步骤

钢结构安装施工顺序如表3 所示。大跨度钢结构安装完毕、胎架卸载后，钢结构自然恢复至设计标高位置。经过对50% 汇交节点部位标高进行复测，与设计标高对比，最大误差为±6 mm≤±L/5 000＝42 200/5 000＝8.44 mm，满足相关要求［3］。钢结构安装完成图如图4 所示。

4.3 施工注意事项

采用高空散装法施工，需要重点注意以下 3 个方面的问题。

1）结合钢结构的具体形式，确定适合的拼装顺序；

2）在施工过程中随时对已安装的钢结构进行复测、调整，以保证钢结构总拼后的总体偏差在标准允许范围内；

3）采用悬挑法施工时必须保证已施工部分结构的刚度和稳定性。

还需要特别注意，钢梁连接节点设计为刚接。安装时，首先进行腹板高强螺栓施工，使连接节点临时为铰接，网格结构整体预起拱完成后，整体进行上下翼缘焊接施工，焊接施工顺序为从中间向四周依次进行，这样可以减小焊接带来的结构变形。

表3 网格结构安装施工流程

图4 大跨度网格结构安装完成图

4.4 施工质量控制

1）钢梁的吊装顺序应严格按照主次梁的吊装顺序进行，及时形成框架，保证框架的垂直度，为后续钢梁的安装提供方便。

2）处理产生偏差的螺栓孔时，只能采用机械方式扩孔，不得采用气割扩孔的方式，扩孔后的孔径不得超过 1.2 倍的螺栓直径。

3）在钢梁的标高、轴线的测量校正过程中，一定要保证已安装好的标准框架的整体安装精度。

4）钢梁安装完成后应检查钢梁与连接板的贴合方向。

5）安装时应用临时螺栓进行临时固定，不得用高强螺栓代替安装螺栓直接穿入。

5 结 语

与常规大跨度钢结构采用大量胎架或整体提升等施工方法不同，镇江苏宁广场项目通过对网格结构的受力和变形进行分析，合理制定钢结构制作、安装方案，使工程质量达到理想效果。同时，减少了施工中存在的危险因素，缩短了工期，节省了人、材、机的投入，降低了措施成本，取得了良好的社会经济效益。