含吊挂结构的屋面大跨度及长悬挑桁架施工技术

郭立辉，白 彪，王 博，舒宝才，楚 勇，袁盛世，梁智松，丁钰轩，樊 博

(中建科工集团有限公司，四川 成都 610040)

1 工程概况

东安湖图书馆(媒体中心)位于四川省成都市龙泉驿区东安湖畔，前期主要功能为2021年成都世界大学生运动会媒体中心，赛后将改造成为包含图书馆、档案馆及融媒体中心等综合功能的公共建筑。总建筑面积4.5万m2，地上5层，地下1层。建筑平面呈不规则四边形，边长为69.6～92.6m，中庭开洞，大屋面高度为23.950m。基于建筑在3层至屋面间存在大跨度空间需求及东北两侧的长悬挑造型需求，通过设计34.5～45.6m的大跨度及12.9～17.5m的长悬挑桁架来实现，大跨度及长悬挑桁架设有吊挂结构，项目效果如图1所示。

图1 东安湖图书馆(媒体中心)项目效果

根据建筑造型和使用功能的特点，地面以上采用钢框架支撑结构，大跨度及长悬挑桁架支承在钢框架支撑筒上。本工程屋面层北侧及东侧共分布33榀平面钢桁架，桁架高度为3.7m和3.8m，最大跨度45.6m。桁架各杆件截面均为箱形，其中桁架上、下弦杆截面主要为B700×500×35×35，B800×700×50×50等，腹杆截面为B500×400×25×25，B400×400×25×25等，桁架杆件材质为Q420B，桁架如图2所示。

图2 大跨度长悬挑桁架示意

2 施工关键技术

2.1 钢桁架安装概况

屋面大跨度及长悬挑桁架分别在屋面结构的北侧和东侧，采用“整榀分段，胎架支撑，履带式起重机安装”的方式进行安装。钢桁架分段后节段单元均在工厂进行拼装，拼装完成后，由车辆直接运输至现场，采用350t履带式起重机进行安装。通过在下层结构上设置型钢转换梁或胎架底座，布设标准格构式支撑胎架。其中北侧大跨桁架(无吊挂结构)采用胎架直接支撑桁架的方法进行安装，东侧大跨(有吊挂结构)及所有外侧长悬挑桁架(有吊挂结构)采用胎架支撑吊挂层钢梁、钢梁支撑吊柱、吊柱支撑屋面层桁架的方法进行安装，即先安装吊挂结构、后安装屋面桁架，利用吊挂结构自身作为桁架支撑的正向施工方式。分段桁架安装连接过程中及时安装连系钢梁，最后形成整个屋面桁架体系，如图3所示。

图3 现场桁架安装

2.2 总体施工顺序

地下室顶板施工完成后开始插入吊挂区域第4层吊柱下部支撑胎架安装。胎架安装与第2～3层钢结构安装基本同步，完成后开始安装第4层钢梁、吊柱及无柱区域屋面层桁架支撑胎架，采用支撑胎架及吊柱支撑屋面层桁架安装。桁架安装完成后，按照从上至下的顺序依次卸载并拆除支撑胎架。

2.3 钢桁架施工顺序

根据屋面桁架结构形式，将桁架分为支撑筒柱间桁架、支撑筒间桁架、支撑筒悬挑桁架以及边桁架。充分考虑场地条件、施工分区及设备站位等综合因素，对整榀桁架进行分段，桁架节段现场采用350t履带式起重机进行吊装。整体安装顺序：支撑筒柱间桁架→支撑筒间桁架→支撑筒悬挑桁架→边桁架→胎架卸载拆除→周边钢梁。每相邻2榀桁架吊装完成后，应及时安装桁架间连系钢梁，以形成稳定体系。为方便支撑胎架卸载后拆除，胎架周边钢梁进行预留后装，待胎架卸载拆除后再安装。

支撑筒间无吊柱区域的大跨桁架(HJ1，HJ2)安装采用胎架支撑(见图4)，由两侧向中间进行桁架节段吊装；支撑筒间有吊柱的大跨桁架、长悬挑桁架及边桁架，即下挂吊柱区域的单榀桁架(除HJ1,HJ2外的桁架)采用吊柱下方布置支撑胎架，然后安装吊挂层钢梁，再安装吊柱，最后安装桁架，即采用以胎架支撑吊柱、吊柱支撑桁架的顺序安装方式进行桁架安装。桁架节段就位固定后，在其上拉设缆风绳，复测完毕后，及时进行桁架节段焊接施工。

图4 无吊挂结构及有吊挂结构桁架

2.4 钢桁架分段

屋面桁架均为箱形钢桁架，根据桁架分布位置，通过综合考虑现场施工条件、吊柱设置、胎架设置、吊装设备在不同覆盖区域的起重能力、构件结构形式、运输条件、施工成本等因素后，将桁架分为49段。同时，为便于辨别，将构成每组的桁架分段以HJX-Y的形式编号，其中X为该桁架序号，Y为每榀桁架分段的编号(见图5)。

图5 桁架分段示意

采用先安装吊挂结构、后安装大跨及长悬挑桁架的施工方法，为方便吊柱与钢梁及桁架对接就位及校正，吊挂层钢梁及桁架下弦杆需预留吊柱对接牛腿(见图6)。

图6 吊挂层钢梁及桁架下弦杆预留吊柱对接牛腿

2.5 钢桁架安装流程及工艺

2.5.1支撑筒间无吊挂结构的钢桁架安装

支撑筒间无吊挂结构的单榀桁架(HJ1，HJ2)安装采用在第4层布设胎架支撑(胎架底座位于第4层钢框梁及钢柱顶)，由两侧向中间进行桁架节段吊装。以典型HJ2为例说明安装流程工艺：在4层安装支撑胎架(胎架底座位于4层钢框梁及钢柱顶)→安装支撑筒钢柱间的桁架(HJ2-5)→安装与支撑筒钢柱相连的桁架节段单元HJ2-1，HJ2-4→安装桁架中间节段单元HJ2-2→安装桁架中间节段单元HJ2-3→胎架卸载拆除，HJ2安装完成。

2.5.2支撑筒间有吊挂结构的钢桁架安装

与钢框架支撑筒相连接、且有吊挂结构的单榀桁架(HJ4，HJ5)采用在吊柱下方布置支撑胎架(胎架底座位于2层)，先安装4层钢梁(钢梁预留吊柱牛腿)，然后安装吊柱，再安装桁架，即采用以胎架支撑吊柱、吊柱支撑桁架的安装方法进行桁架安装。以典型桁架HJ5a,HJ5b为例说明安装流程工艺：安装吊柱下方的支撑胎架→安装第4层钢梁→安装吊柱→安装支撑筒钢柱之间的HJ5a(HJ5-2)→分别安装与支撑筒柱相连接的桁架节段单元HJ5-3，HJ5-5→安装支撑筒间的中间桁架节段单元HJ5-4→安装与支撑筒柱相连接的悬挑桁架HJ5b(HJ5-1)→胎架卸载拆除，桁架安装完成。

2.5.3有吊挂结构的长悬挑及边桁架安装

连接在悬挑桁架间的边桁架(HJ3，HJ6，HJ12)采用吊柱下方布置支撑胎架(胎架底座位于地下室顶板位置，在胎架底座对应的混凝梁内预埋埋件，然后通过分配梁及型钢支腿将力传至结构梁)，先安装第4层钢梁(钢梁预留吊柱牛腿)，然后安装吊柱，再安装边桁架，即同样采用以胎架支撑吊柱、吊柱支撑桁架的安装方法进行边桁架安装。以典型桁架HJ6为例说明边桁架安装流程：安装支撑胎架→安装第4层钢梁→安装吊柱→安装与支撑筒相连的悬挑桁架→先安装悬挑桁架间的边桁架，然后安装斜腹杆→先安装边桁架节段单元(HJ6-3/HJ6-5)，然后安装斜腹杆→先安装边桁架中间节段单元(HJ6-4)，然后安装斜腹杆→先安装角部与悬挑桁架连接的边桁架节段单元(HJ6-1)，然后安装斜腹杆→胎架卸载，边桁架安装完成。

2.6 桁架吊点及吊耳设计

每个桁架节段单元根据重心在上弦杆左右对称设置吊耳，吊点距离两端端口L/4，2个吊点距离L/2(L为桁架节段单元长度)，且尽可能设置在桁架竖腹杆对应位置，桁架吊点及吊耳设计如图7所示。

图7 桁架吊点及吊耳设计

2.7 桁架位移监测

在桁架安装及卸载施工过程中对桁架进行位移监测，及时获取各施工阶段结构的变形情况，尤其是桁架安装时、胎架支撑拆除前后的位移监测。通过在桁架监测部位上贴设反光片，并采用高精度全站仪读取不同施工阶段的坐标，用坐标增量判定桁架变形情况。监测点位布置于桁架跨中下弦杆、大跨桁架端部连接处及长悬挑桁架远端的上弦杆、下弦杆及腹杆处，共计26个位移观测点。

3 结语

本文充分考虑了含吊挂结构的屋面桁架的结构形式、受力特点、吊挂结构与桁架的连接节点及竖向关系以及桁架跨度及悬挑长度大、安装工序复杂、施工难度大、工期紧张等施工重难点，提出了合理、可行的应对措施。

1)含吊挂结构的屋面大跨度及长悬挑桁架依据吊柱分布位置、运输要求及设备起重能力进行合理分段，并在桁架节段单元深化过程中考虑桁架下弦杆预留吊柱对接牛腿，方便桁架安装时与吊柱对接及校正。

2)采用先装吊挂结构，后装屋面桁架的正向施工顺序，需对吊挂结构的钢梁及吊柱分段进行优化，为保证精确定位及胎架支撑固定，可采用吊挂层钢梁预留吊柱牛腿，以便吊柱安装就位及校正。

3)为减少现场桁架拼装，控制安装精度，根据安装顺序制定加工计划，桁架节段采用工厂拼装加工，且在出厂前进行节段单元预拼装，边运输边安装，减少现场构件堆放，释放设备站位场地。

4)优化桁架节段吊装的吊点布置，并根据选用的吊索具设计专门的吊耳形式，确保安装安全，控制安装变形。

5)优化支撑筒桁架、大跨度及长悬挑桁架的安装顺序，减少大型吊装设备来回退吊次数，节约工期。

6)提出了含吊挂结构的屋面大跨度及长悬挑桁架安装及卸载位移监测点布置形式，以判定桁架各施工阶段的变形情况。

7)总结了含吊挂结构的屋面大跨度及长悬挑桁架先装吊挂结构、后装屋面桁架的正向施工工艺，即利用吊挂结构自身作为桁架安装的支撑措施，不仅减少了支撑胎架等施工措施的投入，也提高了安装工效，为后续类似工程施工提供借鉴。