大跨度钢结构梁分段吊装施工技术探索

苏广利 胡 慧

(上海建工五建集团有限公司，陕西 西安 710068)

随着现代社会的发展，人们对建筑物的要求已经从“实际使用功能”的角度提升到涵盖功能多样性、设计美学性、绿色环保性等多个方面，各种造型新颖、环境友好和节能的建筑结构类型也在涌现。为了满足这种建筑施工的需求，大跨度空间结构因具有自重轻、轻度高、抗震性能优良、内部空间利用率高、安装施工便捷等特点，成为了当下结构设计的首选。在诸如体育场馆、大规模厂房、会议中心等项目的建设中得到了大量运用。大跨度空间结构技术的实际应用状态和情况已被广泛地作为一个国家的文明和社会发展水平的象征，并已经成为一个国家的建筑科学技术水平最高的重要标准[1]。

钢结构梁应用于大跨度屋盖中，由于跨度大不便于运输和制作，故需将预制钢桁架分段运输至现场吊装连接，从而形成整体结构。在大跨度钢结构施工中，由于钢构件长、截面大、构件重等特点，使得吊装方式、顺序、位移和应力控制都成为施工控制的核心问题[2-7]。这对施工技术提出了更高的要求，面对复杂的空间结构项目，需要根据质量、安全、成本、工期等全生命周期角度出发，制定出有针对性的施工方案。文章在探讨大跨度空间施工技术的基础上，结合实际工程深入分析，对施工过程中的关键技术环节提出解决办法。

1 工程概况

本工程位于河南省郑州市刘寨镇银基国际旅游度假区，项目用地面积为109 840.35 m2，总建筑面积159 996.21 m2，其中地上建筑面积116 994.04 m2；地下建筑面积43 002.17 m2。其中宴会厅位于裙房三层，其顶棚钢梁区域覆盖面积1 634 m2，主梁跨度达30.6 m，单件重量15.9 t。顶棚净高13.5 m，钢梁覆盖区域位于宴会厅屋盖结构的中央位置，周围存在裙房。钢结构工程主要包括承受屋面荷载的竖向结构体系及屋面平面框架体系，其中竖向结构体系由15根H型钢劲性混凝土柱组成，主要规格为：BH600×400×25×30，共15根，最大吊重北侧柱为3.5 t，南侧为3.4 t；平面体系由纵横向H型钢主次梁组成，主要规格分别为：H1 200×400×22×30,H1 700×400×24×34,H400×200×8×12，纵向梁分为三段，依次为：北侧43根，中部37根，南侧43根，最大吊重均为：5.3 t，如图1所示。

2 钢梁吊装方案

2.1 施工总体思路

本工程钢柱最大重量3.5 t，主梁跨度30.2 m，单根重量15.9 t。采用STT553塔吊吊装，塔吊臂长70 m，回转范围内刚好覆盖钢梁吊运安装区域，且大臂末端起重时起重量5.65 t，结合STT553塔吊吊装性能将钢梁分三段加工(吊装方案确定好后进行图纸深化)，以减小单次起吊重量，使主梁起吊重量15.9 t变为分段单次起重5.3 t，这样主要矛盾得到解决。此方案优点在于大型塔吊能充分发挥塔吊起重臂的高度优势和对吊装范围的覆盖优势，塔吊司机对吊装过程可视，易于控制；钢构件在地面起吊，避免构件中途驳运过程；塔吊租赁费用约6 000元/d，机械租赁费较低，吊装视线好，安全可靠，经济便捷。

相较于小吨位汽车吊在裙房顶板进行吊装，机械投入费用少，且不需要大面积预留内模架支撑，减少钢管租赁费。从安全第一，经济与便捷的原则，项目部进行充分的讨论，综合考虑与对比下选择该方案实施。

根据施工起拱3 cm的设计要求，项目部也经过了充分策化，采用了极为经济的实施方案：利用现场使用的QTZ80塔吊标准节作为钢梁高空拼接的操作平台(钢梁对接、施焊作业)，塔吊标准节上设计制作一种简易支座平台，平台中心安装液压千斤顶，调节施工起拱高度以满足起拱设计及施工要求，且周转利用，较大限度节省施工投入。较常规钢管脚手架为临时支撑减少大量的钢管租赁费和搭设人工费，如图2所示。

2.2 施工中存在的问题

在现代钢结构发展中，出现越来越多的复杂钢结构体系，伴随出现了诸多力学、技术等施工问题，随着工程要求的提高，施工难度也在不断增加。其中就包括设置临时支撑柱对结构安全的影响及分析[8]。在大跨度钢梁安装过程中，由于水平构件与水平支撑、竖向构件形成空间结构，其失稳临界荷载较小。因此，在施工荷载和水平荷载的影响下，构件容易产生变形和失稳。在本工程大跨度钢结构梁吊装采用分段吊装工艺，必须设置临时支撑，确保钢结构施工安全。

针对这个问题，本工程拟采用塔吊标准节作竖向支撑体系，采用缆风绳作为水平支撑的保障措施，形成“塔吊标准节支架+槽钢支架+千斤顶(木垫板)+缆风绳”的支撑系统，扩大临时支撑区域，以此降低钢梁架对底板的水平推力和钢梁架的最大竖向挠度，形成空间稳定体系；根据需要在钢架顶部安放千斤顶及木垫板支撑分段吊装的钢梁，调节千斤顶高度完成钢梁的起拱要求，便于顺利分段吊装施工。

3 屋面型钢分段吊装

3.1 支撑架体系

宴会厅钢梁顶棚驾越于三层楼板(楼板标高±0.000 m)，由南、北15根劲性柱作为支撑，顶棚临空高度11.68 m，为完成钢梁的高空拼接工作，项目部采用QTZ80塔吊标准节组装形成钢梁的安装支架，单个标准节尺寸1 645 mm×1 645 mm×2 800 mm，单个支架由四个标准节组装而成，坐落于3层楼板，为了保护和加固三层楼板，保留楼板下层延伸至基础顶1 200×900的模板排架。设置支架顶部标高11.20 m，距离钢梁下弦为0.48 m，在此空隙，根据标准节构造用20号槽钢静焊而成的钢架坐于标准节支架顶部，钢架6个支撑脚设置成“凹”型企口卡于标准节的横梁和斜梁上，在水平方向上形成固定体系避免横向滑移。以此形成“塔吊标准节支架+槽钢支架+千斤顶(木垫板)”的支撑体系，用钢丝绳将标准节与四周混凝土柱进行拉结，以确保支撑架体的稳定，如图3所示。

3.2 型钢梁分段锚固

根据设计要求和规范规定，采用高强螺栓方式连接的构件，在构件出场前进行预拼装。构件连接处油污及浮锈清除干净，接触面采用喷砂处理。并制定了如图4所示高强螺栓安装工艺流程。

在施工过程中还要注意：

1)腹板处高强螺栓安装顺序以轴线编号小为起始，穿入方向根据施工情况，便捷为主。

2)高强螺栓的安装应在结构件位置调整准确后，根据规定，设置穿入不少于30%节点孔数，严禁强行穿入和扩孔后穿入。

3)高强螺栓与结构件组装时，螺母的圆台一侧应与垫圈有倒角一侧相接。

4)修孔时，该孔应使用铰刀进行修整，修整后孔的最大直径满足设计和施工规范要求，做好相关预防措施，防止铁屑落入板迭缝中。

5)根据规范规定，安装高强螺栓确保摩擦面的摩擦系数达到设计要求。

6)螺栓采用两次紧固。第一次初拧采用定矩扳手，紧固到螺栓设计预拉力的70%，第二次终拧达到设计值，定矩扳手需要检定合格方可使用。

7)高强螺栓在紧固时，连接处的螺栓从中间向外对称，依次拧紧。

3.3 型钢梁分段吊装和焊接

1)吊装施工。所有钢梁吊装前应核查编号和设计吊点，使钢梁平衡起吊，吊索角度控制在60°为宜，构件吊点处采用麻布或橡胶皮进行保护，布置情况如图5所示。钢梁水平吊至安装部位，使主梁一端与劲性柱拼接处吻合，用塔吊标准节支架体系作为支撑，用支撑架上千斤顶托起钢梁另一端使钢梁受力而保持静止，由技术工人完成主梁与劲性柱的临时锚固工作。在完成横向跨度内两侧劲性柱与单段主梁的焊接工作后，吊运中间段主梁，用两个标准节支架体系托起主梁梁端，完成中间段主梁与两侧同跨度内主梁的临时拼接工作。

钢梁吊运到安装位置时，用两端溜绳旋转对准安装轴线，随之缓慢落钩。梁的方向和连接板同向，钢梁找正就位后用安装螺栓临时固定，固定稳妥后方可脱钩。按照主、次梁吊装顺序分别吊装。梁头挂吊栏用于工人拼装和焊接的操作平台。钢梁吊装到位后进行校正、检查、初拧，待该层钢梁全部安装到位和校正后换高强螺栓完成初拧、终拧和焊接施工。

2)焊接施工。本工程存在焊缝间隙过大的情况，应采用堆焊工艺，在坡口的单侧或两侧堆焊，以增加构件长度和减小组装的间隙，如图6所示。单板厚大于一定的厚度时，在焊接之前应考虑进行焊前的预热，使母材预热到一定的温度后，再进行焊接。焊接结束后，为避免热量散发过快，进行焊缝焊后的保温。

3.4 支撑体系拆卸方案

在主体结构拼接完成，形成稳定的结构体系，达到设计标准，经联合验收合格后，即准备支撑体系的拆卸。为了避免在拆卸过程中发生加大的应力重分布，顺利过渡到设计状态，确保屋面钢梁协同受力，此时确定合理的拆卸顺序和措施，成为了保证支撑体系拆卸成功的关键。本项目采用整体分组逐步拆卸法，遵循下列要求：

1)拆卸采取“中心对称”的原则，由中间向两边逐段施工。首先拆除支撑系统的缆风绳，此时将结构在拆卸过程中作为一个整体考虑，确保结构受力状况满足要求。

2)其次拆除支撑系统的竖向支撑体系，此时将竖向支撑体系以“组”或“几组”为单位拆分，逐组拆卸临时支撑系统，通过调整单组竖向支撑体系顶部的千斤顶，使千斤顶油缸回位，支撑下降，保证结构在拆卸过程中“荷载稳定、平衡转移”。在拆卸过程中设置控制点，严格控制拆卸时的精度和一致性。

3)最后将单组竖向支撑体系分槽钢和塔吊标准节拆卸，通过塔吊先将千斤顶下方的槽钢支撑体系逐个吊出，随后对竖向支撑体系内采用的塔吊标准节整体吊出，置于施工场地内分段拆卸。塔吊施工时要选择晴天无雨或风力小于6级的天气，以确保施工的安全性。

4 结语

4.1 取得效益

现场使用QTZ80塔吊标准节作为钢梁分段吊装拼接的支撑架，联合上部钢支架的运用以及千斤顶的布置形成一个支架系统。在经济上，由于标准节可以用塔吊直接吊运组装，利用标准节刚度大的优势，上部支架也可重复利用。此项运用因地制宜，产生费用少，减少了传统支架搭设过程中的人工费及材料费，根据现场钢梁拼装点的个数(38个)，材料租赁费及人工工资水平，此项费用节约成本约70 000元。在社会效益上，塔吊标准节支架系统的运用是公司管理水平的体现，为以后的类似工程提供参照，可与其他施工单位共同学习和探讨，以利于更好地创新。

4.2 推广价值

大跨度钢梁吊装施工方法通过将钢梁合理分段，使单次起重量与塔吊起重性能相匹配；借助于塔吊臂长的优势，完成构件的吊运工作；通过借用现场塔吊标准节作为钢构件拼装的支撑架；并根据标准节构造用槽钢设计精悍而成特定钢支架，钢支架上布置千斤顶和木垫板，补充支撑高度，以实现拼装钢构件标高的控制。本吊装方法在冰雪酒店项目宴会厅顶棚钢梁吊装工程中得到了良好的运用，在今后类似工程中可以加以借鉴。