大跨度H型及箱型钢梁吊装施工技术

王平，刘上鑫，吴碧莲，郭永旺，涂魏矫

（北京建工四建工程建设有限公司，北京 110103）

0 引言

随着经济和社会发展，体育场馆建设越来越多，由于要满足各种体育活动的需求，设计常采用大跨度钢梁来提升空间，这对施工技术提出了更高的要求。针对大跨度钢梁安装提出“构件高空散装+支撑钢架+支撑钢架移动轨道”的吊装方法，预先制定出吊装施工的具体专项方案，并对其可行性与安全性进行论证，是施工顺利进行的关键步骤。国内外许多专家与学者对大跨度钢梁的安装做了深入研究，取得了大量研究成果，本文基于实际项目对大跨度H型以及箱型钢梁的吊装施工技术进行分析。

1 工程概况

项目工程位于北京市丰台区花乡镇樊家村，南侧临近马草河，东侧临近郭公庄路，北侧为康辛路，其中8#楼单体为框架结构的体育馆，建筑高度为36m。项目二、六层为大跨H型钢梁和箱型钢梁，H钢梁规格为H1900x650x36x36，箱型钢梁规格为□1600x400x30x30，钢梁跨度为32.2m；二层与四层大跨钢梁共26根，其中H钢梁分为4段，箱型钢梁分为5段，二层大厅高13.8m，四层大厅高10.9m。二、四层大跨钢梁平面布置图如图1所示。

图1 二、四层大跨钢梁平面布置图

2 施工重难点

（1）二层、四层钢梁跨度为32.2m，受运输与吊重限制需合理分段，现场对接精度要求高。

（2）钢梁自重较大，钢梁在自重和其他荷载下会出现下挠的现象。

（3）在塔吊使用受限制的情况下需注意安全移动支撑架的问题。

（4）钢结构主要的连接方式为焊接，大量运用会引起构件变形。

3 施工方案

大跨钢梁的施工方法有很多，主流的有：高空原位安装技术[1]、单根钢梁提升技术、提升结合滑移安装技术[2]等。根据工程实际情况，体育馆的四周未回填，不宜使用汽车吊，而塔吊最大起重参数为10t，综合这些情况，施工现场采用高空散装的施工技术。吊装施工流程如下：放置临时安装措施架→绑扎起吊→穿入安装螺栓→测量调整钢梁标高（中间段起拱）→用高强螺栓替换安装螺栓→高强螺栓终拧→钢梁焊接→钢梁超声波探伤（探伤合格）→临时安装措施架移除。

3.1 临时安装措施架制作

施工过程充分结合BIM施工过程模拟情况，在大梁断开处设置临时支撑架；临时支撑架由工字钢通过大六角螺栓和焊接的方式组装而成，支撑底部为铰接链接，节间链接为刚接。构件材质均为Q235B，立柱和横梁均为H200x100x6x10，斜向撑杆为L75x5。其规格为2000mm x2000mm的井字架，高度为8.78m和9.08m。支撑架井字架构造图[3]如图2所示。

图2 支撑架井字架构造图

3.2 临时安装措施架放置与移动

大跨度钢梁安装中，临时支撑架作为钢梁重力的承载架，需要把钢梁的重量均匀传递到混凝土楼板上，同时支撑架在楼板上需按指定路线移动，在井字架下方添加移动导轨，使用卷扬机固定在前方柱子上，拉动支撑架在导轨上移动，并用塔吊扶着支撑架，防止支撑架倾斜。

在与支撑架移动的平行方向焊接槽钢，槽钢开口朝上，以避免移动时支撑架与混凝土楼面产生较大摩擦，同时也有利于在承受荷载时分散荷载，保证结构的安全性。支撑架一共设置10个，采用流水式施工方法。当一根钢梁安装完成24小时后进行探伤检测，检测合格后卸载，再移动支撑架进行下一组钢梁的安装，循环往复，每层大跨钢梁（13根钢梁）的安装用时15天即可安装完成。临时支撑架的安装布置图如图3所示。

图3 临时支撑架平面图

3.3 钢梁吊装

受场地影响，200t以下汽车以及大型吊车均不能满足现场起吊钢梁要求，故采用6#号塔式起重机（C7050），8#楼体育场范围全覆盖。塔式起重机塔尖最大起吊重量为15t,构件最大重量为10t,满足使用要求。

钢梁吊装的过程为从北向南依次进行吊装。为确保钢梁拼装成一条直线，采用水准仪测量腹板南北方向是否在同一条直线上；钢梁高度位置采用全站仪进行测量调整，钢梁就位后不摘钩，进行钢梁的标高调整；调整完毕后，用角铁将钢梁下翼缘与支撑架固定，防止在拼装下一段钢梁时发生移位。

3.4 钢梁预起拱

由于钢梁采用现场安装焊接，跨度较大且每根自重达32t，且钢梁上还有120mm的钢劲混凝土，考虑到钢梁会因为荷载的原因出现下挠情况，为避免钢梁在受到自重与混凝土的重量影响下而出现下挠的现象，钢梁在安装时应采取预起拱的措施，预起拱高为2cm；起拱位置为钢梁长度方向的中间位置，钢梁上翼缘整体呈弧线形，最高位置与最低位置高差为2cm。

3.5 临时支撑受力极限分析和极限承重模拟

计算荷载模型假定该工程支撑架上部承受总计8t的钢梁荷载，分摊在顶部四根横梁上，每根承受20000N荷载，另外考虑了临时支撑各构件自重荷载。分析分为两种情况：（1）不考虑风荷载；（2）考虑风荷载。北京地区基本风压为0.35kN/m2，分布于立柱上，则正面线荷载为0.8×0.35×2.2/2=0.3kN/m；背面线荷载为0.5×0.35×2.2/2=0.2kN/m，分左风和正面风分别施加，并与上端面荷载组合1.3D+1.5W。

3.5.1 不考虑风荷载

（1）SAP2000计算结果

变形结果：顶部变形最大，其中顶部横梁变形最大为1.36mm，小于横梁弹性变形限值2200/400=5.5mm；其他构件变形均小于1mm，满足要求，如图4所示。

应力计算结果：顶部应力最大，横梁最大应力为53.38MPa，立柱最大应力为29.15MPa，斜撑最大应力为20.2MPa，均小于Q235B的设计应力205MPa，满足要求，如图5所示。

图5 支撑架失效模型

（2）节点中间支座纯剪切计算

3.5.2 考虑风荷载

（1）SAP2000计算结果

变形结果：顶部变形最大，无论X向还是Y向均沿垂直于支撑所在面的方向发生侧移，最大可达10mm。应力计算结果：顶部应力最大，横梁最大应力65.77MPa，立柱最大应力32.76MPa，斜撑最大应力25.57MPa，均小于Q235B的设计应力205MPa，满足要求，如图6、图7所示。

图6 支撑架失效模型图

图7 支撑架失效时水平偏移

（2）手算节点

根据构件内里分析，1.3D+1.5XW，支座部位钢柱均受压，最大剪力5190N，最大压力65925N；1.3D+1.5YW，支座部位钢柱均受压，最大剪力4928N，最大压力67778N。则根据计算假定，一个S10.9级高强螺栓规格为M20，摩擦系数0.4，得155000×0.9×1×0.4=55800N，因此每个柱脚至少需要1个高强螺栓。

支撑架在施工过程中最大受力状态下的变形模拟如图8。

图8 受力云图

3.6 钢结构焊接与卸载

针对泵工程焊接需求，采用“手工电弧焊+二氧化碳气体保护焊”的组合焊接方法。由于二氧化碳保护焊焊丝较细，电流较大，热量集中，热影响区较窄，焊接变形较小，故二氧化碳气体保护焊主要运用于焊缝的正式焊接[4]。焊接时严格按照工艺评定的焊接参数进行焊接施工，钢梁截面较大的位置采用2人对称焊接的方式，同时施工前必须预热以减少应力产生。焊接顺序为由北向南依次进行焊接，有利于焊接应力的释放，同时钢梁的两端与钢柱连接采取铰接的方式进行连接，此设计有利于减少焊接应力对结构的影响。

钢梁卸载前，焊缝必须进行超声波探伤，合格之后再卸载。卸载之后进行标高复测，观测钢梁复位情况，卸载之后还有一定的起拱量，这是因为楼板混凝土还未打，所以还存在起拱量；当混凝土楼板浇筑完之后，再次进行钢梁的标高测定。

4 BIM技术运用

钢结构施工前期采用Tekla进行构件深化，通过三维软件进行可视化交底。施工过程中运用BIM技术进行施工模拟，更好地对“构件高空散装+支撑钢架+支撑钢架移动轨道”的吊装方法进行验证，及时更改方案中不合理的施工方法以及施工工序，从而有效控制施工成本，同时在结算过程中更能精确导出各种钢材的使用量，从而降低预算人员因为计算原因造成的额外损失。

5 经济效益分析

与采用大型塔吊、吊车相比，采用“构件高空散装+支撑钢架+支撑钢架移动轨道”进行散拼可以节约大量资金。大跨度钢梁一共26根，在整个单体建筑中所占吊次较少，故采用设立大型塔吊的方式不合理；由于场地限制，可设立吊车位置距离安装大跨度钢梁的位置较远，要满足吊装钢梁的需求，只能使用500t吊车，而采用支撑架进行施工，可节约高昂的施工机具费用。本技术与采用大型塔吊、吊车的费用分析见表1。

表1 经济分析表

6 结论

在实际施工过程中采用高空散拼进行大跨度钢梁安装的方法比较传统，在施工工期较短、施工场地受限的施工场景中，运用支撑架辅助进行散拼的施工方法在施工项目中依然较为常见。在大跨度H型以及箱型钢梁广泛运用于体育场、商场等公共建筑中的情况下，通过对“构件高空散装+支撑钢架+支撑钢架移动轨道”的施工技术进行归纳总结，可为以后大跨度H型以及箱型钢梁的吊装施工提供相应的技术参考。