基于某游泳馆工程的大体积钢结构单机吊装关键技术探讨

林 虎，黄佩兵

（中国电建集团江西省水电工程局有限公司，南昌 330096）

0 引言

随着国民经济的快速发展和人民对物质文化需求的日益增长，社会对建筑行业的发展提出了更高的要求，因此大量结构复杂、造型新颖的建筑应运而生。而钢结构因其强度高、自重轻和外形可塑性强等优点，在建筑工程尤其大型群众性活动场馆中应用越来越广泛。分段吊装、高空拼接、整体提升（或顶升）、整体（或部分）滑移等新方法、新技术被应用到大型钢结构施工中[1]。为保证施工质量，减少高空安装工作量，降低施工成本和安全风险，施工单位更倾向于采用地面组装+整体（分区）提升或吊装的方案，因此大体积钢结构吊装的现象越来越常见。

在编制一般钢结构吊装方案时，主要对施工场地布置、索具受力、吊机选型及其工况选择等方面进行阐述并进行必要的计算。而大跨度钢结构在安装、吊装过程中，其受力形式往往会不同于正常使用时的受力形态[2]。且大体积钢结构具有杆件多、形状复杂、投影（迎风）面积大等特点，吊装过程中起重机械的稳定性也容易受风荷载的影响。一般钢结构吊装方案的内容不能满足指导大体积钢结构施工的需求。针对大体积钢结构的特点，技术人员应在重心确定、吊点布置、钢丝绳受力、钢结构自身稳定性和作业时的吊机稳定性等方面进行详细认真地分析计算。

本文以某游泳馆屋面钢结构吊装工程为例，详细介绍了吊装单元的确定、结构稳定性计算、吊点布置和钢丝绳受力计算等关键技术。通过关键技术的应用，保证施工质量和安全。

1 方案选择

1.1 工程概况

该游泳馆屋面采用管桁架结构，由6 榀主桁架（AE、AA、 AB、 AC、 AD、 AF）及若干次桁架组成，总重约530 t，支承在24 根砼柱上。安装高程为23.80 m。屋面投影为椭圆形，长轴长89.971 m，短轴长77.860 m，如图1 所示。主、次桁架横断面均为倒三角形，其弦杆和腹杆均为钢管，杆件之间连接均采用相贯节点。钢管规格为ϕ89×4～ϕ351×24，材质为Q355B。

图1 游泳馆屋面钢结构布置

1.2 工程重点及难点分析

由于游泳馆内部结构复杂，吊车不能进入内部作业，只能采用在游泳馆外侧吊装屋面钢结构的施工方案，因此需要使用大型起重设备。从节约施工成本方面考虑，应尽量减少吊装次数，缩短大型起重设备使用时间。

主、次管桁架杆件之间连接均采用相贯节点，如采用单榀主桁架安装方案，主桁架之间的次桁架安装前，需要预留大量的后装段，增加高空拼装和焊接工作量，从而严重影响施工进度、质量和安全。如果将椭圆形屋面划分为若干区块吊装，有些区块外形就变得非常复杂且不规则。如何确定重心、布置吊点和计算吊装钢丝绳受力将是一个难题。同时大体积钢结构具有形状复杂、迎风面积大及吊装时对风荷载敏感等特点，确保吊装过程中的安全将十分重要。

吊点设置常取决于构件重量和形状，为了计算方便，吊点不宜太多，否则吊点（钢丝绳）受力计算将变得非常困难。而大体积钢结构因吊装过程中自身结构稳定性的需要，吊点位置和数量不完全由人控制，更多地取决于结构自身。因此吊点的设置及其受力计算变得十分重要。

1.3 吊装单元及安装顺序确定

根据施工场地现状和工期要求，综合考虑施工质量、安全和成本因素，经过多次讨论和对比分析，确定了吊装单元和主吊设备。

将屋面钢结构划分为AE～AA（含次桁架）、AB、AC、AD～AF（含次桁架）4个主要吊装单元。在游泳馆西北侧、东北侧地面上将AE～AA、AD～AF区块桁架组装焊接成一体，主桁架AB、AC 及其他次桁架在游泳馆南侧组装焊接。

履带吊分别站位于游泳馆西南侧、东南侧将AE～AA、AD～AF 区块桁架吊装就位，履带吊站位于游泳馆南侧将主桁架AB、AC 吊装就位，屋面中心区域的次桁架采用履带吊吊装，周边次桁架采用汽车吊吊装。

安装顺序如下：AE～AA 桁架区块安装→AA 与AB之间次桁架安装→AB 桁架安装→AB 与AC 之间次桁架安装→AC 桁架安装→AC 与AD 之间次桁架安装→AD～AF区块桁架安装。

1.4 大体积钢结构吊点布置

吊点布置前，应精确求出该大体积钢结构的重心位置。由于AE～AA、AD～AF 区块桁架重86.6 t，杆件多达664根，平面投影封闭面积约为1 018 m2，桁架矢高约3.3 m，体积约为3 360 m³，且空间结构复杂。因此先采用Tekla structures 软件建立实体模型，然后利用块单元三维实体模型，测量出其重心[3]。AE～AA区块钢结构重心位置如图2 所示。吊点宜对称布置于钢结构自身的对称轴线，且须满足结构自身稳定性需要，同时应方便吊点受力计算。根据以上吊点设置原则，在钢结构上初步选定8个吊点，如图2所示。

图2 AE～AA区块钢结构吊点布置

2 结构计算

在3D3S 软件中建立AE～AA 区块钢结构计算模型，利用已求出的重心点作出竖直线，在该竖直线上距钢结构上表面15 000 mm位置设置铰支座，铰支座与8个吊点之间的构件为索具（钢丝绳），索具的与水平面夹角不应小于45°，铰支座位置其实就是起重机械的吊钩位置。

吊装过程的结构计算采用一般的线性分析。由于吊装阶段钢结构自身重量和吊装所需的施工平台等重量均不会发生变化，因此可采用1.0×恒荷载+1.0×活荷载的工况组合。

通过3D3S软件分析计算可知，结构能够满足承载力要求，所有杆件中应力比最大值为0.24。钢结构吊装时杆件总体应力比分布如图3所示。

图3 应力比分布

同时由图4～6 可知，杆件X向最大位移为12.2 mm，Y向最大位移为3.1 mm，Z向最大位移为30.4 mm。位移较大的杆件均处于吊点以外区域（悬挑区域），其位移值均小于L/500，符合相关规范要求。

图4 Ux位移（mm）

图5 Uy位移（mm）

图6 Uz位移（mm）

3 钢丝绳受力计算

钢结构设置8 个吊点，对称布置于钢结构自身的对称轴线，吊钩距构件上表面距离为15 000 mm，钢丝绳吊装模型如图7所示。为方便钢丝绳受力计算，吊点1与吊点2 采用同一根钢丝绳的两端捆绑，钢丝绳中部挂设在吊钩上。同理，采用同一根钢丝绳的两端捆绑吊点3与吊点4、吊点5与吊点6、吊点7与吊点8。由于同一钢丝绳拴住2 个吊点（如吊点1 与吊点2），钢丝绳中部挂设在吊钩上，因此可以将吊钩视为定滑轮，只要钢丝绳与吊钩之间润滑良好，吊钩两侧的钢丝绳受力近似相等。由前述可知，虽然钢结构设置了8 个吊点，但只需求出4 个未知量。即便如此，仍需将钢丝绳受力模型进行简化，否则无法计算出钢丝绳受力。由于吊点1～4 位于同一直线上，因此可视为将其组合后位于轴线A-A与C-C相交点的虚拟吊点14，同理可将吊点5～8 视为其组合后位于轴线A-A与B-B相交点的虚拟吊点58。

图7 钢丝绳吊装模型

由于虚拟吊点14、58 和构件重心位于同一平面，其相互之间尺寸也可知，因此依据力的合成与分解原理分别求出虚拟吊点14、58的受力F14和F58（图8）。

图8 钢丝绳受力简化模型

钢结构重86.6 t，施工平台等重量按1.5 t计，合计重量为88.1 t，折算成重力值为863.4 kN。采用上述方法，求出F14=407.7 kN，F58=498.1 kN。

如图9所示，吊点1～4的钢丝绳合力为F14，由于吊点1、吊点2共用同一根钢丝绳，受力大小相等，同理吊点3、吊点4 的钢丝绳受力大小也相等，因此根据图9 所示尺寸可计算出F1=F2=F3=F4=115.71 kN。同理可求出F5=F6=F7=F8=142.0 kN。

图9 C-C轴吊点受力分解模型

图10 大体积钢结构吊装

4 吊装节点加固

钢结构吊装时，由于钢丝绳拴在上弦钢管上，其对该钢管下半圈产生挤压作用，因此容易造成钢丝绳两侧的钢管部位发生局部屈服现象。为分散钢丝绳两侧钢管的内应力，在该钢管下半圈位置外衬一块弧形加强板（如厚度12 mm，宽度120 mm），点焊在钢管上，加强板内弧度与钢管相吻合，宽度对称于钢丝绳布置[4]。

5 实施效果

在该大体积钢结构吊装方案设计阶段，通过合理布置吊点，经理论分析计算，确保吊装过程中的钢结构内力和变形符合规范要求。同时采用虚拟吊点方法，较精确地计算出钢丝绳的受力，并对钢丝绳捆绑部位进行局部加固。吊装实施阶段，采用一台400 t履带吊完成该钢结构安装（图10），考虑到大体积钢结构迎风面积较大，吊装对风荷载很敏感，履带吊负荷控制在其额定荷载的75%以内。吊装过程中对杆件应力和变形进行了监测，检测结果符合相关规范要求，吊装过程的安全得到了有效保证。

6 结束语

在编制大体积钢结构吊装方案时，应采用钢结构分析软件对吊装过程中的钢结构自身应力和变形等进行了计算。通过合理布置吊点，采用虚拟吊点方法，较精确地计算出钢丝绳的受力，并根据计算结果对吊装节点进行加固。如具备条件，可对吊装细部节点进行有限元分析，确保吊装节点的安全。考虑到大体积钢结构吊装对风荷载很敏感，选择吊机型号和作业参数时，应预留一定的安全裕度。从而在技术方面规避了大体积钢结构吊装过程中的安全风险，确保吊装过程的顺利进行。

对于大体积钢结构而言，不同的吊装方案对钢结构自身内力和变形影响比较大，给构件的加工和安装带来了一定的难度。为了保证施工的顺利进行以及吊装时结构的受力状态满足设计要求，选择一个合理、经济的施工方案非常关键[5]，本文的吊装关键技术对于大跨度钢结构的单机吊装具有一定的借鉴意义。