大跨度张弦梁钢结构屋盖分块吊装施工关键技术研究

张 敏

（郑州商学院，河南 郑州 451200）

张弦梁钢结构屋盖广泛应用于设计和建设大跨度建筑物。因此，研究大跨度张弦梁钢结构屋盖施工对推动现代化建筑施工行业的发展具有重要意义。传统的大跨度结构施工常受制于场地限制、运输困难和施工作业高空风险等问题[1-2]。因此，研究者开始探索张弦梁钢结构屋盖的分块吊装施工技术，以此提高工期效率、降低安全风险并保证施工质量。传统的大跨度结构通常需要现场焊接或拼装，而这种施工方式有局限性，例如施工周期长、现场工序复杂和人力资源需求大等[3]。另外，大跨度结构在运输过程中也有尺寸和质量限制，不能整体运输使现场细分组装成为必要的施工方式。因此，分块吊装施工技术逐渐成为解决上述问题的有效手段。该技术将大跨度结构分成若干个较小的构件或块，用吊装设备将这些构件或块分别运输至指定位置，并在现场进行组装[4]。应用该技术可以降低施工风险，加快工期进度。为提升分块吊装施工的效果，该研究对大跨度张弦梁钢结构屋盖分块吊装施工关键技术进行研究。

1 大跨度张弦梁钢结构屋盖分块吊装施工关键技术设计

1.1 张弦梁钢结构吊装前准备工作

1.1.1 确认钢结构材料

在钢结构吊装前，需要先确认材料。具体工作要点如下：首先，对基础轴线和标高进行复核，确保柱子的柱间距、柱垂直度以及柱顶面预埋钢板的支承面偏差符合要求。其次，在施工现场，按照总体平面布置图的指示将构件临时堆放在指定位置，并在地面上铺设木方，减少堆放钢构件可能产生的变形，并注意排水方向，避免阻碍地面排水。再次，为清点数量，对钢构件进行进场验收，并在地面上对可能存在缺陷的构件进行处理，确保质量有问题的构件不会进入安装流程。为保证加工厂和现场间的一致性，必须对钢结构构件进行标记，并对每个构件进行准确编号。可采用条形码扫描系统扫描构件上的铭牌条形码，并将数据输入计算机系统进行处理。只有按照规则和顺序堆放钢结构构件，才能确保安装进程有条不紊。按照以上步骤，确认钢结构的材料后，可现场拼装钢结构。

1.1.2 钢结构材料分块拼装

由于大跨度张弦梁钢结构屋盖中钢构件数量多，因此材料运送到施工现场后，应先对其进行拼装。具体的操作如下。

首先，根据图纸或设计要求，清点每个钢构件，确认数量齐全，对其进行分类和组织，以便有效拼装。对较大且重的构件，例如梁、柱等，可以利用起重机械或吊车将其移动到指定位置后进行拼装。采用合适的连接方式（如螺栓连接、焊接等），按照预定的位置准确地连接钢构件。可以采用手动搬运的方式将较小的构件放在指定的位置上。同样，要确保构件的准确位置和对齐，并使用适当的连接方式进行固定。在拼装过程中，须严格按照规范和图纸要求进行操作，检查每个连接点是否紧固，并及时进行调整和修正，要做好记录，确保后续工作顺利进行。完成拼装后验收，检查每个连接处是否完整和牢固，构件的垂直度、水平度等是否满足要求。保证拼装的质量和保障安全性后，可以开始钢结构屋盖吊装工作。分块拼装钢结构材料为后续工作提供了基础，保证钢结构屋盖吊装的稳定性。

1.2 布置张弦梁钢结构起步架吊装拉索

在屋盖吊装的过程中，随着钢结构跨度增加，自重也随之增加。大跨度张弦梁钢结构屋盖主体结构以拱形为主，吊装与临时支撑产生了较大的张力与形变，影响后期的正常使用[5]。在张弦梁钢结构吊装过程中，该文利用布置拉索来平衡钢桁架的张力，防止桁架形变，使局部杆件、钢柱受到的水平推力与位移变小。根据钢结构的组合长度与受力情况布置拉索，并向其施加预拉力，人为调整预拉力，使支座的水平推力减少，甚至为零。此时，吊装部分呈自主平衡的状态，避免了屋盖吊装形变的问题。该文以合理布置拉索为原则，拉索结构如图1所示。

图1 拉索结构简图

如图1所示，在网架结构的两端布置拉索，一端在支座处，另一端在临时支撑处[6]。当布置拉索时，静力平衡方程如公式（1）所示。

式中：δ1为静力平衡系数；P为拉索的索力；∆1P为截断拉索的索力差。

当拉索满足公式（1）时，布置拉索的位置能保证预拉力与水平推力为均衡状态。

1.3 分段吊装大跨度张弦梁钢桁架

分段吊装对场地的要求较低，搭设一个临时支撑胎架，预设吊装机械运行路线，即可满足吊装需求[7]。该文根据吊装单元选择起重机械，并在高空吊装钢桁架。将吊点设置在支座上，结构节点将钢桁架的重力传输到支座上，保证各段桁架单元吊装稳定性。在屋盖吊装的过程中，主桁架有12榀，桁架高度均为2.5m。在1～28轴桁架中，最大长度为53m，最高顶标高为17m。根据实际吊装情况，在8～21轴设计最大长度为117m，最高顶标高为24m。钢桁架分段情况见表1。

表1 钢桁架分段表

由表1可知，8轴～21轴为钢桁架的主桁架位置，桁架从左到右分别为A轴、D轴和H轴。在分块吊装的过程中，每榀桁架按照AD、DH的顺序进行吊装。同时吊装H轴外侧的主桁架H′与A轴外侧的主桁架A′，使A′轴、A轴、D轴、H轴和H′轴形成一个整体[8]。为保证钢桁架的吊装稳定性，该文将初始吊点设置在支座处，其他吊点以被吊装的钢桁架段重心为中心，均匀地分布在重心的两侧，使被吊单元中部与两端的力矩保持平衡。吊点的数量为偶数，能确保分段单元被平稳起吊。另外，吊点位置受力均匀，吊点与钢丝绳间的夹角在45°～60°，可以保障钢桁架的吊装安全性。该文将钢桁架的吊装区域分为3个部分：1～7轴、8～21轴和22轴～28轴。单独吊装8～21轴，同时吊装1轴～7轴和22轴～28轴，满足钢桁架的吊装需求。

1.4 抬吊钢结构屋盖钢柱

采用25t汽车将屋盖钢柱吊上高架层，并在标高楼面安装，保证工具柱与结构柱的焊接质量。工具柱与结构柱在工厂预制焊接后，统一运输到施工现场，待屋盖提升到位后，对其进行割除、打磨和搭接。考虑高架层楼板施工荷载与其他现场施工的因素，该文根据汽车吊装能力、起吊高度等，将钢柱吊装分为超高、超重和正常这3种吊抬方式，确保屋盖钢柱与钢桁架分块吊装原则保持一致。超高、超重的分段钢柱采用2台25t汽车进行吊装，根据屋盖结构与分块吊装原则，选用ø1200mm×50mm与ø1200mm×42mm两种屋盖钢柱截面。屋盖钢柱布置情况如图2所示。

图2 屋盖钢柱布置图

如图2所示，黑色框内的钢柱截面为ø1200mm×50mm，其余钢柱截面均为ø1200mm×42mm。在ø1200mm×50mm钢柱抬吊的过程中，选用主臂长为32.25m、吊装半径为8m，分段吊重为11.8t+2.5t、吊装能力为21.2t、起吊高度为31.2m的机械。最先吊装ø1200mm×50mm的钢柱，用50t汽车吊就近吊装浅灰色的钢柱，并完成焊接拼装。在4根钢柱安装完成后，采用350t履带吊分段吊装分段柱节ø1200mm×50mm的钢柱。当吊装第一节钢柱时，吊装半径控制在12m内，50t汽车吊30.92m，主臂半径为12m，在此工况下，能够吊起10.1t的钢柱。该工程第一节钢柱最大质量为7.5t，可以满足吊装的质量需求。该工程用到履带吊的钢柱最大分段质量为51.6t，最高为48m，同样可以满足钢柱分段吊装需求。

2 实例分析

2.1 工程概况

为验证该文设计的施工技术是否满足屋盖吊装施工的质量需求，以某铁路站站房为例，对上述技术进行实例分析。某铁路站站房是交通枢纽的核心，集市域轨道、铁路和公路等多种交通方式为一体的综合性客运站。车场规模为4台10线，有4座岛式中间站房，尺寸为450m×7.5m×1.25m，站房总建筑面积约为2250m2。某铁路站站房的钢结构屋盖结构体系为钢管混凝土柱与空间管桁架结合的形式，屋盖钢柱间的间距约为24.7m、74.1m。在中央的站房屋盖主桁架为三角桁架，最大跨度约为75m，最高约为40m，钢柱直径为ø1200mm×42mm、ø1200mm×50mm。中央站房正立面情况如图3所示。

图3 中央站房正立面图

中央站房屋盖钢柱为圆管混凝土柱，截面尺寸为ø1200mm×50mm，材质为Q355GJB，钢柱内管C40混凝土。屋盖杆件为无缝圆管，规格包括ø159mm×6mm、ø245mm×10mm、ø325mm×16mm、ø450mm×18mm和ø500mm×25mm等。旅服夹层钢梁截面以“H”形为主，辅以少量的箱型，钢梁尺寸为H250mm×200mm×6mm×10mm，材质为Q355B。该文将中央站房屋盖分为提升区与吊装区，在高架层拼装屋盖分块结构。当吊装时设置临时支撑，承担屋盖大部分压力，保证屋盖吊装施工质量。

2.2 应用结果

在上述条件下，该文随机选取CSF_1～CSF_8这8种吊装施工工况，并根据吊装环境设定对应工况的最大形变量。在工况施工条件满足实际需求的情况下，使用大跨度张弦梁钢结构屋盖分块吊装施工关键技术，并对其形变量、主结构应力、支撑应力和反力等质量指标进行分析。应用结果见表2。

表2 应用结果

CSF_1～CSF_8为屋盖吊装施工工况。其中，CSF_1为屋盖边缘桁架发生形变的工况；CSF_2为第二根屋盖桁架发生形变的工况；CSF_3为两端桁架发生形变的工况；CSF_4为中间桁架发生形变的工况；CSF_5为CSF_1区域钢柱发生形变的工况；CSF_6为CSF_2区域钢柱发生形变的工况；CSF_7为CSF_3区域钢柱发生形变的工况；CSF_8为CSF_4区域钢柱发生形变的工况。在不同工况下，屋盖钢桁架的允许形变量存在变化。该文根据每种工况的实际吊装施工情况，设定了最大形变量。在最大形变量的范围内，可满足吊装施工的质量需求。

在已知其他条件的情况下，使用大跨度张弦梁钢结构屋盖分块吊装施工关键技术后，屋盖钢桁架的形变量在-11mm～-20mm，主结构应力在-120MPa～120MPa，支撑应力在-8MPa～-84MPa，反力在300kN～785kN。由此可见，使用该文设计的方法后，形变量在最大形变量的需求内，主结构应力、支撑应力和反力均能够满足吊装施工的质量需求。

3 结语

随着大型车站、机场等大容量高空间要求的公共设施逐渐兴起，大跨度施工形式广泛应用于建筑中，保障了建筑物的施工安全。受普通钢筋混凝土结构的抗拉性能限制，大跨度钢结构容易出现形变较大，易坍塌等问题。为提升大跨度钢结构的空间稳定性，该文研究了大跨度张弦梁钢结构屋盖分块吊装施工关键技术。从拉索、钢桁架和钢柱等方面，减少屋盖吊装的自重，提高钢结构的刚度，使大跨度钢结构屋盖的吊装整体性更佳，抗震性能更强，保证大跨度钢结构建筑的施工质量。