大跨度钢结构屋顶吊装施工技术设计

2024-04-11高京奕

湖南工业职业技术学院学报 2024年1期

高京奕

（中铁十八局集团有限公司投资公司，天津，300222）

引言

钢结构具有不受含钢率限制、极限承载力高、延展性强及刚度大等优势，常被应用于大跨度吊装工程中，相比于传统建筑材料结构，其可以极大地提高安装施工效率与安装精度。而对于屋顶吊装工程而言，由于其存在拼装构件质量大、形状不规则以及场地面积有限等诸多局限性，吊装施工技术难度更大。[1]为优化吊装施工工艺，当前应用较为广泛的施工工法主要有分段施工与拼接施工。分段施工主要使用穿心式千斤顶对地面构件进行抓取、提升、堆砌与空中翻转等操作，将钢柱与钢梁逐层吊至大跨度张弦梁上，并采用临时支撑的方式，完成整个吊装过程，但该施工工艺在荷载作用下变形程度较大，且对建筑造型的适应较差，同时工效无法保证；拼接吊装施工工艺通过现场拼接各构件，将抗压强度较大的钢结构作为施工中的主要构件，利用提升和吊装组合的方式进行屋顶安装，但该项技术在高空散拼成型过程中，容易出现失稳、坍塌及局部损坏等问题，同时需要对接触点的承载力具有较为精准的把控，限制了施工效率。为有效解决以上施工技术存在的缺陷，本文结合屋顶吊装工程案例，针对大跨度钢结构建设项目提出一种新的吊装施工方法，使其能够达到施工安全性和效率要求。

一、工程概况

某国际展览馆三期工程中的会展展厅屋顶主要为大跨度钢结构，最大跨度为84.3 m。整体结构包括主桁架、次桁架和若干钢柱，主体为钢管混凝土柱与正交空间管桁架相结合的结构体系。项目南北高，东西低，南侧悬挑21.365 m，北侧悬挑12.254 m，直径约402 m，中部设有3榀平面桁架。屋盖主要采用Q355GJB 钢材，屋盖各杆件均为无缝圆管和直缝大直径圆管，管内灌注C50 混凝土浆液。其钢结构耐火等级为二级，抗震设防烈度为7 度，屋顶最高处距地面约80 m，建筑面积近23 万m2，可容纳游客8.3 万余人。主体结构设计使用年限为60年。

该项目的钢构件尺寸大，类型多样。各类钢构件的制造与加工将在工厂中完成，并将其运送至现场组装。其中，需要在拟建场地内组装的桁架共计7 榀，最大跨度高达62 m，竖直高度为13 m，总重156 t。每个桁架运至现场后，根据预先布置好的安装位置与起吊位置，对其进行吊装，形成由水平拉杆、钢筋混凝土、垂直支撑梁构成的双层钢结构桁架屋顶。屋顶钢结构桁架的总体布置面积为78.5 mx62.4 m，屋顶单榀桁架布置如图1所示。

图1 屋顶单榀桁架布置

工程屋面吊装桁架上弦与下弦的主要型钢为1200mmx400mmx18mmx25mm，桁架立面为三角形结构，其中，钢架的抗压强度为管内混凝土受压强度的3/4，最大接受应力约为0.35 MPa，为C50 标号混凝土受压强度设计值的1/2。钢架顶距柱底标高为15.4 m，重量约为54.23 t。桁架的具体参数如表1所示。

表1 桁架具体参数

钢结构设计参数：允许最大风压为0.25 kPa，最大雪压为0.42 kPa，钢结构固定框架等级为3级，结构措施为3级；大跨度框架分离处钢柱抗震等级为三级，抗震措施为3级；混凝土框架抗震等级为2级，抗震措施为2级。钢结构由H型钢、方钢、Q355B钢、角钢制成；Q235B钢、Q355B钢采用E50焊条，Q235B钢采用E43焊条。[2]钢结构除锈、喷漆、抛丸除锈Sa2.5级，防腐干燥膜厚240 μm，大跨度桁架钢结构涂防火涂料。

由于整个工程跨度在50 m以上的桁架超过10 榀，安装部位较高，安装高差明显，其中过路桁架的尺寸较大，增加了运输吊装的难度，并且安装现场作业面狭小，施工流程复杂，同时卸载控制难度高。因此，桁架的精准就位与保证吊装的安全性是本工程的重点与难点，需要结合现场施工条件，合理制定屋顶桁架吊装工艺，从而提高工效，并在节约施工成本的同时保证施工工期。[3]

二、施工前准备

（一）吊点位置计算

为保证能够根据施工要求与吊装原则将桁架吊装至预设位置，需要参照构件的长度、截面尺寸、截面类型、配筋情况及自重来计算吊点的位置。通常情况下，自重在8 t以下的桁架采用一点绑扎的方法起吊即可，但本工程中的构件重量均超过8 t，因此采用吊点布置理论对最终安装位置进行估算。[4]

首先，需要明确构件在吊起过程中的受力作用，钢梁吊装示意图如图2所示。

图2 钢梁吊装示意图

如图2 所示，钢梁吊装时，其受到自身重力与塔吊钢丝绳的拉力作用，使得钢梁产生弯矩，因此，为保证施工过程的安全性，应以钢梁弯矩最小为基本原则来布置吊点，可根据力学原理，计算找出使其正负弯矩绝对值相等的点，该点记为吊装位置。[5]具体计算过程如下：

当吊起钢梁时，需要先计算吊点处钢材的剪切性能，公式为：

式中，Fs表示吊点处的剪力( Ν )；Ks表示最大剪力设计值( Ν )；ts表示横梁厚度( m )；Z 表示材料抗剪强度(ΜΡa )。

利用剪切性能确定钢梁的截面模量：

式中，b 表示翼缘板宽度( cm )；h 表示截面高度( m )；tw表示腹板厚度( mm )。

钢梁能够承受的最大弯矩可用如下公式计算：

式中，Mk表示钢梁允许的最大弯矩(N·mm )；α表示强度系数，一般取0.1；h0表示受压区合力点到边缘的距离( mm )；x 表示混凝土受压区的高度( mm )；a表示纵向钢筋截面的面积( mm2)。

吊点位置的计算公式为：

式中，K 表示动力系数，一般取1.1～2.0；l 表示钢梁长度( m )。

（二）吊装方案设计

本工程的预制桩利用标号为C50 的混凝土现场浇筑与制作，其中最大长度为12.3 m，最大宽度为6.1 m，总质量为9.56 t，平均厚度为16.4 m；屋顶采用的支撑主钢梁为钢筋混凝土材料，直径为5.32 m，包括3～6 个分段，每段自重2.01 t。本工程的吊装施工属于高空作业，风险等级较高，任何一个流程出现偏差均有可能导致施工事故的发生。[6]因此，根据项目现场条件，考虑到施工速度和整体施工系统的完整性，综合考虑，本工程采用综合吊装的施工方法：首先，将所有构件均提升至钢梁与钢柱的下方；其次，进行灌注混凝土工作，制备预制桩基，当桩基强度达到设计强度的65%时，安装水平支撑梁，之后安装钢柱与屋顶钢梁；最后采用节段间提升的方法，根据节段安装平台、梯子、桁架和屋面板等屋面钢结构。[7]屋顶吊装施工顺序如图3 所示。

图3 屋顶吊装施工顺序

桁架结构首先在地面预制组装成型后，整体进行吊装施工。该项目共分5 个阶段吊装桁架，安装和焊接同时进行；每安装完一个桁架后，应检查桁架的整体水平和拱顶的要求，并提前清理和硬化起重机行走路面和车站路线的地基；由于组件体积大，必须确保钢构件的堆放场地和组件的组装安装场地足够大。

三、施工工艺流程

（一）安装移动平台制作

移动平台的悬伸长度可基于实际悬挑长度确定，但主梁采用延伸焊接，主梁接头应位于吊车中央。[8]底部采用桁架结构的稳定性，利用尺寸为40 mmx40 mmx3 mm 的钢板焊接，以增强剪切、拉伸和扭转强度，安全可靠。使用30 mmx30 mmx3 mm 的钢板用于梁之间的支撑，并焊接以确保平台小车的完整性，同时保证主梁之间的间距不小于1.2 m。在移动平台顶部安装带有轴承滚轮的吊钩，由60 mmx60 mmx5 mm 焊接而成，确保平台的移动性。[9]移动平台布置要求如表2所示。

表2 移动平台布置要求

使用方钢和钢板制作运输材料的小平台，以桁架的形式焊接，钢筋尺寸为1.5 mx1 m。将4个导向轮安装在平台的底部，同时配有防跑偏导轨装置，提高移动平台的安全性。

（二）预埋螺栓

在预埋螺栓构件之前，需要对预埋位置进行勘测，通常以地面基础轴线与中心线的交点为圆心，以3～5 mm 为半径的圆形作为预埋的控制范围。在预埋地脚螺栓过程中，应将预先进行加固处理的预埋板与螺栓支架通过3 mm 厚的钢板连接，起到二次加固作用。[10]用三层钢筋绑扎固定螺栓支架，最终轴线和标高相对一致。

预埋螺栓制造精度要求：相邻两螺栓间的最大间距不得超过2.5 mm，且控制螺栓顶部的最大相对高差在3 mm 范围内。施工期间，注意保持预埋螺栓支撑，避免地板和钢筋绑扎之间发生刮擦和碰撞，进而导致螺栓支撑支架与螺栓发生形变或位置偏移。同时，对于预埋螺栓支架，需要进行进一步的加固处理。[11]在整个埋置螺栓就位之前，必须对齐埋置部件的上边缘4个固定角钢的垂直和水平中心线（预先测量和做标记），并保证其与测量放线时预设的参考线相平行；利用水准仪对预埋件的垂直度进行实时量测，若出现偏差，可通过将地脚螺栓下部的角度磨平的方式调整其垂直度。在混凝土浇筑前，应反复检查地脚螺栓的位置和标高，并在螺纹上涂抹润滑脂与包覆机油纸。在整个施工和浇筑过程中监测螺栓支撑，发现位移及时调整。

（三）钢柱焊接

钢柱安装并校准后，应提前预热钢柱的凹槽位置。使用带有多个排气孔的加热装置进行预热工作，气孔的长度和数量可以根据加热部件的尺寸来确定。[12]将烘烤枪的出风口喷嘴与加热装置有效连接，进行预热操作，用测温枪测量预热温度，当温度满足工艺要求后，进行后续的焊接工作。

该预热装置的预热范围大，速度快，预热加热区的宽度≥100 mm。预热温度达到100 ℃时，停止预热并预热钢柱的另一侧。预热过程中，确保加热区域整体加热，并形成流水作业。

钢柱焊接过程中，应对焊缝的层间温度进行控制。当层间温度达到250 ℃时，应停止焊接操作；当温度下降时，可以继续焊接。[13]整个焊缝焊接工作完成后，需要用绝缘岩棉覆盖以缓慢冷却。

（四）钢柱吊装

本文选用130 t 汽车吊，用以满足对钢柱的起吊要求。根据施工设计，设置吊装的最大半径为15.8 m，最高提升高度为23.6 m，提升总重量为3.65 t，且单根钢柱的自重远低于起吊机的最大起重量。[14]130 t汽车吊作业工况性能如表3所示。

表3 130 t 汽车吊作业工况性能

由于工程中钢柱的主要材质为H 型钢，含钢率为45.2%，以式（4）计算得出的钢结构最佳起吊位置为依据，对起吊机的钢丝绳与缆风绳进行合理选择，保证其满足起吊要求。同时，基于稳定、可靠、方便起吊和防止变形的原则，使用适用于H 型钢的夹具将钢柱与其上方的封头板同时夹紧，并与钢柱下方的木枋利用固定垫层连接，以减少提升过程中的地面阻力，防止地面与钢柱出现损伤。

在钢柱吊装的初始位置确定后，使用电缆缠绕绳将钢柱与移动平台进行绑扎并运送至指定位置。当钢柱就位后，应采用点焊的方式将螺栓与钢柱底板焊接，焊点间距不得大于3 mm，且对于焊缝宽度的要求较高，通常在2～2.5 mm。[15]另外，施工人员需要以钢柱的分段位置为安装节点，综合考虑钢柱的垂直度、竖直轴线、平均标高以及焊点间距等多个因素，对安装位置进行调整修正，便于后续钢梁的安装。

（五）钢梁吊装

在钢梁的吊装中，每根钢柱之间存在一个稳定的框架空间，该位置即为钢梁的安装位置，因此，极大地降低了钢梁吊装的难度。为保证钢梁能够始终保持平稳的状态，避免出现偏移，应借助钢丝绳进行固定。钢梁的吊点通常位于钢柱吊点的正上方，使用4 个或6 个吊耳作为临时吊点，若能准确无误地将钢梁吊至框架中，则无须对吊点进行调整，否则需要重新计算最佳吊点。吊装前，应对钢梁底面的泥土、碎石及残渣进行全面清理，并检查上下两个钢梁之间的连接是否牢固。需要注意的是，每根钢梁的平均标高与轴线位置以及控制线与钢梁形变值必须满足设计要求。另外，还应注意钢梁反向位移的处理，在出现翻转或偏转后，要及时将其恢复到原始位置，利用相互纠偏的方式来避免误差的累积。

一般情况下，在钢梁的焊接过程中，采用“先中间，后边缘”的方法进行焊接，以中层、下层、上层的顺序完成焊接；若两个钢梁使用一个节点，则采用分步焊接的方式，先焊接上下层法兰，再焊接中间层法兰；此外，为防止钢梁因受到外界荷载而出现形变的情况，焊接时应采取隔梁焊接的方式。

四、施工效果分析

为验证设计的屋顶吊装施工方法的可行性，对各个施工工序的工况进行监测，利用位移监测仪与传感器对钢结构屋顶在吊装过程中的位移、应力变化进行实时监测，从而分析其稳定性，以测试所提施工方法的合理性，便于做好防范措施。

（一）监测点位设计

对于屋顶构件的监测，主要监测整个屋顶结构的竖向位移与应变值，根据其值来反映结构的变化。结构监测点布置如图4所示。

图4 结构监测点布置

如图4 所示，在屋顶钢结构平面共设置5 个监测点A、B、C、D、E。其中，A 点位置为屋顶桁架的最高点；B、D 点位置为钢柱与钢梁的标高；C、E 点位置为悬挑最高点的标高。以上5 个监测点能够全面监测整个结构的位移与应力变化情况。

整个屋顶吊装工程包括合龙施工、钢结构施工以及屋面施工三个阶段。设置监测频率为施工结束后每2 个月监测一次，共监测4 次；之后间隔6个月连续监测4次。

（二）位移监测结果分析

工程的最大规格桁架、钢柱与钢梁在吊装过程中分别选用6点、4点和2点吊装。基于上述对结构平面监测点的布设方案，对施工结束的钢结构屋顶的竖向位移进行量测，根据相关施工标准，若结构最大竖向位移在20 mm 以内，表明该结构整体处于稳定状态，施工效果符合设计要求。结构位移监测结果如图5所示。

图5 结构位移监测结果

如图5所示，根据对施工过程中的屋面结构进行多个角度的监测结果可知，虽然随着时间的推移，结构整体竖向位移逐渐增大，但其中最大值为14.3 mm，满足小于20 mm 的变形控制要求，表明屋顶吊装质量较为理想，结构比较稳定，设计的施工方案是合理可行的。

（三）应力监测结果分析

为进一步验证结构的稳定性及构件吊装过程受力的合理性，对尺寸最大的6000 mmx3000 mm叠合钢梁吊装过程中各监测位置的受力特性进行分析，重点对构件的应力状态进行分析，测试构件的安全性能。根据该工程的实际施工条件，对于结构应力的设计要求为小于C50混凝土受压强度的设计值，此时认为构件处于稳定安全状态。构件应力监测结果如表4所示。