某高層建筑屋頂薄壁鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)探討

（廈門象嶼工程咨詢管理有限公司，福建 廈門 361000）

某高層建筑屋頂薄壁鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)探討

曾遠(yuǎn)峰

（廈門象嶼工程咨詢管理有限公司，福建 廈門 361000）

本文以某工程為例，闡述對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安裝工藝、臨時(shí)支撐體系、施工階段結(jié)構(gòu)以及塔吊拆除工藝的研究，總結(jié)施工過程得到的經(jīng)驗(yàn)，最終本工程是圓滿完工。

高層建筑；薄壁鋼結(jié)構(gòu)；支撐；安裝

1 工程概況

本工程建筑主樓結(jié)構(gòu)176.23m，加上39m的薄壁鋼管構(gòu)成空間屋頂鋼結(jié)構(gòu)，屋頂結(jié)構(gòu)外邊線距地面205.23m。鋼結(jié)構(gòu)屋頂用的鋼管結(jié)構(gòu)中，面積最大的300mm*18mm，最小的60mm*9mm。鋼管間用相關(guān)焊接，整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)總重426000千克。整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)形狀為 “三腳凳”形，3個(gè)支腳均為倒錐形，整個(gè)結(jié)構(gòu)靠11根鑄鋼件支撐。

工程特點(diǎn)和難點(diǎn)為：（1）吊裝問題。屋頂管桁架內(nèi)部在屋頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案發(fā)生改變后無(wú)法滿足吊裝要求。（2）風(fēng)荷載影響。主樓結(jié)構(gòu)高176.23 m，屋頂鋼結(jié)構(gòu)高達(dá)39 m，高空風(fēng)荷載影響嚴(yán)重。（3）吊裝測(cè)量要求高。鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)跹b封閉前是不穩(wěn)定的，且同一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)根桿件，因此吊裝測(cè)量需要十分注意。（4）施工階段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定至關(guān)重要。由于屋頂結(jié)構(gòu)高度高41 m，且屋頂結(jié)構(gòu)四周無(wú)結(jié)構(gòu)依靠，在屋頂結(jié)構(gòu)吊裝封閉前都是鉸接連接，整個(gè)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，加重施工難度。（5）腳手架搭設(shè)難度高。

2 鋼結(jié)構(gòu)安裝工藝研究

2.1 確定方案和技術(shù)路線

圖1 構(gòu)件吊裝示意

圖2 全站儀軸線控制網(wǎng)示意

本案例最后施工方案是：采用鋼管桁架構(gòu)成“三腳凳”形的空間結(jié)構(gòu)。最后決定的設(shè)計(jì)方案中采用的屋頂結(jié)構(gòu)構(gòu)件為薄壁鋼管，但是，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和安全性，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的面積都不大，最大的約1350～1400m2，因此需要?jiǎng)偣軛U件很多，最多達(dá)兩千多根。屋頂鋼結(jié)構(gòu)用鋼管相貫連接，因此很多鋼管是連接相交在一點(diǎn)，最多時(shí)13根桿件交匯在一點(diǎn)。如果現(xiàn)場(chǎng)安裝存在很大困難，經(jīng)過研究決定在先在工廠進(jìn)行預(yù)拼。考慮到整體提升存在較大問題，因此用分塊吊裝施工。建模后通過和設(shè)計(jì)方溝通協(xié)調(diào)，本工程施工技術(shù)路線是：用分塊吊裝法由K5/50B塔吊完成3個(gè)支腳和支腳間聯(lián)系桁架，使結(jié)構(gòu)封閉后再在結(jié)構(gòu)上裝QM18、QW6屋面吊，拆除K5/50B塔吊后，剩余鋼管構(gòu)件散件吊裝（見圖1）。分塊吊裝即按設(shè)計(jì)方案將屋頂鋼結(jié)構(gòu)分成若干塊進(jìn)行預(yù)制和拼裝，然后進(jìn)行吊裝。分塊吊裝和散件吊裝相比有一定優(yōu)點(diǎn)：一、減少高空作業(yè)量，提高校正精度，同時(shí)相對(duì)安全；二、減少腳手架的搭設(shè)，減小對(duì)屋面荷載影響。分塊吊裝時(shí)須用腳手架進(jìn)行穩(wěn)定，分塊吊裝過程鋼結(jié)構(gòu)和腳手架交替上升，互為依靠，腳手架相對(duì)于散件吊裝更簡(jiǎn)化，需要腳手架更少。

2.2 測(cè)量

屋頂需要桿件很多，縱橫交錯(cuò)空間內(nèi)很難有位置放置測(cè)量?jī)x式，由于腳手架阻擋，在屋頂結(jié)構(gòu)底部也不是架設(shè)測(cè)量?jī)x器的好位置，無(wú)法直觀進(jìn)行剛測(cè)定位。有人提出將測(cè)量?jī)x器設(shè)在腳手架上，但工人走動(dòng)和吊裝構(gòu)件時(shí)會(huì)因震動(dòng)影響測(cè)量。若跟普通工地一樣用經(jīng)緯儀和垂準(zhǔn)儀無(wú)法滿足鋼構(gòu)件安裝校準(zhǔn)要求，建模計(jì)算結(jié)果顯示，此項(xiàng)目所在地風(fēng)速較大，施工中整個(gè)構(gòu)件最大彈性將達(dá)57mm，工程施工中對(duì)構(gòu)件定位至關(guān)重要。經(jīng)勘測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，施工方?jīng)Q定測(cè)量所有控制點(diǎn)和周線，修正后在大屋面上建控制網(wǎng)，將結(jié)構(gòu)中所有橫向構(gòu)件投影到屋面，和相關(guān)控制軸線進(jìn)項(xiàng)測(cè)放。分塊吊裝時(shí)要保證11根豎向主弦桿垂直度和標(biāo)高偏差在控制要求內(nèi)。底部空間與控制線偏差通過控制網(wǎng)設(shè)定來(lái)控制；通過設(shè)在核心筒內(nèi)塔的專用測(cè)量臺(tái)及參照11根向主弦桿與控制軸線間絕對(duì)偏差關(guān)系來(lái)控制上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件與11根豎向主弦桿間相對(duì)偏差值。經(jīng)設(shè)計(jì)方案不斷優(yōu)化，本工程最終吊裝偏差位移控制在5mm內(nèi)。

3 臨時(shí)支撐體系研究

據(jù)測(cè)量計(jì)算結(jié)果，初步審計(jì)腳手架規(guī)模：根據(jù)腳手架高度高過結(jié)構(gòu)主體原則，腳手架設(shè)計(jì)高度40m，腳手通道4道；12m高四管立竿底部、18m高雙管立竿中部以及12m高上部。

圖3 腳手架搭設(shè)優(yōu)化示意圖

圖4 臨時(shí)抗風(fēng)支撐平面位置示意

本工程風(fēng)荷載參數(shù)設(shè)置是根據(jù)本工程有關(guān)數(shù)據(jù)和要求且通過MIDAS軟件進(jìn)行建模計(jì)算，規(guī)模按50年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。通過以上計(jì)算結(jié)果，經(jīng)專家論證確認(rèn)，對(duì)腳手架設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果是：腳手架改為39m；15m高四管立竿底部、7m高雙管立竿中部及19m高上部（見圖3）。

根據(jù)優(yōu)化后腳手架搭設(shè)方案，再次進(jìn)行MIDAS結(jié)構(gòu)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)受力要求（最大軸力33.8kN、最大位移36.1mm）。優(yōu)化不是最終實(shí)施結(jié)果，因?yàn)槭┕み^程中，我們根據(jù)遇到具體情況又進(jìn)行優(yōu)化，且根據(jù)優(yōu)化情況計(jì)算，在建模計(jì)算基礎(chǔ)上減少相應(yīng)部位腳手架。

4 施工階段結(jié)構(gòu)分析

屋頂鋼結(jié)構(gòu)從3個(gè)支腳（標(biāo)高+184.65m）到第1道相互連通水平桁架（標(biāo)高+218.7m）間距34m，且支架間缺少穩(wěn)固支撐，自身剛度不夠支撐整體對(duì)支架產(chǎn)生的變形。鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)撞渴倾q接形式，造成屋頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定得不到保證。因此屋頂鋼結(jié)構(gòu)吊裝前要通過結(jié)構(gòu)建模，分析每一施工狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系，滿足結(jié)構(gòu)分塊吊裝施工可行性。

抗風(fēng)荷載結(jié)構(gòu)建模結(jié)果分析，單腳手架固定作用和屋頂鋼結(jié)構(gòu)自身的相互依靠作用是不夠的，須增加抗風(fēng)支撐。但是39m的鋼結(jié)構(gòu)屋頂只有12m的可附著核心筒是不夠的，根據(jù)施工順序，抗風(fēng)支撐拆除時(shí)，K5/50B塔吊已拆，剩下的QM18、QW6屋面吊起重半徑不能滿足覆蓋全工程現(xiàn)場(chǎng)要求，因此抗風(fēng)支撐連接點(diǎn)選擇很重要。考慮以上情況，同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)建模計(jì)算結(jié)果允許條件下，共設(shè)置16根抗風(fēng)支撐，抗風(fēng)支撐一端鉸支于混凝土核芯筒外壁，另一端鉸支于豎向鋼桁架內(nèi)側(cè)面（標(biāo)高+201.20m），抗風(fēng)支撐選用Φ400mm×10mm鋼管。此方案效果良好，設(shè)置抗風(fēng)支撐很好的解決了結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定問題，抗風(fēng)支撐拆除的便利證明了抗風(fēng)支撐的大小和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是正確的。

5 塔吊拆除工藝研究

從本工程特點(diǎn)出發(fā)，K5/50B塔吊拆除采用置換法，即等K5/50B塔吊安裝QM18屋面吊，在待拆除K5/50B塔吊后安裝QW6屋面吊來(lái)拆除組裝QM18屋面吊。這個(gè)拆除方案中，關(guān)鍵點(diǎn)是M18屋面吊，只有設(shè)置合理科學(xué)，后續(xù)工作才能順利進(jìn)行。以下是兩個(gè)方案的討論結(jié)果：

方案一：首先確定時(shí)QM18屋面吊須安裝在距K5/50B塔吊中心16m半徑內(nèi)，而它的有效起重高度必須超過K5/50B塔吊A架高度。根據(jù)施工路線，K5/50B塔吊無(wú)法先拆，因此要盡可能多次使用K5/50B塔吊，為此QM18屋面吊安裝在核心筒東側(cè)。但是QM18屋面吊有效高度不夠，需設(shè)計(jì)支架來(lái)使其有足夠有效高度。此方案有個(gè)缺點(diǎn)，就是在拆除K5/50B塔吊時(shí)，由于屋頂鋼結(jié)構(gòu)限制，沒有辦法在整個(gè)巴干拆卸下來(lái)，須進(jìn)行高空分節(jié)拆除，有危險(xiǎn)性；同時(shí)K5/50B塔吊回轉(zhuǎn)臺(tái)拆除時(shí)，起重高度受屋頂鋼結(jié)構(gòu)限制，K5/50B塔吊在拆除巴桿后需自降約6m后才能拆除，同樣安全度較低。

圖5 屋面吊支撐位置加固示意

方案二：為解決方案一的危險(xiǎn)性，采用在把QM18屋面吊設(shè)置在屋頂鋼結(jié)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)上，QM18屋面吊起重高度就不會(huì)受屋頂鋼結(jié)構(gòu)限制，K5/50B塔吊巴桿可整體拆除，不用高空分節(jié)拆除，避免危險(xiǎn)性。但是屋頂鋼結(jié)構(gòu)是薄壁弱抗風(fēng)結(jié)構(gòu)，如果把QM18屋面吊設(shè)置在屋頂鋼結(jié)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)上，需增加屋頂鋼結(jié)構(gòu)加固量，且K5/50B塔吊起重高度無(wú)法滿足QM18屋面吊組裝要求。為計(jì)算加固量，我們把QM18屋面吊載荷加入模型中，得出計(jì)算結(jié)果是：桁架要在+213.8m外圍全部安裝、焊接完后才進(jìn)行QM18屋面吊安裝。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果將QM18、QW6屋面吊機(jī)安裝在鋼管桁架自身結(jié)構(gòu)上如圖5。

考慮到K5/50B塔吊最后一次爬升時(shí)由于K5/50B塔吊有效起重高度無(wú)法滿足標(biāo)高+225.7m的結(jié)構(gòu)安裝（差3.1m），也就不能滿足標(biāo)高+225.7m之上的QM18屋面吊組裝。想過增加一個(gè)爬升附著支架以增大爬升梁間距來(lái)滿足組裝要求，但是這增加一個(gè)爬升需要加大相應(yīng)位置核心筒加固量，且要占去部分腳手架面積，對(duì)腳手架受力不利。經(jīng)討論論證，決定先在爬升梁下增加1道過梁（高1.4m），將K5/50B塔吊的吊鉤（3.2m）拆除，用小車加裝鋼絲繩和卸扣替代吊鉤，使K5/50B塔吊前一次爬升后的起重高度滿足QM18、QW6屋面吊底座的安裝。再改變QM18、QW6屋面吊常規(guī)的安裝順序，先人工安裝好QW6屋面吊，再由QW6屋面吊組裝QM18屋面吊。

結(jié)語(yǔ)

本工程屋頂鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)間通過優(yōu)化施工順序和方法比合同工期提前17天完成，總計(jì)安裝時(shí)間不到四個(gè)月。通過方案優(yōu)化，腳手架使用過程中最終腳手架鋼管用量比原方案節(jié)約150噸，連同腳手架架拆、租賃費(fèi)用一共節(jié)約26萬(wàn)元。本工程安裝過程用屋頂鋼管桁架自身結(jié)構(gòu)，省去用于加固的鋼材料12噸，價(jià)值約6萬(wàn)元。對(duì)今后類似的鋼結(jié)構(gòu)工程施工有積極借鑒作用。

[1]馮振源.超高層建筑中薄壁結(jié)構(gòu)安裝工藝研究[D].期刊論文.建筑施工，2013.

[2]徐飛飛.整體薄壁結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)與銑削加工變形研究[D].大連理工學(xué)，2010.

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