大跨度鋼結構體系綜合施工工藝

上海國際建設總承包有限公司 上海 200092

1 工程概況

背景工程的南北兩側結構主要為由柱、梁組成的框架式結構，中間部位為數榀長度為54 m的桁架，作為主要受力構件。

本工程1層結構面以上至屋面基本為全鋼結構，結構的南、北兩側為全鋼的框架柱、梁的核心筒結構，作為整個結構的支承基礎體系，在框架結構的縱向及橫向設置相互交接的豎向支撐，以增強整個結構的四向剛度。結構的跨中為54 m的大跨度縱向桁架，根據結構的受力及使用要求，在相應部位設置樓面桁架、屋面桁架，局部形成雙層桁架，縱向桁架支承于兩側的框架結構（圖1）。

圖1 工程效果圖

本部分鋼結構梁的主要形式為H型鋼梁，鋼梁有熱軋和焊接2種，其中熱軋鋼梁有11種組成，規格為306 mm×164 mm×5 mm×7.4 mm～1 500 mm×500 mm×25 mm×50 mm；鋼柱主要為箱形柱，截面尺寸有600 mm×600 mm、600 mm×900 mm以及900×900 mm三種，板厚30～80 mm，每根鋼柱以同截面延伸至上部。

2 施工部署

2.1 施工區域的劃分

本工程鋼結構施工工作量大，工期緊迫，根據結構分區及前道工序施工流水，結合鋼結構施工特點，將工程劃分為2個區域同時進行施工：第1施工區域（西區）為7軸～25軸，第2施工區域（東區）為25軸～43軸（圖2）。

圖2 施工區域劃分示意

2.2 各區域的總體流程

第1施工區域（西區）：由7軸向25軸流水施工。施工過程中先安裝桁架柱，再安裝南北兩側的鋼框架，最后安裝桁架梁。

第2施工區域（東區）：由25軸向43軸流水施工。施工過程中先安裝桁架柱，再安裝南北兩側的鋼框架，然后安裝桁架梁，最后安裝38～43軸跨中鋼框架及懸挑桁架。

3 主要施工技術

3.1 施工總體平面布置

本工程主體鋼結構安裝分2個施工區域同步流水施工。

東區和西區分別選用2臺ZSL55145型（10 600 kN·m）行走式塔吊，布置于南北結構兩側，北側塔吊中心距M軸9.85 m，南側塔吊中心距A軸10.3 m；場內運輸道路沿圍墻布置，一圈貫通，外接大門1和大門3（圖3）。

圖3 鋼結構吊裝機械平面布置示意

同時根據現場安裝機械開行路線，在其行走范圍內布置行走道路，并進行相關處理，以滿足吊機開行的地耐力要求。其中500 kN履帶吊和500 kN汽車吊要求開行道路地耐力為80 kPa，1 500 kN履帶吊和ZSL55145型行走式塔吊要求地耐力為120 kPa[1,2]。

3.2 機械的選用

從7～43軸共長324 m，安裝構件較多，桁架柱和框架柱單根吊裝至安裝位置，桁架梁散件吊裝至現場拼裝成整體后提升，質量較大，吊裝半徑又大，所以西區（7～25軸）與東區（25～43軸）分別選用2臺ZSL55145型行走式塔吊，并分別布置在南北兩側的基坑外，使吊裝區域可以覆蓋整個施工區域。另布置1臺KH700（1 500 kN）履帶吊、2臺QUY50A（500 kN）履帶吊、2臺500 kN汽車吊分別負責ZSL55145行走式塔吊的裝拆、地下室勁性柱的安裝，構件駁運以及地腳螺栓的安裝。

3.3 主要構件分段

考慮到吊裝設備的性能，桁架柱地上部分沿高度方向分為4段單根吊裝，其中最大質量約23 t；框架柱地上部分沿高度方向分為4段，其中最大質量約9 t。

桁架梁按長度方向分成3段，按照從下至上的安裝順序在地面整榀拼裝，由ZSL55145型吊機從跨外散件吊裝，拼裝完后桁架的最大質量160 t（圖4）。

圖4 主結構分段示意

3.4 主要構件施工工藝

3.4.1 地腳螺栓施工

本工程東、西區-6.40 m標高的預埋螺栓組件分別采用1臺500 kN汽車吊跨外沿現有施工道路進行吊裝，地下室螺栓吊裝流程按土建開挖部位相繼進行。為了保證預埋螺桿的精度，在安裝過程中必須配套設置相應的格構柱、定位鋼板，地腳螺栓到位后，定位鋼板必須要與底板鋼筋等相連固定，以防止澆筑混凝土時產生偏移。同時在螺桿上部螺段涂黃油、套PVC管，以防澆筑混凝土時損壞螺桿絲牙。

地下室地腳螺栓共計214件，基坑深淺不一，最大埋深達6 m，為了準確安裝地腳螺栓組件，配套設置了1根格構柱，在格構柱四周設置75 mm×75 mm×6 mm的角鋼斜撐，防止在混凝土澆筑過程中的移位，格構柱高度大于4 m的設置2道角鋼斜撐。并要與大底板上下皮鋼筋采用電焊進行可靠焊接，減少由于混凝土澆筑及振動產生的地腳螺栓的偏移。土建底板混凝土澆筑完畢后，再次針對每個地腳螺桿對應軸線的位置進行復核，對個別螺桿偏差大的，運用現場實際尺寸單獨放樣并報加工廠制作（圖5）。

圖5 地腳螺栓加固示意

3.4.2 預埋螺桿的預應力施工

1）預埋螺桿的預應力張拉順序根據結構兩端對稱、隔根張拉原則，盡可能使同批張拉錨拉桿中應力相差不致過大，并考慮作業效率而確定。

2）本工程張拉施工操作順序為：錨頭清理→安裝工具連接螺母→安裝工具拉桿→安裝工具撐腳→安裝千斤頂→安裝工具螺母→按程序張拉、測量→卸荷錨固。

3.4.3 地下勁性結構吊裝方法

本工程地下室勁性鋼柱共計214根，以25軸線為界，東區107根，西區107根，截面形式分別為箱型勁性柱及鋼管柱。考慮地下室采用QUY50A（500 kN）履帶吊下基坑吊裝，單件吊裝控制質量12 t，分段長度為7.3 m。

進行勁性柱吊裝之前，土建已完成混凝土底板的澆筑。QUY50A履帶吊由西區南側15軸處放坡開入基坑面，從西往東依次吊裝地下室鋼柱。

3.4.4 鋼柱吊裝方法

桁架柱控制吊重為190 kN，分段最大高度為10.95 m，結構最大標高42 m。桁架柱全部采用ZSL55145型行走式塔吊進行分段安裝，ZSL55145型吊機的塔身高度為42 m，吊裝區域南北兩側ZSL55145型行走式塔吊完全覆蓋整個西區，最大單件構件質量19 t，可滿足施工需要。鋼柱吊裝采用二點就位、雙點吊裝，吊點位置在柱頂。

桁架柱按分段單根吊裝，待同一分段的2段構件吊裝到位后，焊接補缺，使其形成一節桁架柱，再沿縱軸方向每側至少拉設2根纜風繩保證其側向穩定。

3.4.5 現場鋼架拼裝方法

1）主要施工方案：桁架的分段主要是由運輸及吊裝質量所決定，目前主要是以桿件形式進行分段，最長約為20 m，質量約15 t。整個桁架大體分為上弦3段、下弦3段及上下弦之間斜腹桿若干。由于桁架采取整體提升的方法進行安裝，故鋼結構散件需要在現場組拼成整體。根據現場情況，我們選擇原位立拼然后整體提升的方法。整個桁架采用立拼法的優點在于避免桁架整體起扳，缺點在于拼裝時組裝精度較難控制（主要是平面的控制及拼裝幾何尺寸）。

2）拼裝場地：拼裝主要在1層樓面進行，而1層樓面有承載力的限制（5 kN/m2），因此需要在拼裝時將桁架直接支承在立柱頂端上。由于采用原位拼裝，因此在對應提升軸線下均需劃撥相應的拼裝場地。

3）桁架立拼：利用跨外大型塔吊將下弦梁依次吊裝到位，采用鋼板調整到位后焊接成整體，之后將立桿、斜腹桿安裝到下弦桿上并焊接固定，最后將上弦桿安裝到位。桿件連接依靠定位板和螺栓，校正完成后再整體焊接。校正桁架的胎架共可使用11點，其中5個擱置點不能移動，其余均可根據需要進行臨時調整（圖6）。

3.4.6 鋼桁架加固方法

本工程桁架跨度大，片狀式桁架高度大而寬度窄，結構形式限制了片狀式大跨度桁架整體拼裝后同步提升的條件。為了解決在單榀桁架提升過程中，桁架的上弦由于軸心受壓而產生的平面外失穩，在片狀式大跨度鋼架的頂面設置裝拆式水平桁架，增加上弦寬度，以此增大桁架側向慣性矩，解決了單榀桁架提升平面外失穩的難題（圖7）。

圖6 胎架剖面示意

圖7 鋼桁架頂面加固

3.5 鋼架提升方法

用塔吊將提升架安裝到柱頂相應位置，安裝完成后進行調試。在待安裝桁架上安裝連接臨時連桿，使桁架端部形成整體。提升點位于桁架上弦的下緣，深化設計時需要進行局部加強設計（包括臨時連接拉桿的設計）。托梁安裝完成后，即可進行提升。要求在提升時同一側2個提升點的高差控制在10 mm之內，兩側提升高差在50 mm之內。由于本次提升不設嵌補段，采用斜斷面的形式，桿件上下自身斜50 mm。桁架成梯形切斷，桿件按高度從下至上兩端依次縮進50 mm。為保證桁架在提升過程中順利通過每層的安裝節點區域，要求桁架在工廠加工時進行預拼裝，加工廠應統一公差值，確保現場安裝尺寸更好地控制及實施。

雖然提升過程中間隙相對較大，但在過2層桁架時，仍需要人員作好監護工作。提升過程中油管串通，保持千斤頂受力均勻，并做好同步工作。當接近安裝位置時，4個提升點需要進行微調作連接對位，因此各提升點的液壓提升器最好能切斷油路，以便分別動作。對位完成后進行斜斷面的焊接，焊接完成并檢驗后，松掉千斤頂，進行下榀桁架提升[3,4]（圖8）。

圖8 提升到位工況示意

4 結語

本工程作為世博會重要的會議、宣傳中心等綜合性場館，是世博會園區的核心建筑之一，是國內外知名工程。其獨特的造型及新產品、新工藝的集中運用，體現了設計者新穎的設計理念，展示了上海建筑工程界鋼結構施工的先進技術和雄厚實力、擴大了在上海乃至全世界建筑行業的影響，對提升企業施工品牌具有十分可觀的社會價值。