大型鋼結構預埋件懸吊定位安裝支撐體系設計與應用

王峰

【摘要】目前在大型鋼結構安裝工程中，預埋件安裝是影響整體鋼結構安裝質量的一個至關重要的因素。傳統做法對大型預埋件在混凝土澆筑前及澆筑過程中都很難控制其施工質量，由于不確定情況多發，容易導致預埋件預埋安裝質量偏差較大，給鋼結構安裝造成隱患。如何改進并推廣新的預埋件支撐體系，來消除傳統工藝的弊病，并且提高工作效率、減少傳統工藝能耗，成為一個新的課題。

【關鍵詞】大型鋼結構埋件；大型鋼結構桁架工程；預埋件懸吊定位支撐體系

1、引言

經過長期的實踐革新，鋼結構工程所涉及的技術、材料、工藝在大型建筑場館建設中得到了更新、發展和廣泛應用。其中鋼結構工程與混凝土結構工程中配合及精準化安裝形成的傳統做法，逐漸被新型材料、新技術、新工藝、新設計理念所代替。下面以阿爾及利亞奧蘭40000座多功能體育場大型桁架穹頂鋼結構工程為例，闡述在混凝土結構中，一種新的預埋件安裝體系，即大型鋼結構預埋件懸吊定位支撐體系及工藝。

2、工程概況

該體育場位于阿爾及利亞奧蘭市郊，規模為可容納40000座位的多功能體育場館。看臺以下為鋼筋混凝土結構，上層為72榀大型桁架結構的鋼結構圓形穹頂建筑形式。桁架結構與混凝土結構連接方式采用鋼筋混凝土柱內預埋大型鋼結構預埋件焊接連接方式連接，桁架根部與鋼筋混凝土柱的接合處即為預埋件預埋位置（如圖2、圖3）。在混凝土結構施工時桁架預埋件安裝工作成為一項專項控制課題，預埋件安裝的精準程度，將直接影響后續橫加安裝的質量。針對這個課題，該項目摒棄了原有傳統施工方法，創新設計了一套新的大型鋼結構預埋件懸吊定位安裝支撐體系，該體系有施工工藝簡單、安裝精度高、成本低和工作效率高等優點。

3、懸吊定位安裝支撐體系方案設計

3.1設計條件

（1）鋼結構預埋件均為大體積、高重量、預埋件在鋼筋混凝土結柱內；

（2）保證鋼筋混凝土結構不受影響，給預埋件提供一個穩固的嵌入柱內的環境，同時應確保預埋件位置的準確性；

（3）保證鋼筋混凝土結構柱的鋼筋不受到破壞；

（4）保證鋼筋混凝土結構柱的觀感；

（5）能改善傳統工藝帶來的一系列弊病，并且優化施工工藝，提高施工效率，節能降耗。

依據設計條件，該設計方案定型為大體積預埋件懸吊定位支撐體系。

3.2設計實例應用展示

按照支撐受力變形必須滿足預埋件位移的要求，支撐體系材料選擇為輕型鋼結構體系。為了實現預埋件安裝過程中可以規律性調整位置的功能，對該支撐體系進行可調節的機械化設計，滿足了安裝及結構澆筑時，可隨時性調整預埋件位置的要求。其效果展示見（圖4，圖5）

3.3結構構造及機械調節設計

3.3.1件技術參數介紹：

本工程G軸線柱柱內預埋大型鋼結構預埋件，柱截面尺寸為：2740x1400mm。預埋件分為，上弦預埋件和下弦埋件，上弦預埋件尺寸（mm）：800x580x2100，重量：0.98t；下弦預埋件尺寸（mm）：800x580x1030，重量：0.86t。節點A為下弦預埋件位置，節點B為上弦預埋件位置。

3.3.2預埋件安裝環境的介紹：

根據業主的工程質量控制文件要求，預埋件安裝不允許在鋼筋砼柱內埋設固定預埋件的支撐定位支架，避免影響混凝土結構整體質量。因此在4m高柱內下設預埋件存在多方面困難，具體體現在：（1）預埋件體積大，在柱內空間定位尺寸難控制；（2）結構柱鋼筋布置很密，鋼筋不能割斷和有焊點，安裝預埋件及控制其位置困難；（3）預埋件重量重，校準預埋件位置并固定難度很大；（4）使用傳統施工工藝，潛在的質量控制漏洞無法避免，質量偏差大；（5）加固過程對工人素質要求過高，無法實現推廣性的施工；（6）隨機性因素增多，材料損耗大。

3.3.3預埋件懸吊定位支撐體系的設計

由于不允許在鋼筋混凝土柱內埋設固定預埋件的支撐定位支架，不允預埋件采用焊接方式固定等條件限制，鋼結構桁架預埋件的安裝只能采用懸掛式的定位方式；以此為出發點進行了此設計，構造形式及節點設計如圖8、9、10。

該定位支撐體系應用及特點：（1）可進行X軸Y軸Z軸三維立體定位，既，三維空間定位，滿足桁架焊接對預埋件的定位精度；（2）支架懸吊埋件，采用螺栓緊固，保證預埋件在砼柱內的固定要求，滿足砼澆筑施工時結構的整體穩定；（3）架體構造簡單，定位調整單元使用操作簡便，架體可拆卸、周轉使用，制作成本低。安裝及配合施工效率高，提高生產效能。

3.3.4支撐體系使用材料

以100×48×5.3mmQ235槽鋼為主材，￠20普通螺栓、12mmQ235鋼板為輔材。

3.3.5支撐體系中ZXY三維機械調節單元系統設計

該支撐體系，可以實現預埋件位置三維調整的構造布局，主要設置在該支撐體系的頂部懸吊桿件區域，共計有Z向調節單元、X向調節單元、Y向調節單元。

該調節單元主要依靠調節可移動的螺栓，以便構件位移，來實現預埋件水平及垂直方向的移動，進而通過移動調整保證預埋件的正確位置，就位后經儀器觀測位置無誤，在旋轉螺栓緊固。該過程輔助以水平尺、全站儀、卷尺、吊墜等工具，觀測預埋件的水平及垂直度是否達標，在安裝及結構澆筑過程中隨時發現偏差，以便隨時調節。

3.4預埋件懸吊定位支架的結構驗算

3.4.1預埋件定位支架驗算：

（1）選取受力最大一榀定位支架進行驗算，其受力簡圖如下圖所示：

其中：活荷載q1=埋件1自重/4=9.8/4= 2.45kN

活荷載q2=埋件2自重/4=8.6/4=2.15kN

經PKPM計算軟件進行建模計算，各桿件應力比如下圖所示：

其中：柱左：強度計算應力比，柱右上：平面內穩定應力比（對應長細比）， 柱右下：平面外穩定應力比（對應長細比）；

梁左上：上翼緣受拉時截面最大應力比，梁左下：下翼緣受拉時截面最大應力比，梁右下：剪應力比。

（3）預埋件定位支架鋼梁的撓度如下圖所示：

（4）結論：通過計算可知，各桿件應力比均小于1，長細比均小于150，鋼梁撓度小于3mm，各項參數均滿足設計要求。

3.4.2預埋件定位支架上可移動鋼梁驗算：

（1）鋼梁計算簡圖如下圖所示：

其中：活荷載q1=埋件1自重/4=9.8/4= 2.45kN

施工活荷載q2=1.0kN

（2）經PKPM計算軟件進行建模計算，鋼梁應力比如下圖所示：

其中：梁上：強度計算應力比=強度計算應力/強度設計值；

梁左下：穩定計算應力比=穩定計算應力/強度設計值；

梁右下：抗剪強度計算應力比=計算剪應力/抗剪強度設計值。

（3）鋼梁撓度計算如下圖所示：

（4）結論：通過上述計算可知，鋼梁應力比小于1，鋼梁撓度小于3mm，各項參數均滿足設計要求。

4、預埋件支撐體系在施工過程中的應用

4.1支撐體系配合預埋件安裝的施工工藝流程

該工藝流程，在初步安裝環節之前的工序，與傳統工藝大致相同。主要不同點在于該工藝后半部分，摒棄了傳統工藝繁瑣而且不利于集中管理的分散工序。新增了懸吊式預埋件定位支撐架體安裝及控制預埋件位置的工序。新增工序簡單明確，便于管理和檢測。工藝中增加了在混凝土澆筑過程中的質量糾偏程序，有效加強了預埋件安裝及施工的過程管理，使得預埋件安裝質量及追溯性監控得以保障和落實。

4.2定位支撐體系加工及安裝要求

（1）切割、焊接后采用打磨的方式保證零件、構件平整度，許偏差±3mm。

（2）構件下料允±3mm。槽鋼對焊后，安裝架梁采用立面放置“【】”型焊接槽鋼保證支架結構穩定性。

4.3支撐體系安裝要點

在完成預埋件吊裝過程后，按照設計要求預埋件在柱中的尺寸位置，采用預埋件懸吊定位支撐支架結構中的調節單元，通過ZXY三個調節單元將預埋件進行精準并且微調定位。如圖22所示：

（1）XY（水平）方向位置調整：調整移動類似②、③節點及節點對應的水平桿件，在松動螺栓后，通過桿件水平移動，來調整預埋件在結構截面中的位置。在位置得到校準核對正確后，緊固螺栓固定預埋件水平方向在結構內位置。

（2）Z（垂直）方向位置調整：分別調整①節點上下兩排螺栓，依靠螺栓緊固過程中上下移動，帶動定型鋼板掛件上下移動，使得預埋件也跟隨移動。這個調整過程可以微調預埋件垂直方向位置，另外也可以通過調整垂直而微調預埋件水平度。

上述操作過程是觀測及調整階段主要的操作要點，通過上述兩步，該預埋件懸掛定位支撐體系所特有的機械性三維調整單元，其工作內容展現的淋漓盡致。另外在混凝土澆筑階段還可以實現過程控制，需要調整時也可以通過調整單元，使得預埋件位置得到有效的過程調整，這也恰恰展現出該工藝在質量控制方面實現“事中控制”的獨到特征，優化和加強了質量管理在施工過程中的落實。

可概括的歸納上述懸吊式預埋件定位支撐系統的調節步驟及要點：“架體穩定是第一、調節調整要仔細、先調水平后垂直、輔助工具照舊齊、一次就位不算完、還要過程觀察全、需要調整繼續來、重復微調可實現。”

4.4質量管理

4.4.1質量管理要求

⑴支撐體系制作時，根據預埋件重量進行支架結構計算來選擇型鋼材料規格，避免因預埋件重量產生材料變形的位移偏差，考慮經濟效果，盡可能選擇承重后變形不超過允許范圍內的型鋼材料。

⑵制作體系焊接過程中，盡可能選擇使得桿件變形小的焊接方式焊接。

⑶安裝體系時，架體就位后嚴格按照預埋件支撐系統調整要點進行調整。

⑷使用調節單元調整預埋件位置過程中，使用全站儀全程觀測預埋件主控位置在測量控制網中的位置偏差，以便調整的準確性。

⑸位置調整就位后，認真檢查各緊固單元是否緊固到位，落實各協作項目管理部門之間的簽審制度，實現各工序交接手續的過程落實。

⑹在混凝土澆筑時，全程觀測預埋件隱蔽階段位移變形狀況，發現偏差，在澆筑過程中隨時調整，保證過程糾偏工作的落實。消除隱蔽過程中擾動因素的影響，保證最終預埋件安裝質量。

⑺架體拆除時，要求按照“先搭后拆”的原則進行拆除。對各調節單元進行注油潤滑保養，以便周轉使用。杜絕使用撬棍等工具強行拆除，若發現支架因碰撞等原因造成變形，立即采取恢復性措施復位。

4.4.2質量管理成果統計

該工程在使用預埋件懸吊定位支撐體系應用后，對72榀桁架其中1個施工段的8個柱基礎內預埋件安裝偏差穩定情況統計如下：

經過數據統計分析，預埋件位置安裝及隱蔽施工成果比較穩定，2榀偏差均在0.5mm范圍內，滿足設計允許偏差±0.5mm的要求。6榀無偏差，反映出該預埋件懸吊定位支撐體系在質量控制的準確性上較高。

5、預埋件懸吊定位支撐體系與傳統工藝的優缺點

5.1傳統工藝

傳統預埋件安裝加固方式，普遍依照現場模板安裝時附帶鋼管加固、砼內設置鋼

支架加固、附加鋼筋加固，在定位時采用附加鋼管、鋼架、鋼筋以預埋方式永久固定在結構內，期間避免不了焊接固定在受力鋼筋上的情況，焊接技術對結構鋼筋造成規范不允許的損傷，也存在對原有結構設計造成影響，材料浪費率很大。這種方式僅是經驗性方式，而且在精準預埋控制時容易出現大的偏差，在結構澆筑砼過程中無法在進行二次或三次復位性微調，僅只能在預埋件安裝時調整到位，之后無法實現再次調整，缺少過程中監控調整的辦法，無法實現質量控制中的“事中控制”的質量控制方法，容易出現過程中擾動造成的偏差無法調整的情況。

另外，傳統工藝對人員技能素質的依賴程度很大，所以現場質量及技術要求的落實隨機性增強，給不遇見性的質量風險增大了發展空間，這對于安裝預埋件精準的要求非常不利。現有經驗性安裝預埋件的技術無法為大型鋼構安裝提供可靠的預埋件安裝技術保障，也容易使后期大型桁架安裝發生接口對接偏差的風險。大型預埋件重量較大，傳統工藝無法完成有效過程中微調，不利于安裝質量控制。最后傳統工藝使用的材料無法實現周轉性安裝，操作效率低及成本高，不利于現場管理，對安裝過程無法實現有效的可追溯性控制。

5.2預埋件懸吊定位支撐體系

通過使用預埋件懸吊定位支撐體系，有效控制了大型預埋件的傳統工藝做法的通病，消除大型預埋件安裝及過程控制中易產生偏差的不利因素。大型預埋件懸吊定位支撐體系加工和成品安裝操作簡便易懂，材料全部為定型構架便于現場運輸、安裝。所有材料的加工可以可按照模數需求在專業加工工廠集中生產，對施工現場的場地要求小，并且安裝過程中可以無數次周轉，有利于施工現場管理和材料節約。該體系采用的懸吊定位支撐體系均為定型鋼構，采用機械性三維調整單元調整位置偏差，無論在安裝預埋件及模板過程中，還是結構澆筑砼隱蔽作業時，預埋件出現偏差都能夠實現有效的調整，減少了材料損耗并提高了安裝效率、有效地控制成本和資源流失，也實現了施工過程中對預埋件質量的控制。該工藝操作簡便易懂，稍加對工人進行培訓，均可以熟練操作，有效的規避了對人員素質的高度要求，降低了人為因素對質量要求的影響，成功地縮短了安裝時間，保證了預埋件安裝質量。

結束語：

經過奧蘭實踐證明，使用大型預埋件懸吊定位支撐體系，進行預埋件安裝定位及隱蔽施工，大大提高了預埋件安裝質量。在施工應用方面優化了施工工藝，加速了施工效率，規避了傳統工藝帶來的一系列弊病和缺陷，為下一道工序提供了優質可靠的質量環境，保證了施工的最終質量。在管理方面系統化管理程序，有效的將各個管理職能部門聯系起來，形成了一套專項施工的管理模式，為目標管理提供了最直觀的管理工具，管理落實工作可追溯性強。在節能降耗方面，避免了傳統工藝施工的材料浪費等缺陷，實現周轉利用，節約了資源。該體系不僅適用于本工程，也可以在其它類似工程中推廣應用。

參考文獻：

[1]鋼結構設計規范GB50017-2003.

[2]鋼結構工程施工規范GB50755-2012.

[3]鋼結構工程施工質量驗收規范GB50205-2001.