剛性支撐架在大跨度網架安裝施工中的應用

張明亮 向思宇 謝 偉 黃 浩 黃 晶

1. 湖南建工集團有限公司 湖南 長沙 410004；2. 中南林業科技大學 湖南 長沙 410004；

3. 湖南省建筑施工技術研究所 湖南 長沙 410004；4. 長沙三遠鋼結構有限公司 湖南 長沙 410014

隨著建筑技術的進步與經濟建設的發展，越來越多的大跨度、異形結構被應用于大型公共建筑與工業建筑。為了滿足建筑使用功能與結構安全性要求，此類建筑一般采用管桁架、張弦梁、網架等空間結構體系。針對網架安裝，通常有7種施工方法：高空散裝法[1-2]、分條或分塊安裝法[3-4]、高空滑移法[5-6]、整體吊裝法[7]、整體提升法[8-11]、整體頂升法、折疊展開整體提升法。在這7種施工方法中，除整體吊裝法、整體提升法、整體頂升法外，最常用的安裝方法為高空散裝法與分條或分塊安裝法，采用此類施工方法均需搭設支撐架[5-6]。由于網架縱、橫柱間距較大，在施工過程中存在支撐架體量大、施工工效低等問題。針對此類問題，本文提出了一種剛性支撐架施工技術，該技術利用網架自身剛度，從根本上改變了常用的連續支撐方法。同時，剛性支撐架就場地占用、支撐架體量較其余幾種常用支撐架[12]有著明顯的優勢，適用于大跨度網架工程的安裝。

1 項目概況

湖南煙葉復烤有限公司郴州復烤廠易地技術改造工程項目，主車間屋面網架為正方四角錐螺栓球單層平面網架，網架平面分為A、B、C區域（圖1），3個區域的總面積為27 069 m2；網架柱距為9.00 m，最大分區跨度為45 m，網格尺寸為3 m×3 m。找坡形式為結構找坡，厚度為2.5～4.8 m。網架總質量約為1 786 t，設計含鋼量為65 kg/m2，局部最大含鋼量為150 kg/m2。

2 施工技術比選

本項目為大跨度網架結構，最大柱網尺寸達到45 m×45 m，在施工時常采用的方法為分片吊裝或高空散裝法施工，其支撐架形式有滿堂腳手架和滑移支撐架等。

項目擬采用的施工方法是一種與上述支撐完全不同的支撐方式，即剛性支撐。剛性支撐有2個含義，一是支撐架本身的剛性大；二是支撐架與網架下弦剛性連接，使其與網架成為一個整體。

圖1 網架平面布置

2.1 施工技術綜合對比

2.1.1 工期比較

滿堂腳手架施工時工期為35 d，滑移操作架施工時工期為51 d，而剛性支撐架施工時工期為12 d。可見，采用剛性支撐架進行施工時工期最短，較滿堂腳手架快23 d，比滑移操作架快39 d。

2.1.2 質量比較

采用不同的施工技術，網架安裝執行的質量標準、施工過程質量控制、檢驗方法均相同，對網架安裝本身并無明顯的質量區別。采用滿堂腳手架或滑移支撐架施工，全部工作均在操作平臺上進行；剛性支撐架施工除高空散裝外大部分操作在地面上進行，相對而言，采用剛性支撐架施工，工程質量更容易得到保證。

2.1.3 造價比較

使用滿堂腳手架，工程造價較高，約需180萬元；使用滑移支撐架居次，約需120萬元；使用剛性支撐架，則需30萬元。從造價方面比較，采用剛性支撐架進行安裝更加經濟，可節約施工的直接成本。

2.1.4 場地要求

1）場地平整度要求。采用滿堂腳手架，需對場地進行平整；采用滑移操作架，需對場地進行平整，要求場內全部硬化；采用剛性支撐架，需對場地進行平整，要求場內局部硬化。

2）場地占用要求。使用滿堂腳手架，施工場地將會全部被腳手架占滿，由于網架建筑面積較大，材料型號種類較多，網架構件將無法進行合理擺放；使用滑移支撐架，需要占用2/5的施工場地，有效的施工場地被擠壓；使用剛性支撐架，占用場地面積較小，有效的施工場地基本可以全部使用，且當構件擺放與剛性支撐設置沖突時，將妨礙設置剛性支撐的構件移開即可。

因此，針對場地的綜合適用性，采用剛性支撐架更為合理。

2.1.5 施工工效

1）采用滿堂腳手架或滑移支撐架施工，施工降效比較顯著。網架拼裝前，螺栓（焊接）球、桿及附件，必須先用吊車移動至支撐平臺，再由人工對其進行平移抬運，操作較為不便。網架拼裝中，由于上弦與下弦高差較大（2.5～4.8 m），安裝上弦球及腹桿時，不能利用吊車，只能使用卷揚機進行吊裝。

2）采用剛性支撐架施工不受平臺限制。地面運輸利用叉車或膠輪；網片經地面拼裝后再通過吊車（或提升設備）整體吊裝到位；高空散裝部分可地面拼成三角錐后再由吊車直接把錐體吊到安裝位置。

綜上所述，對于大跨度網架工程安裝，采用剛性支撐架施工能獲得更好的綜合效益。

2.2 剛性支撐架施工特點

1）剛性支撐架安裝、調節、拆移方便。剛性支撐的高度調節系統設在柱底，每個高度調節系統設有4組支撐，支撐均由限位環、機械式千斤頂、鋼底板組成（圖2）。限位環用螺栓固定在柱底螺栓球上，防止千斤頂滑出支撐面；千斤頂下放置鋼底板，鋼底板下為砂石找平層或混凝土墊層。當現場地面比較松軟時，可通過擴大鋼底板尺寸，減小壓強的方式處理，以防止支撐沉降。千斤頂主要用于高度調節，當千斤頂高度不夠或調節量不足時，可在千斤頂底部添加鋼板和短管，用于輔助高度調節。

2）剛性支撐架可循環使用。當網架安裝覆蓋土建混凝土支座，且支座桿安裝完成后，可將最先安裝的剛性支撐卸載、拆移，對其進行循環再使用，滿足國家提倡的綠色施工要求。

3）剛性支撐架設置靈活。本項目剛性支撐架截面尺寸為3 m×3 m，吻合于網格尺寸，其4個支撐柱與網架任何相鄰的4組下弦球可通過高強螺栓實現無縫對接（圖3）。剛性支撐理論上能設置在網架投影面下的任意部位，可避讓建筑物內的設備基礎、基坑等障礙物。

圖2 剛性支撐架高度調節系統

圖3 剛性支撐架與網架連接

4）占用的施工場地少。本項目使用的單個剛性支撐架占用面積僅為9 m2，按支撐周邊設置防碰撞圍擋計算，每個支撐架占用面積為25 m2，總占地面積不足施工場地的7%。

5）滿足局部集中承載力要求。大跨度網架結構面積大，坡面較長，屋面板一般只能采用現場壓制。若在地面進行壓制，由于屋面板過長，吊裝至屋面較為困難。當采用剛性支撐時，壓制機（7～10 t）可直接安放至屋面操作，不受屋面承載限制。

6）穩定性程度高。獨立支撐的設置，不僅應該具備足夠的支撐力和穩定性，還須具有一定的抵抗意外力碰撞的能力。在工程應用過程中，曾發生過剛性支撐被場內施工吊車意外碰撞的事故，4肢支撐的其中1肢柱被撞毀，桿件被撞彎，螺栓被撞斷。但另外的3個肢柱安然無恙，整體穩定性沒有受任何影響。

3 施工技術原理

3.1 工藝原理

大跨度網架結構施工時設置剛性支撐架，就是利用網架自身的剛性，將整體網架視作一個剛體，把多個剛性支撐與網架相結合，使之成為網架整體的延伸。通過有選擇的設置，將剛性支撐靈活地放置在預期位置，從而實現改變柱網尺寸的目的。使大跨柱網或超大跨柱網尺寸變為滿足建筑（工藝）使用功能要求的柱網尺寸，從而將比較復雜的網架安裝變得相對簡單。

3.2 理論原理

對于網架結構，雖然整體結構力系復雜，但就螺栓球桿件而言，其均為軸心受力構件，受力相對簡單；焊接球網架桿件則稍復雜，桿件除受軸力外，還受彎矩作用。但不論桿件是承受拉力還是壓力，桿件結構均相同，僅長細比控制稍有差別。對于拉桿，容許長細比[λ]=250；對于壓桿，容許長細比[λ]=180。

通常小尺寸網架結構在不改變網架剛性的前提下，擴大柱間距，縮小柱的支撐密度，可能會導致桿件應力超限；相反，大跨度網架結構在不改變網架剛性的前提下，縮小柱間距，增加柱的支撐密度，則不受應力超限的限制。雖然在改變柱密度的同時，可能會改變桿件受力方向（俗稱變性），但在網架自重的工況下，即便桿件改變了其受力方向，應力超限桿件數量也幾乎為零。

基于上述理論原理，本工程經3D3S軟件模擬計算，柱網尺寸縮減為1/2時，無應力超限桿件；柱網尺寸縮減至1/3與1/4時，均無應力超限桿件。故本項目增加柱支撐密度方式合理可行。

3.3 剛性支撐驗算

3.3.1 剛性支撐的選用

本項目剛性支撐為4肢組合格構柱。支撐截面尺寸為3 m×3 m，總高度為12 m，節距為3 m，支撐4肢為φ114 mm×4 mm鋼管，綴桿分別為φ76 mm×4 mm和φ60 mm×3.75 mm鋼管，其材質均為Q235（圖4）。

3.3.2 有限元分析

單個剛性支撐按承受500 kN豎向恒載、100 kN豎向活載計算。荷載作用于其上部節點。由于底部支撐考慮采用千斤頂，底部邊界條件使用節點彈性支撐進行模擬。利用Midas建立其有限元模型（圖5）。

圖4 剛性支撐構造

圖5 有限元分析結果

經分析，其在最不利荷載作用下豎向位移為8.24 mm，最大應力比為0.831，滿足局部承載力和變形要求。

4 施工技術應用及操作要點

4.1 剛性支撐安裝

1）剛性支撐上部安裝。首先利用吊車將起步架抬升，待其靠土建混凝土支座一側落座就位后，再用另一吊車將剛性支撐起吊至安裝位置；然后用螺栓將剛性支撐的4個柱頂與網架下弦球連接固定（圖6）；同時在剛性支撐架的4個柱腳對應位置鋪設大小約0.4 m2、厚度約200 mm的砂石墊層，并對其進行找平。砂石墊層找平后，分別將4塊600 mm×600 mm×20 mm的鋼板放置在砂石墊層上。根據墊板與剛性支撐柱腳的距離，設置高度調節墊。

2）螺旋千斤頂安裝。將千斤頂分別放置在懸空剛性支架的4個柱腳下方，調整千斤頂的高度，使其頂住柱腳（圖7）。螺旋千斤頂頂升高度不宜超過50 mm，如頂升高度超出80 mm，宜更換合適的高度調節墊塊。

圖6 剛性支撐上部連接

圖7 剛性支撐柱腳連接

4.2 起步架安裝

1）起步架平面分片。將起步架進行平面分片，根據其坡度和網架自重，將起步架分為4個片區（圖8）。

2）吊車的選用。起吊第1、2、3片區時選用2臺70 t級的吊車；起吊第4片區時選用1臺70 t級吊車起吊。起吊高度均為27 m。

3）片區起吊安裝。先安裝第1片區起步架，設置2個剛性支撐；再起吊第2片區起步架，同樣設置2個剛性支撐。待第2片區起吊就位后，將第1、2起步架進行高空無縫對接；接下來安裝第3片起步架，對其設置1個剛性支撐；最后起吊第4片區起步架，無需設置剛性支撐，起吊就位后與第2片區安裝對接（圖9、圖10）。

圖8 起步架平面分片

圖10 吊裝現場

4.3 網架結構安裝

起步架安裝完成后，可繼續進行網架的吊裝安裝，在吊裝過程中，剛性支撐架可循環利用。

4.4 誤差控制

1）剛性支撐沉降觀測。剛性支撐在承載過程中，受荷載變化或雨水浸泡，會出現不均勻沉降。剛性支撐初次承力時，應做高度標記，并將高度引至混凝土柱上。施工過程中要進行監測，承載初期每天進行1次，沉降穩定以后，監測頻率可適當縮短，但下雨后必須進行觀測。

2）剛性支撐沉降補償。當沉降量大于10 mm時，需對剛性支撐進行沉降補償，保證支撐高差在10 mm范圍以內。由于起步架一邊支撐在混凝土支座上，考慮另一側剛性支撐處可能會有一定的沉降量，其標高可略高10～15 mm。調整千斤頂進行頂升高度補償時，當沉降量較大，宜選擇成對角的2個千斤頂同時頂升，一次頂升高度不宜超過2 mm，然后換位頂升另外2個千斤頂，其過程需交替進行，不能一次頂升到位。

3）剛性支撐卸載、拆移。當網架形成穩定的結構體系后，剛性支撐即可卸載、拆移。剛性支撐卸載時，需要2人分別從對角同步操作，然后換位進行另一對角操作。卸載過程需交替進行，不能一次下降到底且每次下降距離不能超過20 mm。支撐架完全卸載后，其將吊掛在網架上，需盡快拆移。

5 結語

針對大跨度網架的安裝，介紹了剛性支撐架施工技術，并與傳統技術進行了對比分析，表明剛性支撐架施工技術較傳統技術有著明顯的優勢，可以為此類結構的施工提供一定的指導與參考意義。