大跨度棱形單層鋼梁網格結構安裝施工技術

黃亞均，游建華

（1.中建三局第三建設工程有限責任公司，湖北 武漢 430074；2. 中建三局集團有限公司，江蘇 蘇州 215021）

0 引 言

諸如電影院、溜冰場、游泳池、宴會廳等功能建筑要求有較大跨度的空間，各種形式的大跨度鋼結構屋面應運而生。大跨度棱形單層鋼梁網格結構是由單層鋼梁組成的斜向斜交網格體系，其安裝施工方法因施工環境的不同而有所差異。本文以鎮江蘇寧廣場項目為依托，開展了大跨度棱形單層鋼梁網格結構安裝施工技術的研究，對類似大跨度鋼結構工程施工具有一定的參考意義。

1 工程概況

鎮江蘇寧廣場項目位于鎮江市京口區解放路與中山東路交匯處，總建筑面積 39.5 萬 m2，由東塔樓（77 層，建筑高度 341 m）、西塔樓（62 層，建筑高度228 m）和商業裙房（7 層，建筑高度 38 m）組成，建成后是集酒店、辦公、大型購物廣場及娛樂設施于一體的地標性城市綜合體。

裙房 7 層的溜冰場屋面鋼結構采用大跨度棱形單層鋼梁網格結構，其外形為不規則多邊形，最大跨度達 42.2 m，覆蓋面積 1 277 m2。鋼梁材質為 Q 345，截面形式為 H1 000×300×16×28，棱形單元夾角 62°，邊長 5.2 m。由 14 根勁性鋼骨柱支承網格結構屋蓋，屋頂結構上方為玻璃幕墻。網格結構屋蓋平面形式如圖1 所示，所在位置如圖2 所示。

圖1 網格結構平面圖（單位：mm）

2 有限元模擬分析

鋼結構在自重和外部荷載的共同作用下，勢必會產生彈性變形。尤其在大跨度鋼結構上，這種變形帶來的影響不可忽視。以本工程為例，大跨度網格結構作為屋面玻璃幕墻的承載骨架，如果其出現較大彈性變形，則會直接影響玻璃幕墻安裝質量。因此，需要重點控制好大跨度鋼結構的下撓變形，使其在標準允許范圍內。

為了實現這個目標，本工程采用有限元分析軟件Midas/Gen8.0 進行模擬分析。根據鋼結構設計圖紙，建立有限元模型，計算大跨度網格結構在正常工作狀態下受力與變形情況。

1）荷載取值。施工階段恒荷載主要包括鋼結構自重和幕墻荷載，其中結構自重考慮節點重量，取系數 1.1；幕墻荷載取 1.5 kN/m2，折算成線荷載為 3.64 kN/m。恒荷載分項系數取 1.2。不考慮活荷載。

圖2 網格結構平面位置圖

2）邊界條件。支撐鋼柱柱底采用固定剛性支座，鋼梁連接節點采用剛接。計算結果如表1 所示。

表1 有限元分析成果

根據上述計算結果，位于網格結構中心位置的點位 5 下撓值最大，為 119.5 mm＞跨度 42 200 mm/400=105.5 mm［1］。為了將其下撓變形控制在允許范圍內，可以通過預起拱的方式實現。起拱值可以參照上述模擬分析確定，但起拱的實施方法需要結合鋼結構安裝工藝來確定。

3 鋼結構安裝工藝選擇

大跨度鋼結構按照其結構特點和現場施工環境，常用的施工方法有高空散裝法、分條（分塊）安裝法、滑移安裝法、整體（單元）安裝法等［2］。

本工程溜冰場大跨度鋼結構屋蓋在裙房 8 層樓面的高度，約 38 m，且位于裙房的中心地帶，安裝環境復雜。根據現場條件，吊裝可利用現場已有的塔吊吊裝鋼構件，塔吊型號為 ST 70/30，臂長 55 m，完全覆蓋網格結構范圍。因此，優先選擇高空散裝的方法施工。

在確定鋼結構的施工方案之后，下一步就需要制定對應的預起拱方案。在高空散裝法的施工條件下，本工程擬定采用胎架支撐整體預起拱方案。首先在下層樓板上布置 5 組胎架 TJ 1、TJ 2、TJ 3、TJ 4、TJ 5（見圖3），通過計算屋蓋在自重和幕墻荷載共同作用下胎架位置的撓度值-X，從而確定該部位預起拱值應為 X（見表2），在屋蓋安裝過程中，胎架工裝標高為（屋蓋標高+X），通過胎架支撐對整個屋面進行預起拱，屋蓋結構鋼結構安裝完成后，進行胎架卸載，屋蓋結構恢復至設計標高位置。

圖3 胎架支撐布置圖

胎架主要采用φ325×10與φ89×4 的圓管制作，截面尺寸 2 500 mm×2 500 mm，底座和胎帽采用H 300×300×10×15 型鋼制作，材質均為 Q 235。胎架利用塔吊進行吊裝，底座固定于結構樓板上，結構樓板承載力需經驗算；胎帽用于連接頂部工裝。

表2 各胎架預起拱值表

4 鋼結構安裝施工

為了保證鋼結構安裝過程中已施工部分鋼結構的剛度和穩定性，整個網格結構施工應遵循“先外圍交圈，再對稱填充，后懸挑封邊”的總體施工順序，這樣還能保證網格結構整體變形最小，利于控制安裝精度。

4.1 施工流程

施工準備→鋼骨柱、支撐胎架安裝→鋼骨柱間連梁安裝→大跨度鋼梁高空散裝→復測、校正→懸挑邊梁安裝→疊合柱施工→支撐胎架卸載、拆除。

4.2 具體施工步驟

鋼結構安裝施工順序如表3 所示。大跨度鋼結構安裝完畢、胎架卸載后，鋼結構自然恢復至設計標高位置。經過對50% 匯交節點部位標高進行復測，與設計標高對比，最大誤差為±6 mm≤±L/5 000＝42 200/5 000＝8.44 mm，滿足相關要求［3］。鋼結構安裝完成圖如圖4 所示。

4.3 施工注意事項

采用高空散裝法施工，需要重點注意以下 3 個方面的問題。

1）結合鋼結構的具體形式，確定適合的拼裝順序；

2）在施工過程中隨時對已安裝的鋼結構進行復測、調整，以保證鋼結構總拼后的總體偏差在標準允許范圍內；

3）采用懸挑法施工時必須保證已施工部分結構的剛度和穩定性。

還需要特別注意，鋼梁連接節點設計為剛接。安裝時，首先進行腹板高強螺栓施工，使連接節點臨時為鉸接，網格結構整體預起拱完成后，整體進行上下翼緣焊接施工，焊接施工順序為從中間向四周依次進行，這樣可以減小焊接帶來的結構變形。

表3 網格結構安裝施工流程

圖4 大跨度網格結構安裝完成圖

4.4 施工質量控制

1）鋼梁的吊裝順序應嚴格按照主次梁的吊裝順序進行，及時形成框架，保證框架的垂直度，為后續鋼梁的安裝提供方便。

2）處理產生偏差的螺栓孔時，只能采用機械方式擴孔，不得采用氣割擴孔的方式，擴孔后的孔徑不得超過 1.2 倍的螺栓直徑。

3）在鋼梁的標高、軸線的測量校正過程中，一定要保證已安裝好的標準框架的整體安裝精度。

4）鋼梁安裝完成后應檢查鋼梁與連接板的貼合方向。

5）安裝時應用臨時螺栓進行臨時固定，不得用高強螺栓代替安裝螺栓直接穿入。

5 結 語

與常規大跨度鋼結構采用大量胎架或整體提升等施工方法不同，鎮江蘇寧廣場項目通過對網格結構的受力和變形進行分析，合理制定鋼結構制作、安裝方案，使工程質量達到理想效果。同時，減少了施工中存在的危險因素，縮短了工期，節省了人、材、機的投入，降低了措施成本，取得了良好的社會經濟效益。