含吊掛結(jié)構(gòu)的屋面大跨度及長懸挑桁架施工技術(shù)

郭立輝，白 彪，王 博，舒寶才，楚 勇，袁盛世，梁智松，丁鈺軒，樊 博

(中建科工集團(tuán)有限公司，四川 成都 610040)

1 工程概況

東安湖圖書館(媒體中心)位于四川省成都市龍泉驛區(qū)東安湖畔，前期主要功能為2021年成都世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)媒體中心，賽后將改造成為包含圖書館、檔案館及融媒體中心等綜合功能的公共建筑。總建筑面積4.5萬m2，地上5層，地下1層。建筑平面呈不規(guī)則四邊形，邊長為69.6～92.6m，中庭開洞，大屋面高度為23.950m。基于建筑在3層至屋面間存在大跨度空間需求及東北兩側(cè)的長懸挑造型需求，通過設(shè)計(jì)34.5～45.6m的大跨度及12.9～17.5m的長懸挑桁架來實(shí)現(xiàn)，大跨度及長懸挑桁架設(shè)有吊掛結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目效果如圖1所示。

圖1 東安湖圖書館(媒體中心)項(xiàng)目效果

根據(jù)建筑造型和使用功能的特點(diǎn)，地面以上采用鋼框架支撐結(jié)構(gòu)，大跨度及長懸挑桁架支承在鋼框架支撐筒上。本工程屋面層北側(cè)及東側(cè)共分布33榀平面鋼桁架，桁架高度為3.7m和3.8m，最大跨度45.6m。桁架各桿件截面均為箱形，其中桁架上、下弦桿截面主要為B700×500×35×35，B800×700×50×50等，腹桿截面為B500×400×25×25，B400×400×25×25等，桁架桿件材質(zhì)為Q420B，桁架如圖2所示。

圖2 大跨度長懸挑桁架示意

2 施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鋼桁架安裝概況

屋面大跨度及長懸挑桁架分別在屋面結(jié)構(gòu)的北側(cè)和東側(cè)，采用“整榀分段，胎架支撐，履帶式起重機(jī)安裝”的方式進(jìn)行安裝。鋼桁架分段后節(jié)段單元均在工廠進(jìn)行拼裝，拼裝完成后，由車輛直接運(yùn)輸至現(xiàn)場，采用350t履帶式起重機(jī)進(jìn)行安裝。通過在下層結(jié)構(gòu)上設(shè)置型鋼轉(zhuǎn)換梁或胎架底座，布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)格構(gòu)式支撐胎架。其中北側(cè)大跨桁架(無吊掛結(jié)構(gòu))采用胎架直接支撐桁架的方法進(jìn)行安裝，東側(cè)大跨(有吊掛結(jié)構(gòu))及所有外側(cè)長懸挑桁架(有吊掛結(jié)構(gòu))采用胎架支撐吊掛層鋼梁、鋼梁支撐吊柱、吊柱支撐屋面層桁架的方法進(jìn)行安裝，即先安裝吊掛結(jié)構(gòu)、后安裝屋面桁架，利用吊掛結(jié)構(gòu)自身作為桁架支撐的正向施工方式。分段桁架安裝連接過程中及時(shí)安裝連系鋼梁，最后形成整個(gè)屋面桁架體系，如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場桁架安裝

2.2 總體施工順序

地下室頂板施工完成后開始插入吊掛區(qū)域第4層吊柱下部支撐胎架安裝。胎架安裝與第2～3層鋼結(jié)構(gòu)安裝基本同步，完成后開始安裝第4層鋼梁、吊柱及無柱區(qū)域屋面層桁架支撐胎架，采用支撐胎架及吊柱支撐屋面層桁架安裝。桁架安裝完成后，按照從上至下的順序依次卸載并拆除支撐胎架。

2.3 鋼桁架施工順序

根據(jù)屋面桁架結(jié)構(gòu)形式，將桁架分為支撐筒柱間桁架、支撐筒間桁架、支撐筒懸挑桁架以及邊桁架。充分考慮場地條件、施工分區(qū)及設(shè)備站位等綜合因素，對(duì)整榀桁架進(jìn)行分段，桁架節(jié)段現(xiàn)場采用350t履帶式起重機(jī)進(jìn)行吊裝。整體安裝順序：支撐筒柱間桁架→支撐筒間桁架→支撐筒懸挑桁架→邊桁架→胎架卸載拆除→周邊鋼梁。每相鄰2榀桁架吊裝完成后，應(yīng)及時(shí)安裝桁架間連系鋼梁，以形成穩(wěn)定體系。為方便支撐胎架卸載后拆除，胎架周邊鋼梁進(jìn)行預(yù)留后裝，待胎架卸載拆除后再安裝。

支撐筒間無吊柱區(qū)域的大跨桁架(HJ1，HJ2)安裝采用胎架支撐(見圖4)，由兩側(cè)向中間進(jìn)行桁架節(jié)段吊裝；支撐筒間有吊柱的大跨桁架、長懸挑桁架及邊桁架，即下掛吊柱區(qū)域的單榀桁架(除HJ1,HJ2外的桁架)采用吊柱下方布置支撐胎架，然后安裝吊掛層鋼梁，再安裝吊柱，最后安裝桁架，即采用以胎架支撐吊柱、吊柱支撐桁架的順序安裝方式進(jìn)行桁架安裝。桁架節(jié)段就位固定后，在其上拉設(shè)纜風(fēng)繩，復(fù)測完畢后，及時(shí)進(jìn)行桁架節(jié)段焊接施工。

圖4 無吊掛結(jié)構(gòu)及有吊掛結(jié)構(gòu)桁架

2.4 鋼桁架分段

屋面桁架均為箱形鋼桁架，根據(jù)桁架分布位置，通過綜合考慮現(xiàn)場施工條件、吊柱設(shè)置、胎架設(shè)置、吊裝設(shè)備在不同覆蓋區(qū)域的起重能力、構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)輸條件、施工成本等因素后，將桁架分為49段。同時(shí)，為便于辨別，將構(gòu)成每組的桁架分段以HJX-Y的形式編號(hào)，其中X為該桁架序號(hào)，Y為每榀桁架分段的編號(hào)(見圖5)。

圖5 桁架分段示意

采用先安裝吊掛結(jié)構(gòu)、后安裝大跨及長懸挑桁架的施工方法，為方便吊柱與鋼梁及桁架對(duì)接就位及校正，吊掛層鋼梁及桁架下弦桿需預(yù)留吊柱對(duì)接牛腿(見圖6)。

圖6 吊掛層鋼梁及桁架下弦桿預(yù)留吊柱對(duì)接牛腿

2.5 鋼桁架安裝流程及工藝

2.5.1支撐筒間無吊掛結(jié)構(gòu)的鋼桁架安裝

支撐筒間無吊掛結(jié)構(gòu)的單榀桁架(HJ1，HJ2)安裝采用在第4層布設(shè)胎架支撐(胎架底座位于第4層鋼框梁及鋼柱頂)，由兩側(cè)向中間進(jìn)行桁架節(jié)段吊裝。以典型HJ2為例說明安裝流程工藝：在4層安裝支撐胎架(胎架底座位于4層鋼框梁及鋼柱頂)→安裝支撐筒鋼柱間的桁架(HJ2-5)→安裝與支撐筒鋼柱相連的桁架節(jié)段單元HJ2-1，HJ2-4→安裝桁架中間節(jié)段單元HJ2-2→安裝桁架中間節(jié)段單元HJ2-3→胎架卸載拆除，HJ2安裝完成。

2.5.2支撐筒間有吊掛結(jié)構(gòu)的鋼桁架安裝

與鋼框架支撐筒相連接、且有吊掛結(jié)構(gòu)的單榀桁架(HJ4，HJ5)采用在吊柱下方布置支撐胎架(胎架底座位于2層)，先安裝4層鋼梁(鋼梁預(yù)留吊柱牛腿)，然后安裝吊柱，再安裝桁架，即采用以胎架支撐吊柱、吊柱支撐桁架的安裝方法進(jìn)行桁架安裝。以典型桁架HJ5a,HJ5b為例說明安裝流程工藝：安裝吊柱下方的支撐胎架→安裝第4層鋼梁→安裝吊柱→安裝支撐筒鋼柱之間的HJ5a(HJ5-2)→分別安裝與支撐筒柱相連接的桁架節(jié)段單元HJ5-3，HJ5-5→安裝支撐筒間的中間桁架節(jié)段單元HJ5-4→安裝與支撐筒柱相連接的懸挑桁架HJ5b(HJ5-1)→胎架卸載拆除，桁架安裝完成。

2.5.3有吊掛結(jié)構(gòu)的長懸挑及邊桁架安裝

連接在懸挑桁架間的邊桁架(HJ3，HJ6，HJ12)采用吊柱下方布置支撐胎架(胎架底座位于地下室頂板位置，在胎架底座對(duì)應(yīng)的混凝梁內(nèi)預(yù)埋埋件，然后通過分配梁及型鋼支腿將力傳至結(jié)構(gòu)梁)，先安裝第4層鋼梁(鋼梁預(yù)留吊柱牛腿)，然后安裝吊柱，再安裝邊桁架，即同樣采用以胎架支撐吊柱、吊柱支撐桁架的安裝方法進(jìn)行邊桁架安裝。以典型桁架HJ6為例說明邊桁架安裝流程：安裝支撐胎架→安裝第4層鋼梁→安裝吊柱→安裝與支撐筒相連的懸挑桁架→先安裝懸挑桁架間的邊桁架，然后安裝斜腹桿→先安裝邊桁架節(jié)段單元(HJ6-3/HJ6-5)，然后安裝斜腹桿→先安裝邊桁架中間節(jié)段單元(HJ6-4)，然后安裝斜腹桿→先安裝角部與懸挑桁架連接的邊桁架節(jié)段單元(HJ6-1)，然后安裝斜腹桿→胎架卸載，邊桁架安裝完成。

2.6 桁架吊點(diǎn)及吊耳設(shè)計(jì)

每個(gè)桁架節(jié)段單元根據(jù)重心在上弦桿左右對(duì)稱設(shè)置吊耳，吊點(diǎn)距離兩端端口L/4，2個(gè)吊點(diǎn)距離L/2(L為桁架節(jié)段單元長度)，且盡可能設(shè)置在桁架豎腹桿對(duì)應(yīng)位置，桁架吊點(diǎn)及吊耳設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 桁架吊點(diǎn)及吊耳設(shè)計(jì)

2.7 桁架位移監(jiān)測

在桁架安裝及卸載施工過程中對(duì)桁架進(jìn)行位移監(jiān)測，及時(shí)獲取各施工階段結(jié)構(gòu)的變形情況，尤其是桁架安裝時(shí)、胎架支撐拆除前后的位移監(jiān)測。通過在桁架監(jiān)測部位上貼設(shè)反光片，并采用高精度全站儀讀取不同施工階段的坐標(biāo)，用坐標(biāo)增量判定桁架變形情況。監(jiān)測點(diǎn)位布置于桁架跨中下弦桿、大跨桁架端部連接處及長懸挑桁架遠(yuǎn)端的上弦桿、下弦桿及腹桿處，共計(jì)26個(gè)位移觀測點(diǎn)。

3 結(jié)語

本文充分考慮了含吊掛結(jié)構(gòu)的屋面桁架的結(jié)構(gòu)形式、受力特點(diǎn)、吊掛結(jié)構(gòu)與桁架的連接節(jié)點(diǎn)及豎向關(guān)系以及桁架跨度及懸挑長度大、安裝工序復(fù)雜、施工難度大、工期緊張等施工重難點(diǎn)，提出了合理、可行的應(yīng)對(duì)措施。

1)含吊掛結(jié)構(gòu)的屋面大跨度及長懸挑桁架依據(jù)吊柱分布位置、運(yùn)輸要求及設(shè)備起重能力進(jìn)行合理分段，并在桁架節(jié)段單元深化過程中考慮桁架下弦桿預(yù)留吊柱對(duì)接牛腿，方便桁架安裝時(shí)與吊柱對(duì)接及校正。

2)采用先裝吊掛結(jié)構(gòu)，后裝屋面桁架的正向施工順序，需對(duì)吊掛結(jié)構(gòu)的鋼梁及吊柱分段進(jìn)行優(yōu)化，為保證精確定位及胎架支撐固定，可采用吊掛層鋼梁預(yù)留吊柱牛腿，以便吊柱安裝就位及校正。

3)為減少現(xiàn)場桁架拼裝，控制安裝精度，根據(jù)安裝順序制定加工計(jì)劃，桁架節(jié)段采用工廠拼裝加工，且在出廠前進(jìn)行節(jié)段單元預(yù)拼裝，邊運(yùn)輸邊安裝，減少現(xiàn)場構(gòu)件堆放，釋放設(shè)備站位場地。

4)優(yōu)化桁架節(jié)段吊裝的吊點(diǎn)布置，并根據(jù)選用的吊索具設(shè)計(jì)專門的吊耳形式，確保安裝安全，控制安裝變形。

5)優(yōu)化支撐筒桁架、大跨度及長懸挑桁架的安裝順序，減少大型吊裝設(shè)備來回退吊次數(shù)，節(jié)約工期。

6)提出了含吊掛結(jié)構(gòu)的屋面大跨度及長懸挑桁架安裝及卸載位移監(jiān)測點(diǎn)布置形式，以判定桁架各施工階段的變形情況。

7)總結(jié)了含吊掛結(jié)構(gòu)的屋面大跨度及長懸挑桁架先裝吊掛結(jié)構(gòu)、后裝屋面桁架的正向施工工藝，即利用吊掛結(jié)構(gòu)自身作為桁架安裝的支撐措施，不僅減少了支撐胎架等施工措施的投入，也提高了安裝工效，為后續(xù)類似工程施工提供借鑒。