含吊掛結構的屋面大跨度及長懸挑桁架施工技術

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東安湖畔，前期主要功能為2021年成都世界大學生運動會媒體中心，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的長懸挑造型需求，通過設計34.5～45.6m的大跨度及12.9～17.5m的長懸挑桁架來實現，大跨度及長懸挑桁架設有吊掛結構，項目效果如圖1所示。

圖1 東安湖圖書館(媒體中心)項目效果

根據建筑造型和使用功能的特點，地面以上采用鋼框架支撐結構，大跨度及長懸挑桁架支承在鋼框架支撐筒上。本工程屋面層北側及東側共分布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 施工關鍵技術

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構的北側和東側，采用“整榀分段，胎架支撐，履帶式起重機安裝”的方式進行安裝。鋼桁架分段后節段單元均在工廠進行拼裝，拼裝完成后，由車輛直接運輸至現場，采用350t履帶式起重機進行安裝。通過在下層結構上設置型鋼轉換梁或胎架底座，布設標準格構式支撐胎架。其中北側大跨桁架(無吊掛結構)采用胎架直接支撐桁架的方法進行安裝，東側大跨(有吊掛結構)及所有外側長懸挑桁架(有吊掛結構)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行安裝，即先安裝吊掛結構、后安裝屋面桁架，利用吊掛結構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安裝連系鋼梁，最后形成整個屋面桁架體系，如圖3所示。

圖3 現場桁架安裝

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層鋼結構安裝基本同步，完成后開始安裝第4層鋼梁、吊柱及無柱區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

根據屋面桁架結構形式，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、施工分區及設備站位等綜合因素，對整榀桁架進行分段，桁架節段現場采用350t履帶式起重機進行吊裝。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，應及時安裝桁架間連系鋼梁，以形成穩定體系。為方便支撐胎架卸載后拆除，胎架周邊鋼梁進行預留后裝，待胎架卸載拆除后再安裝。

支撐筒間無吊柱區域的大跨桁架(HJ1，HJ2)安裝采用胎架支撐(見圖4)，由兩側向中間進行桁架節段吊裝；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行桁架安裝。桁架節段就位固定后，在其上拉設纜風繩，復測完畢后，及時進行桁架節段焊接施工。

圖4 無吊掛結構及有吊掛結構桁架

2.4 鋼桁架分段

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

圖5 桁架分段示意

采用先安裝吊掛結構、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接就位及校正，吊掛層鋼梁及桁架下弦桿需預留吊柱對接牛腿(見圖6)。

圖6 吊掛層鋼梁及桁架下弦桿預留吊柱對接牛腿

2.5 鋼桁架安裝流程及工藝

2.5.1支撐筒間無吊掛結構的鋼桁架安裝

支撐筒間無吊掛結構的單榀桁架(HJ1，HJ2)安裝采用在第4層布設胎架支撐(胎架底座位于第4層鋼框梁及鋼柱頂)，由兩側向中間進行桁架節段吊裝。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段單元HJ2-1，HJ2-4→安裝桁架中間節段單元HJ2-2→安裝桁架中間節段單元HJ2-3→胎架卸載拆除，HJ2安裝完成。

2.5.2支撐筒間有吊掛結構的鋼桁架安裝

與鋼框架支撐筒相連接、且有吊掛結構的單榀桁架(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段單元HJ5-3，HJ5-5→安裝支撐筒間的中間桁架節段單元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有吊掛結構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，在胎架底座對應的混凝梁內預埋埋件，然后通過分配梁及型鋼支腿將力傳至結構梁)，先安裝第4層鋼梁(鋼梁預留吊柱牛腿)，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→先安裝邊桁架節段單元(HJ6-3/HJ6-5)，然后安裝斜腹桿→先安裝邊桁架中間節段單元(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 桁架吊點及吊耳設計

每個桁架節段單元根據重心在上弦桿左右對稱設置吊耳，吊點距離兩端端口L/4，2個吊點距離L/2(L為桁架節段單元長度)，且盡可能設置在桁架豎腹桿對應位置，桁架吊點及吊耳設計如圖7所示。

圖7 桁架吊點及吊耳設計

2.7 桁架位移監測

在桁架安裝及卸載施工過程中對桁架進行位移監測，及時獲取各施工階段結構的變形情況，尤其是桁架安裝時、胎架支撐拆除前后的位移監測。通過在桁架監測部位上貼設反光片，并采用高精度全站儀讀取不同施工階段的坐標，用坐標增量判定桁架變形情況。監測點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端的上弦桿、下弦桿及腹桿處，共計26個位移觀測點。

3 結語

本文充分考慮了含吊掛結構的屋面桁架的結構形式、受力特點、吊掛結構與桁架的連接節點及豎向關系以及桁架跨度及懸挑長度大、安裝工序復雜、施工難度大、工期緊張等施工重難點，提出了合理、可行的應對措施。

1)含吊掛結構的屋面大跨度及長懸挑桁架依據吊柱分布位置、運輸要求及設備起重能力進行合理分段，并在桁架節段單元深化過程中考慮桁架下弦桿預留吊柱對接牛腿，方便桁架安裝時與吊柱對接及校正。

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

3)為減少現場桁架拼裝，控制安裝精度，根據安裝順序制定加工計劃，桁架節段采用工廠拼裝加工，且在出廠前進行節段單元預拼裝，邊運輸邊安裝，減少現場構件堆放，釋放設備站位場地。

4)優化桁架節段吊裝的吊點布置，并根據選用的吊索具設計專門的吊耳形式，確保安裝安全，控制安裝變形。

5)優化支撐筒桁架、大跨度及長懸挑桁架的安裝順序，減少大型吊裝設備來回退吊次數，節約工期。

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

7)總結了含吊掛結構的屋面大跨度及長懸挑桁架先裝吊掛結構、后裝屋面桁架的正向施工工藝，即利用吊掛結構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，為后續類似工程施工提供借鑒。