大跨度拱形鋼管桁架雙片組合分段吊裝

藍祥畢 楊 淵

廣西建工第一建筑工程集團有限公司 廣西 南寧 530001

近年來，鋼管桁架因其良好的受力性能在大跨度空間結構中大受青睞，建筑師也熱衷于在大跨度上不斷加碼，但超長超重的鋼管桁架也給吊裝施工帶來了極大的挑戰。目前普遍采用將桁架化整為零后再吊裝合攏的施工方式，但大部分方案僅考慮吊裝單元質量與機械起重量是否匹配，并未考慮建筑外框架對桁架吊裝的限制，也未考慮各榀桁架分割后重新組合的可能性，最終陷入吊裝和高空就位次數多、工期不易把控的局面[1-2]。

本文通過BIM技術對單片桁架吊裝質量、建筑外框架限制、起重設備吊裝性能、安裝胎架受力性能等因素進行了分組組合模擬分析，采用“單榀桁架分段，分段后相鄰2榀組合；先吊裝邊跨固定，后吊裝中跨合攏”的吊裝方案，并在后續的吊裝施工中通過了實踐驗證。該技術能有效將吊裝施工的設計工作前移至深化設計階段，減少了吊裝次數和高空定位次數，縮短了吊裝工期。

1 工程概況

百色市體育中心二期體育館項目位于廣西壯族自治區百色市，建成后將作為廣西壯族自治區第十四屆全區運動會的主場館。體育館外觀為葉子形狀（圖1），其屋面為大跨度拱形鋼管桁架結構，屋面最高點標高37.5 m，長軸方向長度171 m，單榀桁架最大跨度達87 m，重達28.5 t，施工吊裝難度大。

圖1 項目效果圖

2 方案設計

1）通過已建立的Tekla模型進行可視化操作，合理地選取桁架分段位置，主要做以下考慮：

① 由于屋蓋呈葉子形，中間較長的6榀框架需根據其質量考慮多分段，兩邊的框架少分段。

② 按照規范要求，弦桿在節點間最多只能設置1個接頭，對接焊縫留在節間長的1/3附近。

③ 結合吊裝設備，體育館外部可以擺放大型履帶吊車，但僅有小型汽車吊方能進入場館內部，所以考慮采用增大邊跨段、減小中跨段的分解方式，以便在場館內外使用相應起重能力的吊車吊裝。

④ 分段應避開桁架受力較大處。

⑤ 為減少吊裝次數，將分段后的桁架再按相鄰位置兩兩組合作為一個吊裝整體，在Tekla軟件中同步查詢組合后的桁架質量是否匹配吊車起重量，否則應調整分段和組合，直至達到最優狀態。

⑥ 腹桿在分段處不斷開，在合攏過程中同步安裝。

2）在進行吊裝受力分析時，Tekla模型經轉換為Revit模型后再導入Midas Gen軟件，可進行吊裝受力計算分析。根據應力變形，確定桁架雙片組合單元的吊裝鋼絲繩數量、捆綁點及捆綁角度。

3）在吊裝施工階段，單段桁架先兩兩起吊至裝配式格構柱胎架進行組裝焊接，然后再整體吊裝到裝配式單元格構柱臨時支撐架就位安裝。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

BIM軟件建模、深化→鋼構件工廠加工→裝配式單元格構柱臨時支架安裝→拼裝胎架安裝→單片桁架分段拼裝、雙片分段桁架組合拼裝→焊縫探傷→焊縫補涂→兩邊跨桁架段吊裝→中間跨桁架段吊裝合攏→連系桿件安裝→焊縫清理、噴涂→臨時支撐架卸荷拆除→驗收

3.2 關鍵技術要點

3.2.1 深化設計

采用Tekla Structures軟件進行鋼結構建模，以中間較長6榀桁架為例，按設計方案將單榀桁架分為3段，分段后的桁架再按相鄰位置兩兩組合（圖2），在軟件中同步查詢組合后的雙片桁架質量，并經綜合調整后確定單次起吊質量及起重設備型號。邊跨選定400 t級履帶吊吊裝，中跨選定100 t級汽車吊吊裝。

圖2 單榀桁架分段再組合

3.2.2 裝配式單元格構柱臨時支架安裝

結合分段吊裝單元質量、起重設備安裝工況及模擬計算分析，確定在設計節點布置22個裝配式單元格構柱臨時支撐架（圖3）。架體采用四肢鋼柱混凝土獨立基礎（圖4），基礎隨工程主體底板施工同步進行預埋。

圖3 臨時支撐架布置

圖4 四肢鋼柱混凝土獨立基礎設計

支撐架標準節按最不利工況進行驗算。標準節上部焊接雙排20a#工字鋼，工字鋼上焊接φ180 mm×12 mm的鋼管立柱作為桁架支撐的底座，立柱高度結合臨時支撐鋼管高度、桁架設計標高、設計預拱確定。

為增強臨時支撐架的防傾覆能力，在支墩2/3高度處增設縱向支撐，在端跨處設置剪刀撐，增強臨時支撐架的平面外整體穩定性。

3.2.3 吊裝單元組裝

1）分段桁架地面焊接。各桁架單元在工廠加工完成。運至現場后，根據安裝位置卸在相應的拼裝場地，在地面利用平面型鋼拼裝胎架進行分段單片拼裝。

2）雙片桁架組合拼裝。2組單片桁架在地面拼裝完成后，再吊運至格構式門形拼裝胎架處進行雙片桁架組合拼裝。雙片桁架吊裝單元需借助焊接胎架固定再進行焊接。焊接胎架做法與格構柱支撐架類似，在2個格構柱支撐之間加裝角鋼格構式連梁，連梁寬度同2榀桁架設計寬度，形成格構式門形焊接胎架。

3.2.4 兩邊跨桁架段吊裝

吊裝單元經焊縫探傷、補涂及驗收合格后，從屋蓋中部開始向兩端對稱吊裝。

吊裝前，需對吊裝單元和鋼絲繩進行受力分析。利用Tekla模型中的分析查詢構件重心功能，輔助確定鋼絲繩捆扎點。Tekla模型經過Revit軟件轉格式后導入Midas Gen軟件，可進行吊裝受力計算分析。根據應力及變形，確定桁架雙片組合單元的吊裝鋼絲繩數量、捆綁點及捆綁角度。

按設計方案，邊跨桁架采用400 t級履帶吊在體育館外側進行。

3.2.5 中間跨桁架段吊裝合攏

中間跨合攏節段采用1臺100 t汽車吊進入場館內部進行吊裝，必要時可配合塔吊。吊裝準備工作同邊跨桁架段。

3.2.6 連系桿件安裝

每榀主桁架吊裝就位后立即吊裝連系桁架，形成整體結構。連系桁架按工作區域可分別采用履帶吊、汽車吊、塔吊進行吊裝，直至所有桁架桿件安裝完畢。

3.2.7 臨時支撐架卸荷拆除

所有桁架桿件焊接完成后，經驗收合格，需拆除臨時支撐，此時鋼桁架由臨時支架支撐轉換為完全依靠自身受力，臨時支撐架拆除過程中需合理釋放荷載，保證卸載過程安全過渡。

采用“分步驟多次循環微量下降”卸載方法，分步驟多次循環微量下降，每階段下降量按理論計算值下降，根據理論計算計劃分5個階段修割支撐點來進行卸載。采用同步緩慢修割支撐點的方法，使桁架自然平緩地下降到第一階段，檢查桁架安全及整體下降情況，若正常則采用同樣的方法，下降到第二階段，重復進行，直至桁架完全脫離支撐點。

4 結語

1）運用BIM技術將吊裝施工設計工作前移至深化設計階段，減少吊裝次數和高空定位次數，縮短吊裝工期。

2）利用格構式門形拼裝胎架進行雙片分段桁架組合拼裝，解決了大構件分段拼裝問題。

3）分段起吊后，借助裝配式單元格構柱臨時支架進行支撐焊接，最后進行管桁架高空合攏，有效保證了施工質量，并縮短了工期。

4）合理的分段質量，搭配不同起重能力的起重設備分別在場館內外進行吊裝，減少對起重設備的需求，降低了吊裝難度。