基于某游泳館工程的大體積鋼結構單機吊裝關鍵技術探討

林 虎，黃佩兵

（中國電建集團江西省水電工程局有限公司，南昌 330096）

0 引言

隨著國民經濟的快速發展和人民對物質文化需求的日益增長，社會對建筑行業的發展提出了更高的要求，因此大量結構復雜、造型新穎的建筑應運而生。而鋼結構因其強度高、自重輕和外形可塑性強等優點，在建筑工程尤其大型群眾性活動場館中應用越來越廣泛。分段吊裝、高空拼接、整體提升（或頂升）、整體（或部分）滑移等新方法、新技術被應用到大型鋼結構施工中[1]。為保證施工質量，減少高空安裝工作量，降低施工成本和安全風險，施工單位更傾向于采用地面組裝+整體（分區）提升或吊裝的方案，因此大體積鋼結構吊裝的現象越來越常見。

在編制一般鋼結構吊裝方案時，主要對施工場地布置、索具受力、吊機選型及其工況選擇等方面進行闡述并進行必要的計算。而大跨度鋼結構在安裝、吊裝過程中，其受力形式往往會不同于正常使用時的受力形態[2]。且大體積鋼結構具有桿件多、形狀復雜、投影（迎風）面積大等特點，吊裝過程中起重機械的穩定性也容易受風荷載的影響。一般鋼結構吊裝方案的內容不能滿足指導大體積鋼結構施工的需求。針對大體積鋼結構的特點，技術人員應在重心確定、吊點布置、鋼絲繩受力、鋼結構自身穩定性和作業時的吊機穩定性等方面進行詳細認真地分析計算。

本文以某游泳館屋面鋼結構吊裝工程為例，詳細介紹了吊裝單元的確定、結構穩定性計算、吊點布置和鋼絲繩受力計算等關鍵技術。通過關鍵技術的應用，保證施工質量和安全。

1 方案選擇

1.1 工程概況

該游泳館屋面采用管桁架結構，由6 榀主桁架（AE、AA、 AB、 AC、 AD、 AF）及若干次桁架組成，總重約530 t，支承在24 根砼柱上。安裝高程為23.80 m。屋面投影為橢圓形，長軸長89.971 m，短軸長77.860 m，如圖1 所示。主、次桁架橫斷面均為倒三角形，其弦桿和腹桿均為鋼管，桿件之間連接均采用相貫節點。鋼管規格為?89×4～?351×24，材質為Q355B。

圖1 游泳館屋面鋼結構布置

1.2 工程重點及難點分析

由于游泳館內部結構復雜，吊車不能進入內部作業，只能采用在游泳館外側吊裝屋面鋼結構的施工方案，因此需要使用大型起重設備。從節約施工成本方面考慮，應盡量減少吊裝次數，縮短大型起重設備使用時間。

主、次管桁架桿件之間連接均采用相貫節點，如采用單榀主桁架安裝方案，主桁架之間的次桁架安裝前，需要預留大量的后裝段，增加高空拼裝和焊接工作量，從而嚴重影響施工進度、質量和安全。如果將橢圓形屋面劃分為若干區塊吊裝，有些區塊外形就變得非常復雜且不規則。如何確定重心、布置吊點和計算吊裝鋼絲繩受力將是一個難題。同時大體積鋼結構具有形狀復雜、迎風面積大及吊裝時對風荷載敏感等特點，確保吊裝過程中的安全將十分重要。

吊點設置常取決于構件重量和形狀，為了計算方便，吊點不宜太多，否則吊點（鋼絲繩）受力計算將變得非常困難。而大體積鋼結構因吊裝過程中自身結構穩定性的需要，吊點位置和數量不完全由人控制，更多地取決于結構自身。因此吊點的設置及其受力計算變得十分重要。

1.3 吊裝單元及安裝順序確定

根據施工場地現狀和工期要求，綜合考慮施工質量、安全和成本因素，經過多次討論和對比分析，確定了吊裝單元和主吊設備。

將屋面鋼結構劃分為AE～AA（含次桁架）、AB、AC、AD～AF（含次桁架）4個主要吊裝單元。在游泳館西北側、東北側地面上將AE～AA、AD～AF區塊桁架組裝焊接成一體，主桁架AB、AC 及其他次桁架在游泳館南側組裝焊接。

履帶吊分別站位于游泳館西南側、東南側將AE～AA、AD～AF 區塊桁架吊裝就位，履帶吊站位于游泳館南側將主桁架AB、AC 吊裝就位，屋面中心區域的次桁架采用履帶吊吊裝，周邊次桁架采用汽車吊吊裝。

安裝順序如下：AE～AA 桁架區塊安裝→AA 與AB之間次桁架安裝→AB 桁架安裝→AB 與AC 之間次桁架安裝→AC 桁架安裝→AC 與AD 之間次桁架安裝→AD～AF區塊桁架安裝。

1.4 大體積鋼結構吊點布置

吊點布置前，應精確求出該大體積鋼結構的重心位置。由于AE～AA、AD～AF 區塊桁架重86.6 t，桿件多達664根，平面投影封閉面積約為1 018 m2，桁架矢高約3.3 m，體積約為3 360 m3，且空間結構復雜。因此先采用Tekla structures 軟件建立實體模型，然后利用塊單元三維實體模型，測量出其重心[3]。AE～AA區塊鋼結構重心位置如圖2 所示。吊點宜對稱布置于鋼結構自身的對稱軸線，且須滿足結構自身穩定性需要，同時應方便吊點受力計算。根據以上吊點設置原則，在鋼結構上初步選定8個吊點，如圖2所示。

圖2 AE～AA區塊鋼結構吊點布置

2 結構計算

在3D3S 軟件中建立AE～AA 區塊鋼結構計算模型，利用已求出的重心點作出豎直線，在該豎直線上距鋼結構上表面15 000 mm位置設置鉸支座，鉸支座與8個吊點之間的構件為索具（鋼絲繩），索具的與水平面夾角不應小于45°，鉸支座位置其實就是起重機械的吊鉤位置。

吊裝過程的結構計算采用一般的線性分析。由于吊裝階段鋼結構自身重量和吊裝所需的施工平臺等重量均不會發生變化，因此可采用1.0×恒荷載+1.0×活荷載的工況組合。

通過3D3S軟件分析計算可知，結構能夠滿足承載力要求，所有桿件中應力比最大值為0.24。鋼結構吊裝時桿件總體應力比分布如圖3所示。

圖3 應力比分布

同時由圖4～6 可知，桿件X向最大位移為12.2 mm，Y向最大位移為3.1 mm，Z向最大位移為30.4 mm。位移較大的桿件均處于吊點以外區域（懸挑區域），其位移值均小于L/500，符合相關規范要求。

圖4 Ux位移（mm）

圖5 Uy位移（mm）

圖6 Uz位移（mm）

3 鋼絲繩受力計算

鋼結構設置8 個吊點，對稱布置于鋼結構自身的對稱軸線，吊鉤距構件上表面距離為15 000 mm，鋼絲繩吊裝模型如圖7所示。為方便鋼絲繩受力計算，吊點1與吊點2 采用同一根鋼絲繩的兩端捆綁，鋼絲繩中部掛設在吊鉤上。同理，采用同一根鋼絲繩的兩端捆綁吊點3與吊點4、吊點5與吊點6、吊點7與吊點8。由于同一鋼絲繩拴住2 個吊點（如吊點1 與吊點2），鋼絲繩中部掛設在吊鉤上，因此可以將吊鉤視為定滑輪，只要鋼絲繩與吊鉤之間潤滑良好，吊鉤兩側的鋼絲繩受力近似相等。由前述可知，雖然鋼結構設置了8 個吊點，但只需求出4 個未知量。即便如此，仍需將鋼絲繩受力模型進行簡化，否則無法計算出鋼絲繩受力。由于吊點1～4 位于同一直線上，因此可視為將其組合后位于軸線A-A與C-C相交點的虛擬吊點14，同理可將吊點5～8 視為其組合后位于軸線A-A與B-B相交點的虛擬吊點58。

圖7 鋼絲繩吊裝模型

由于虛擬吊點14、58 和構件重心位于同一平面，其相互之間尺寸也可知，因此依據力的合成與分解原理分別求出虛擬吊點14、58的受力F14和F58（圖8）。

圖8 鋼絲繩受力簡化模型

鋼結構重86.6 t，施工平臺等重量按1.5 t計，合計重量為88.1 t，折算成重力值為863.4 kN。采用上述方法，求出F14=407.7 kN，F58=498.1 kN。

如圖9所示，吊點1～4的鋼絲繩合力為F14，由于吊點1、吊點2共用同一根鋼絲繩，受力大小相等，同理吊點3、吊點4 的鋼絲繩受力大小也相等，因此根據圖9 所示尺寸可計算出F1=F2=F3=F4=115.71 kN。同理可求出F5=F6=F7=F8=142.0 kN。

圖9 C-C軸吊點受力分解模型

圖10 大體積鋼結構吊裝

4 吊裝節點加固

鋼結構吊裝時，由于鋼絲繩拴在上弦鋼管上，其對該鋼管下半圈產生擠壓作用，因此容易造成鋼絲繩兩側的鋼管部位發生局部屈服現象。為分散鋼絲繩兩側鋼管的內應力，在該鋼管下半圈位置外襯一塊弧形加強板（如厚度12 mm，寬度120 mm），點焊在鋼管上，加強板內弧度與鋼管相吻合，寬度對稱于鋼絲繩布置[4]。

5 實施效果

在該大體積鋼結構吊裝方案設計階段，通過合理布置吊點，經理論分析計算，確保吊裝過程中的鋼結構內力和變形符合規范要求。同時采用虛擬吊點方法，較精確地計算出鋼絲繩的受力，并對鋼絲繩捆綁部位進行局部加固。吊裝實施階段，采用一臺400 t履帶吊完成該鋼結構安裝（圖10），考慮到大體積鋼結構迎風面積較大，吊裝對風荷載很敏感，履帶吊負荷控制在其額定荷載的75%以內。吊裝過程中對桿件應力和變形進行了監測，檢測結果符合相關規范要求，吊裝過程的安全得到了有效保證。

6 結束語

在編制大體積鋼結構吊裝方案時，應采用鋼結構分析軟件對吊裝過程中的鋼結構自身應力和變形等進行了計算。通過合理布置吊點，采用虛擬吊點方法，較精確地計算出鋼絲繩的受力，并根據計算結果對吊裝節點進行加固。如具備條件，可對吊裝細部節點進行有限元分析，確保吊裝節點的安全。考慮到大體積鋼結構吊裝對風荷載很敏感，選擇吊機型號和作業參數時，應預留一定的安全裕度。從而在技術方面規避了大體積鋼結構吊裝過程中的安全風險，確保吊裝過程的順利進行。

對于大體積鋼結構而言，不同的吊裝方案對鋼結構自身內力和變形影響比較大，給構件的加工和安裝帶來了一定的難度。為了保證施工的順利進行以及吊裝時結構的受力狀態滿足設計要求，選擇一個合理、經濟的施工方案非常關鍵[5]，本文的吊裝關鍵技術對于大跨度鋼結構的單機吊裝具有一定的借鑒意義。