大跨度屋面桁架整體提升施工技術*

王永生，羅 偉，夏 康，陸 路，王 賀

(中國建筑第二工程局有限公司華東公司，上海 200135)

0 引言

目前各類體育場館、博覽館、劇院、圖書館、主題公園等公共建筑均向大跨度方向發展，鋼結構因輕質高強特性在大跨度屋面體系中得到廣泛應用[1-2]。傳統鋼結構安裝方法是拼裝+焊接結合、交替進行，對于體量較小的結構易實現。而大跨度結構體系采用該方式會帶來很多弊端，既無法保證結構整體安裝質量，還額外增加過多施工工序，導致成本增加、工期延長且無形中增加安全隱患。北京環球影城主題公園黑暗騎乘單體建筑的屋面結構在鋼結構施工過程中采用整體提升方式，形成大跨度屋面桁架整體提升施工技術，有效解決屋面鋼結構施工質量、安全、進度等問題，具有良好的應用和推廣價值[3-4]。

1 工程概況

北京環球影城主題公園黑暗騎乘單體建筑為大跨度鋼結構桁架結構，長、短邊跨度分別為95，77m，分10榀桁架，每榀整體重82t。端部支撐立柱為格構式異形結構，單個立柱質量>26t，整個屋面桁架總用鋼量>3 500t，構件總數量>3 400件。因該單體結構組成構件數量多、單個最大構件質量大、屋面桁架結構形式統一等特點，采用整體提升方法比傳統鋼結構吊裝施工更具優勢。黑暗騎乘單體建筑模型如圖1所示。

圖1 黑暗騎乘單體模型

2 技術特點

1)采用分段施工、整體提升的方法，將屋面桁架結構分段進行加工制作、地面拼裝與焊接、整體提升，實現流水作業，有效縮短施工工期。

2)以端部支撐立柱作為提升支架基礎，在屋面桁架柱頂設置雙平衡提升器，在屋面桁架提升端外側設置獨立的后錨固基礎，并與提升器相連，始終保持整體提升過程中支撐立柱前后兩側受力平衡，有利于實現精準安裝，提升安裝質量[5]。雙平衡提升器與后錨固基礎模型如圖2所示。

圖2 雙平衡提升器與后錨固基礎模型

3)利用全站儀、水準儀及配套監測設備測量屋面桁架整體提升、卸載全過程控制點數據，實時調整有偏差的點位，保證所有接口完全對接，減少因安裝偏差造成的結構安全問題。

3 提升設備組成

黑暗騎乘單體建筑屋面桁架整體提升設備所用裝置包含雙平衡提升器、提升平臺、導向架、臨時吊具、后錨固基礎及配套用具等，主要構件特點與用途如下：①雙平衡提升器為液壓提升器，利用鋼絞線與屋面桁架連接并提升，具有較強的抗壓與承載能力；②提升平臺包括立柱、斜撐、提升梁、叉撐和水平加固桿，采用Q345B熱軋方鋼或型鋼進行熔透焊接，兼顧抵抗平面外彎曲和上部承壓的能力，此外還要增加L形實心板和專用錨環板輔助固定提升器，減少因荷載過大導致接觸面彎曲帶來的安全隱患；③導向架采用φ48mm×3.5mm圓管焊接成三角形支撐架，用于定向疏導提升器端部多余鋼絞線；④臨時吊具主要用于固定屋面桁架上、下吊點，吊具采用20mm厚鋼板焊接成柱狀，抵抗上部荷載；⑤后錨固基礎采用20mm厚鋼板進行焊接，底部四周利用φ25mm錨栓連接下部結構，中間可穿過鋼絞線與提升器相連，主要用于穩固提升器，控制支撐立柱平面內變形。屋面桁架整體提升如圖3所示。

圖3 屋面桁架整體提升示意

4 施工技術應用

4.1 施工工藝流程

大跨度屋面桁架整體提升施工工藝流程如下：測量放線與定位→固定支撐立柱柱腳錨栓→吊裝支撐立柱外框架構件→地面拼裝屋面桁架分單元→提升設備就位安裝→屋面桁架整體提升→連接構件安裝與提升設備拆除。

4.2 施工操作要點

4.2.1測量放線與支撐立柱柱腳錨栓固定

樁頂承臺施工時，根據結構設計圖紙測量山墻部位的鋼柱及支撐鋼立柱位置并放線，做好標記進行準確定位。支撐立柱柱腳錨栓位置依據基準點進行測量、定位，再通過全站儀進行復測，確保偏差在安裝允許范圍內，待鎖定錨栓、混凝土澆筑完畢且強度達標后，還需要再次復核錨栓偏差，保證每根立柱安裝位置準確。

4.2.2支撐立柱外框架構件吊裝

為減少安裝誤差，采用由中間向兩側的順序依次吊裝與安裝支撐立柱外框架構件，同步安裝桁架柱間的桿件，充分保證立柱側向穩定(見圖4)。在吊裝立柱框架前，覆蓋范圍內的基礎混凝土至少完成澆筑14d，且混凝土強度>80%的設計強度，否則容易因基礎承載力不足影響上部結構安全。

圖4 支撐立柱外框架吊裝

4.2.3屋面桁架分單元地面拼裝

支撐立柱外框架安裝時，結合流水施工作業，同時在內部地面拼裝屋面桁架結構，分別設置平面胎架和立面胎架，分段組織施工。桁架結構立面四周均預留施工通道及機電設備安裝洞口，便于后期安裝嵌補段構件。由于山墻構件對屋面桁架提升基礎無承載力要求，支撐立柱間的山墻構件安裝也可與地面拼裝工作同步進行。

4.2.4提升設備就位安裝

待提升屋面桁架在地面拼裝完成后，組織安裝提升設備，安裝輔助裝置的順序依次為后錨固基礎、提升平臺、雙平衡提升器、導向架、臨時吊具等，其中外側提升器穿鋼絞線與后錨固基礎預緊，內側提升器穿鋼絞線與桁架吊點、臨時吊具連接。

4.2.5屋面桁架整體提升

屋面桁架正式提升前，需要再復核桁架整體拼裝與焊接質量，檢查支撐立柱及提升設備安裝完備情況，確保所有提升前置條件均滿足要求。由于屋面桁架整體較重，綜合考慮吊運機械和提升設備的負荷能力，同時保證整體提升效率和效果，采用分段提升方式，共分3段，按照先中間后兩側順序，在每榀桁架兩端布置吊點，如圖5所示。

圖5 屋面桁架吊點布置

第1段桁架單元整體提升時，先調試液壓提升系統，將提升單元整體提升150mm，停止提升并靜置6h以上，期間間隔30min檢查提升單元及同步提升臨時加固桿件，無異常后將提升單元整體提升到位(見圖6)。加載與提升過程如下：①調試完成后先張拉鋼絞線，確保所有鋼絞線受力均勻；②加載過程按照設計荷載的20%進行分級加載，達到80%后按5%逐級遞增，直至屋面桁架單元離開內部拼裝平臺面；③桁架單元暫停提升期間，需檢查并微調提升單元各吊點的標高，使其處于同一水平位置；④再次提升至接近安裝標高時暫停提升，利用提升系統控制器進行微調，保證吊點均達到設計位置，最后提升單元與上部結構預裝段對接成整體。待第1段屋面桁架提升完成后，重復以上流程及要求依次完成第2，3段桁架單元的提升與安裝工作。

圖6 單榀桁架整體提升完成

4.2.6連接構件安裝與提升設備拆除

連接構件包括每段桁架單元的斜腹桿、次桿及桁架間的水平連系桿件等，每榀桁架提升完成后，需要焊接上下弦桿與斜腹桿及次桿，當提升所有桁架單元時，還需固定安裝和焊接桁架間的水平連系桿件(見圖7)。完成以上工作后應及時割掉屋面桁架吊點附近的臨時加固桿件，分級卸載提升器，并逐步拆除提升設備中的輔助裝置。

圖7 屋面桁架間水平連系桿件安裝

5 位移監測與控制

北京環球影城主題公園業主對黑暗騎乘單體建筑安裝精度要求極高，整個屋面桁架豎向撓度控制在10mm內，因此在桁架地面拼裝與整體提升過程中，均需監測結構桿件位移，應調整偏差超限的桿件，保證桁架整體下撓與側向位移均在指標范圍內。

由于桁架整體質量較大，在重力影響下，各桿件拼裝完成后出現結構下撓現象，不利于整個屋面結構安全。為避免整個屋面桁架下撓超限，在桁架各組成桿件拼裝時進行反向起拱。具體做法如下：①引入場外基準點，利用全站儀、水準儀及配套測量設備布置平面控制網，保證每榀桁架兩端控制點定位準確；②根據前期計算模擬獲得的桁架結構自由狀態下的下撓數值，定制專用拼裝胎架，通過觀測桁架端部控制點與拼裝胎架相對側向位移進行調整(見圖8)；③當控制點側向位移超限時，采用臨時支撐桿件或千斤頂對桁架結構主要桿件施加反向應力實現局部調整，且必須在桁架結構焊接或螺栓固定完成前進行。

圖8 專用拼裝胎架

屋面桁架整體提升過程中，容易出現因提升器加載不統一、提升點位偏差等原因影響提升效果，造成桁架接口偏位，影響結構使用安全。為此，在每榀桁架兩側端部及中間下弦桿與立桿交接位置布置監測點(見圖9)，利用全站儀監測各點位移，并根據偏差情況進行實時調整。

圖9 屋面桁架提升過程監測點布置

在雙平衡提升器加載過程中，每級加載后30min內均需重復測量與記錄監測點數據，一旦出現監測點位移偏差數據異常，應分析原因并及時調整加載控制系統，控制加載速度和頻率。另外，還需復核桁架接口位置，保證接口無偏位，必要時在提升前完成接口對接設置，確保提升完成后屋面桁架與支撐立柱接口一次對接到位。

6 結語

北京環球影城主題公園黑暗騎乘單體建筑大跨度屋面桁架采用整體提升施工技術進行提升與安裝，利用雙平衡提升器、后錨固基礎、臨時吊具等輔助裝置進行提升作業，借助全站儀等設備進行桁架結構拼裝與提升全過程監測，有效保證屋面桁架提升質量和安裝精度，大大提高屋面桁架結構的安全使用性能。通過應用該技術可實現流水穿插施工，有效減少鋼構件高空焊接作業量，在減少安全隱患的同時還能顯著節約施工成本，縮短工期，可以在同類工程中進行推廣應用。