基于大跨度雙坡梯形鋼屋架整體吊裝施工技術★

楊大勇，馬 超，吳金池

(湖北工建集團第三建筑工程有限公司,湖北 武漢 430000)

近年來,我國鋼結構在大跨度單層工業廠房中的應用受到了世界各國的矚目,在今后相當長一段時間內,我國大跨度鋼結構單層工業廠房將持續保持著快速增長的趨勢。在單層工業廠房中,我們通常把屋蓋結構中的橫向桁架式構件稱為屋架。單層工業廠房普通鋼屋架的外形通常有三角形、梯形、人字形,而屋架的坡向可分為單坡與雙坡。對于跨度不小于42 m的大跨度屋架,通常采用雙坡梯形鋼屋架[1]。

隨著施工技術的發展,越來越多的大跨度雙坡梯形鋼屋架開始采用吊裝安裝的施工方法,包括分段吊裝[2-4]和整體吊裝[5-7]等。其中分段吊裝一般是先將大跨度雙坡梯形鋼屋架分段制作后運至現場,起吊前在現場搭設滿堂腳手架,再采用單臺吊車將分段的鋼屋架吊裝至高空后由工人在高空腳手架上將分段鋼屋架拼裝為整體。而整體吊裝一般是先在現場地面上將分段制作的大跨度雙坡梯形鋼屋架拼裝為整體,起吊前根據經驗在鋼屋架上選取多臺吊車的吊點,再采用多臺吊車將鋼屋架整體吊裝,在起吊過程中通過人工目測鋼屋架的空中姿態,同時由人工指揮多臺吊車司機進而控制多臺吊車的起吊速度及同步性[8-11]。

然而,現有大跨度雙坡梯形鋼屋架吊裝施工方法存在以下缺陷:1)對于分段吊裝,一方面由于需要搭設滿堂腳手架,這將大大增加施工工作量,延長施工工期并增加成本,另一方面需要施工人員在高空腳手架上完成拼裝,這將增加施工人員高空作業的工作量,從而增大施工人員的安全風險;2)對于整體吊裝,一方面是根據經驗選取多臺吊車的吊點,吊點的選取未經過技術人員計算,存在吊點設置不合理進而導致鋼屋架在起吊過程中發生變形或傾覆等安全風險,另一方面是通過人工目測鋼屋架的空中姿態,無法及時準確判斷鋼屋架的空中姿態,無法及時識別多臺吊車整體吊裝中的協調性異常,進而無法及時提出預警[12-15]。

為解決上述問題,以隨州新能源項目的石墨化車間為例,介紹通過優化設計吊點的位置,采用雙目識別技術監測鋼屋架兩臺吊車整體吊裝中的協同異常并及時提出預警,有效控制兩臺吊車整體吊裝的同步性,可以達到使鋼屋架整體吊裝過程施工便捷、節約工期、降低成本、安全可靠的目的,為大跨度雙坡梯形鋼屋架整體吊裝提供了一些施工經驗。

1 工程概況

隨州新能源項目是隨州高新區加速搶占新能源材料行業制高點的招商引資重點項目,總投資約30億元,該項目采用行業領先生產工藝,主要從事鋰電池負極材料生產。該項目位于湖北省隨州市曾都區淅河鎮余家畈白云大道以西,隨城山大道以南。該項目包括石墨化車間、高溫碳化車間、低溫碳化車間、前驅體車間等多個大跨度鋼結構廠房,項目鳥瞰圖見圖1。其中石墨化車間為單層兩跨的大跨度鋼結構廠房,建筑面積約20 000 m2,平面軸網尺寸為73 m×261 m,主廠房為排架結構(跨度52 m、高度33.1 m、柱距9 m、雙層吊車),附跨廠房為門式剛架(跨度21m、高度15.82 m、柱距9 m、單層吊車),屋蓋系統為大跨度雙坡梯形鋼屋架。大跨度雙坡梯形鋼屋架包括左端鋼屋架、中間鋼屋架、右端鋼屋架、連接腹桿,其結構示意圖見圖2—圖5(圖2—圖5中:1—左端鋼屋架,11—左端上弦,12—左端下弦,13—左端腹桿,14—左端節點板,15—左端底座,16—左端上弦端板,17—左端下弦端板,2—中間鋼屋架,21—中間上弦,22—中間下弦,23—中間腹桿,24—中間節點板,25—中間上弦拼接板,26—中間下弦拼接板,3—右端鋼屋架,31—右端上弦,32—右端下弦,33—右端腹桿,34—右端節點板,35—右端底座,36—右端上弦端板,37—右端下弦端板,4—連接腹桿,5—靶標,6—鋼柱,61—鋼柱底座,62—鋼柱上弦連接翼緣,63—鋼柱下弦連接翼緣,7—鋼絲繩,8—吊鉤。

2 新技術的基本原理及特點

本項目施工面積大、工期緊、鋼屋架整體吊裝技術難度大、安全風險高。針對現有技術中鋼屋架吊裝施工工作量大、安全隱患大的問題,本項目提出了一種基于雙目視覺的大跨度雙坡梯形鋼屋架整體吊裝的新技術。

2.1 雙目視覺基本原理

動物雙眼獲取的信息通過神經傳輸至大腦,通過分析物體在兩眼眼底成像位置的不同,視神經系統便可以還原出準確的空間信息,判斷自身位置,完成復雜的動作。同一物體在兩眼眼底中呈現的位置差異就是視差,視差就包含了畫面的深度信息[16-19]。

在理想的簡化條件下,雙目視覺中深度的計算原理見圖6。兩臺相同型號的相機平行布置,相機的光軸互相平行。左相機光心OL與右相機光心OR的水平距離b為基準長度,點P為空間中的任意一點,點P在左右相機上的成像,像點分別是PL,PR。根據三角原理,存在以下關系:

即可推導出P與相機的深度距離:

其中,d為視差;f為相機的焦距;b為基線長度。

以求解目標深度為基礎,再利用相機獨立的空間投影關系,可以完整地重建物理的空間信息。

2.2 大跨度雙坡鋼屋架特點

大跨度雙坡梯形鋼屋架包括左端鋼屋架1個、中間鋼屋架1個、右端鋼屋架1個、連接腹桿2個等,它們各自的特點詳見以下介紹。

2.2.1 左端鋼屋架

左端鋼屋架包括左端上弦、左端下弦、左端腹桿、左端節點板、左端底座、左端上弦端板、左端下弦端板,先按圖紙要求在左端上弦、左端下弦上焊接若干左端節點板,再將若干左端腹桿依次焊接在左端節點板上,接著依次將左端底座、左端上弦端板安裝在左端上弦左端,最后將左端下弦端板安裝在左端下弦左側。

2.2.2 中間鋼屋架

中間鋼屋架包括中間上弦、中間下弦、中間腹桿、中間節點板、中間上弦拼接板、中間下弦拼接板,先按圖紙要求在中間上弦、中間下弦上焊接若干中間節點板,再將若干中間腹桿依次焊接在中間節點板上,接著將中間上弦拼接板安裝在中間上弦兩端,最后將中間下弦拼接板安裝在中間下弦兩側。

2.2.3 右端鋼屋架

右端鋼屋架包括右端上弦、右端下弦、右端腹桿、右端節點板、右端底座、右端上弦端板、右端下弦端板,先按圖紙要求在右端上弦、右端下弦上焊接若干右端節點板,再將若干右端腹桿依次焊接在右端節點板上,接著依次將右端底座、右端上弦端板安裝在右端上弦左端,最后將右端下弦端板安裝在右端下弦右側。

2.2.4 連接腹桿

連接腹桿用于連接左端鋼屋架與中間鋼屋架、右端鋼屋架與中間鋼屋架,其中左端上弦、左端下弦、左端腹桿、中間上弦、中間下弦、中間腹桿、右端上弦、右端下弦、右端腹桿、連接腹桿均由鋼材制作,其截面形式可為矩形管、圓管、工字鋼、槽鋼、角鋼等。

3 新技術的工藝流程及操作要點

3.1 工藝流程

構件加工制作及運至現場→鋼屋架現場地面拼裝→采用雙目識別技術實時監測兩臺吊車整體吊裝同步性→鋼屋架臨時固定→鋼屋架永久固定。

3.2 操作要點

1)構件加工制造及運至現場。

按圖紙要求在工廠依次加工制作左端鋼屋架、中間鋼屋架、右端鋼屋架、連接腹桿并運至施工現場。

2)鋼屋架現場地面拼裝。

a.拼裝前在施工現場制作一個鋼結構拼裝胎架平臺,用水準儀控制胎架平臺頂面標高一致。

b.將左端鋼屋架、中間鋼屋架、右端鋼屋架平臥放置于胎架平臺上,調整三者之間的位置,依次使左端上弦右側螺栓孔與中間上弦拼接板左側螺栓孔對齊、左端下弦右側螺栓孔與中間下弦拼接板左側螺栓孔對齊、右端上弦左側螺栓孔與中間上弦拼接板右側螺栓孔對齊、右端下弦左側螺栓孔與中間下弦拼接板右側螺栓孔對齊,采用高強螺栓將三者連接。

c.依次將兩根連接腹桿平臥放置于胎架平臺上,分別將其兩端與對應左端節點板、中間節點板、右端節點板焊接,使左端鋼屋架、中間鋼屋架、右端鋼屋架、連接腹桿形成一個穩定可靠的大跨度雙坡梯形鋼屋架。

d.在大跨度雙坡梯形鋼屋架的下弦沿長度方向的0,1/4,1/2,3/4,1處依次布設靶標,在施工現場合適位置布設兩個工業相機,使每個工業相機能拍攝鋼屋架起吊整個過程。

3)采用雙目識別技術實時監測兩臺吊車整體吊裝同步性。

a.吊裝前分別對兩臺吊車在鋼屋架上的吊點A與吊點D、吊點B與吊點E、吊點C與吊點F、吊點A與吊點C、吊點B與吊點D、吊點C與吊點E、吊點B與吊點C、吊點C與吊點D、吊點D與吊點E等多種吊點組合設置方案進行計算,確定最優吊點組合設置方案,其中吊點A,B,C,D,E,F應布設于左端上弦、中間上弦、右端上弦與左端腹桿、中間腹桿、右端腹桿、連接腹桿的交叉位置。

b.將兩臺吊車鋼絲繩對準上面已確定的四個最優吊點后同步起吊鋼屋架至將其抬離胎架平臺,同時將鋼屋架扶直后再同步起升鋼屋架至離地面1 m后,停止起升,靜置10 min,在此過程中采用已布設的兩個工業相機對上面布設靶標進行圖像采集,利用視差進行空間計算和轉換,從而得到鋼屋架上的靶標的空間信息,及時識別判斷鋼屋架整體吊裝中的同步性差異并向吊車司機提出預警。

c.如無異常,同步降落鋼屋架至離地面0.5 m后,再次同步起升鋼屋架至離地面1 m后,再次停止起升,靜置10 min,在此過程中同上采用已布設的兩個工業相機監測鋼屋架整體吊裝中的同步性差異并及時向吊車司機提出預警。

d.如無異常,再次同步起升鋼屋架至左端底座和右端底座超過鋼柱底座0.5 m時停住,再用纜風繩微調旋轉鋼屋架使左端底座和右端底座對準鋼柱底座后同步降落就位,在此過程中同上采用已布設的兩個工業相機監測鋼屋架整體吊裝中的同步性差異并及時向吊車司機提出預警。

4)鋼屋架臨時固定。

待鋼屋架的左端底座和右端底座接觸鋼柱底座時同步停止降落,使用吊車配合撬棍和千斤頂等工具對鋼屋架的標高、軸線、垂直度進行校正后將左端底座和右端底座與鋼柱底座采用臨時螺栓固定,將左端上弦端板和右端上弦端板與鋼柱上弦連接翼緣、左端下弦端板和右端下弦端板與鋼柱下弦連接翼緣均采用點焊固定,同時松掉兩臺吊車的吊鉤。

5)鋼屋架永久固定。

安排專業焊工對鋼屋架與鋼柱連接處的點焊焊縫進行正式施焊,采用高強螺栓逐一替代臨時螺栓固定,即完成大跨度雙坡梯形鋼屋架的安裝。

4 結語

本技術提供的一種大跨度雙坡梯形鋼屋架整體吊裝的施工方法,它通過優化設計吊點的位置,采用雙目識別技術確定鋼屋架整體吊裝中的空間姿態,及時識別判斷鋼屋架整體吊裝中的協同異常并及時提出預警,有效控制兩臺吊車整體吊裝的同步性,可以達到使鋼屋架整體吊裝過程施工便捷、節約工期、降低成本、安全可靠的目的。

首先,本技術通過對大跨度雙坡梯形鋼屋架上吊點A,B,C,D,E,F組成的多種吊點組合設置方案,由技術人員根據兩臺吊車在起吊過程中因鋼屋架自重產生的內力或變形最小的原則經計算確定最優吊點組合設置方案,大大降低了因吊點設置不合理進而導致鋼屋架在起吊過程中發生變形或傾覆等安全風險,增加了鋼屋架整體吊裝過程的安全可靠度。

其次,本技術通過雙目識別技術,在施工現場合適位置布設兩個工業相機對大跨度雙坡梯形鋼屋架上布設的靶標進行圖像采集,利用視差進行空間計算和轉換,從而得到鋼屋架上的靶標的空間信息,及時識別判斷鋼屋架整體吊裝中的同步性差異并及時向吊車司機提出預警,該技術能及時識別兩臺吊車的同步性差異并及時提出預警,可以達到使鋼屋架整體吊裝過程施工便捷、安全可靠的目的。

最后,本技術通過在現場地面對大跨度雙坡梯形鋼屋架進行拼裝后再采用兩臺吊車整體吊裝,大大減少了施工人員在高空作業的工作量,且不需要再在現場搭設滿堂腳手架,這既可以節約工期、降低成本,又可以降低施工人員的安全風險。