大跨度異形空間鋼桁架安全吊裝施工技術

張濤

（中鐵建重慶投資集團有限公司，重慶 400700）

0 引言

近年來隨著城市綜合體、產業園區在各個城市大范圍出現，大跨度鋼結構建筑因形式多樣、施工方便、功能強大等突出優勢而具有強大的生命力[1]。空間鋼桁架作為連接不同建筑間的通道，由于自重小、美觀、造價低等優勢，在展覽館、體育館、大型商場、工業園區等建筑中應用越來越廣泛[2-6]。然而，大跨度空間桁架式鋼結構連廊作為一種創新性的空間連接布局，雖然設計新穎，但在實際建設過程中也會遇到諸多建筑技術難題[7]，如何選擇合理的安裝方法和制定合理的施工工藝成為工程成敗的關鍵。由于大跨度空間桁架式鋼結構具有施工難度大、整體施工工序復雜、危險性大等特點，所以必須保證施工方案、施工技術、安裝精度等重要環節的合理性和科學性。對于大跨度空間鋼桁架的吊裝方案，目前主要有滑移施工[8-9]、整體安裝[10]、高空拼裝[11-12]等。本文結合具體工程項目情況，研究了大跨度異形空間鋼桁架結構安裝方案的比選，詳細介紹了大跨度異形空間鋼結構桁架分段吊裝的施工工藝，致力于深入分析施工技術，為業內人士提供一定借鑒和思路。

1 工程概況

該工程為重慶市傳感器特色產業基地暨西部(重慶)科學城北碚園區，項目以MZ3路為界分B、C兩個功能區域，B區為標準化廠房、C區為研發孵化樓。鋼結構桁架橫跨MZ3路，位于B5#樓與C1#樓之間，連接屋面位于樓面標高35.4 m處，有效地將兩地塊建筑群連為一體，同時形成園區“大門”。鋼桁架結構形式采用空間網格結構，總重為297.16 t，跨度為81.92 m，高4.33 m，兩端寬16.7 m，中間寬8.0 m，其中南側立面為曲面結構。

鋼桁架所有構件均采用Q355B鋼，上、下弦桿、腹桿均采用圓鋼管，弦桿截面尺寸有D325×20 mm、D159×12 mm、D140×10 mm，腹桿截面尺寸有D300×20 mm、D159×20 mm、D159×12 mm。主結構弦桿與腹桿連接點的相貫焊縫均采用全焊透焊縫。鋼桁架與主體結構采用柔性連接方式，連接支座采用成品支座。工程完成安裝后效果見圖1。

圖1 項目實施后效果圖

2 吊裝方案比選

2.1 影響吊裝方案選擇的主要因素

為保證施工的安全和質量，針對該工程鋼桁架跨度大、單體構件較重、高度高等特點，在施工方案比選階段提出了整體吊裝、三段吊裝和四段吊裝三種吊裝施工方案。重點分析對比了三種吊裝方案在提升過程中結構的受力和變形特點，最后綜合考慮桁架的運輸、場地條件、高空焊接工作量等因素，選擇適合該工程的最佳吊裝方案。

由于空間桁架為異形結構，重心在平面上不對稱，為了保證起吊過程空間桁架受力均勻及姿態平穩，首先采用有限元軟件計算出每節吊裝段的重心在平面上的位置，然后以該重心為圓心，以合適的半徑畫圓，半徑大小需根據吊車的起吊高度以及鋼絲繩與水平的夾角θ確定，θ宜控制在45°～60°，沿著水平和豎直方向找到距離圓最近的節點作為吊裝點。為了減少起吊高度和保證鋼絲繩與水平夾角θ在控制要求范圍內，將吊裝點全部設置在桁架下弦節點。

2.2 吊裝方案比選分析

2.2.1 整體吊裝

整體吊裝法是將桁架構件在工廠分段加工及試拼完成，分段運達，在現場完成拼裝及結構的焊接施工；設置整體提升吊點，開始整體吊裝至提升位置，進行桁架與主結構的連接工作，完成桁架施工。吊點設置如圖2所示，1和2、3和4、4和5、6和7吊點分別用一臺汽車吊設置兩根鋼絲繩，起吊汽車布置在一側；8和9、10和11、11和12、13和14吊點分別用一臺汽車吊設置兩根鋼絲繩，起吊汽車布置在相對一側。同時用8臺汽車吊，吊起總重為297.16 t的桁架。整體吊裝法在起吊過程中桿件最大應力比為0.27，整體應力比較低，結構安全；最大變形2.65 mm，發生在桁架兩端，滿足規范要求。此方案優點：整體吊裝一定程度減少了吊裝工作量，縮短了鋼桁架施工周期；同時，整體吊裝法高空拼接和焊接工作量少，可以降低安全風險。此方案缺點：整體吊裝需要大功率吊裝設備和足夠的現場施工作業面，對場地條件要求高；8臺吊車同時抬吊作業指揮及控制難度大、風險高。經驗算，MZ3路承載力、沉降變形不能滿足要求；同時路面寬度不足，兩側管廊區域無法承力，吊車難以布設。故整體吊裝方案不可行。

圖2 整體吊裝吊點布置及應力、變形分析圖

2.2.2 三段吊裝

三段吊裝法是將桁架構件在工廠分段加工及試拼完成，編號并分段運達。現場設置兩處臨時鋼支撐，將鋼桁架分三段按照順序吊裝至指定位置后完成拼接處焊接工作以及桁架與主結構的連接，進行胎架卸載，完成桁架鋼結構施工。吊點布置如圖3所示，對于第一段，1和2、8和9吊點分別用一臺汽車吊設置兩根鋼絲繩，2臺起吊汽車分別布置在相對兩側。對于第三段，6和7、13和14吊點分別用一臺汽車吊設置兩根鋼絲繩，2臺起吊汽車分別布置在相對兩側。對于第二段，3和4、4和5吊點分別用一臺汽車吊設置兩根鋼絲繩，2臺起吊汽車布置在北面的同一側；10和11、11和12吊點分別用一臺汽車吊設置兩根鋼絲繩，2臺起吊汽車布置在南面的同一側。起吊過程中桿件最大應力比為0.24，發生在桁架跨中的腹桿處，整體應力比較低，結構安全；在起吊過程中的最大變形為7.87 mm，發生在第二段桁架的兩端部，整體變形滿足規范要求。此方案的特點是：雖然高空焊接工作量相對于方案一有所提高，且需要設置臨時支撐，但分三段吊裝的單次吊裝自重輕，對吊裝設備和場地要求低，且有利于鋼桁架的運輸；吊裝危險性較低；可實施性較高，吊車數量少，經濟性較好。

圖3 三段吊裝吊點布置及應力、變形分析圖

2.2.3 四段吊裝

四段吊裝方案如圖4所示。對于第一段，1和2、9和10吊點分別用一臺汽車吊設置兩根鋼絲繩，2臺起吊汽車分別布置在相對兩側；對于第二段，3和4、11和12吊點分別用一臺汽車吊設置兩根鋼絲繩，2臺起吊汽車分別布置在相對兩側；對于第三段，5和6、13和14吊點分別用一臺汽車吊設置兩根鋼絲繩，2臺起吊汽車分別布置在相對兩側；對于第四段，7和8、15和16吊點分別用一臺汽車吊設置兩根鋼絲繩，2臺起吊汽車分別布置在相對兩側。在起吊過程中桿件最大應力比為0.24，發生在第一、二段桁架左端的腹桿處，整體應力比較低，結構安全。在起吊過程中的最大變形為7.09 mm，發生在第一段桁架的右端，整體變形滿足規范要求。相比于分三段的吊裝方法，四段吊裝法起吊重量更小、更容易更安全，但需要進行多次吊裝和焊接，需要更多的勞動力投入，會增加施工成本，施工周期較長；同時，需要在地面設置多個臨時支撐，對施工通道影響較大；而且拼接位置處于受力較大的跨中，對結構影響不利。

圖4 四段吊裝吊點布置及應力、變形分析圖

2.3 吊裝方案比選結果

綜合上述分析，三種吊裝方法在吊裝過程中結構的受力和變形都能滿足要求，因此吊裝方案選擇主要考慮現場施工條件、臨時設施設置、高空焊接量等因素。方案一雖然不需要設置臨時支撐，同時也不需要進行高空焊接，但整體起吊重量大，需要同時工作的吊車臺數多，而現場施工場地條件有限，難以同時布置多臺吊車。方案三雖然起吊重量均勻，但拼接位置設在了受力最大的跨中位置，且臨時支撐設置較多，高空焊接量也大。方案二雖然第二段起吊重量大，但現場有條件布置汽車吊和臨時支撐，且拼接位置在受力較小的位置，高空焊接量也相對較少。因此，針對整體吊裝法受現場施工條件限制以及四段吊裝法對結構使用階段受力的不利影響，分三段的分段吊裝法最為合適。分三段吊裝的方案既能滿足安全的要求，又能滿足結構受力、變形和場地條件要求，可實施性最高，且較為經濟。

3 吊裝方案實施

3.1 吊裝準備工作

3.1.1 鋼桁架拼裝

為確保吊裝過程安全可控，通過結構重量分析及現場吊裝構件作業半徑情況將桁架分為三段，如圖3所示。為了避免在桁架拼接處形成薄弱截面，三段斷開處不得為上下齊口，就位后桁架焊接不得出現上下通縫。分段要求為：桁架上弦主桿比下弦主桿短0.3 m，同一平面相鄰主弦桿長度錯開0.3 m，各段尺寸如表1所示。

表1 鋼結構吊裝構件明細表

各段在加工廠做成半成品，運至現場二次拼裝成整體。拼裝平臺基礎采用50 mm×2000 mm×12000 mm鋼板平鋪在地面，經過計算承載力滿足拼裝重量。拼裝臺架采用工字鋼焊接固定在基礎上，防止移動，臺架拼裝完成后用水平儀抄平。在拼裝臺架上將桁架整體拼裝完成后，檢查桁架的整體性。

3.1.2 臨時支撐

鋼桁架下設置兩個臨時支架支撐。臨時支架在現場加工、拼裝好后安裝。支架主體高34.24 m（不含基礎部分），四角采用?630 mm×10 mm螺旋鋼管，兩頭焊接法蘭盤，做成6 m標準節，采用高強螺栓連接，螺旋管與法蘭盤加肋焊接；螺旋管之間用10槽鋼、?200 mm鋼管連接加固，拼裝時保證每節的垂直度，螺栓不得偏位。

為保證臨時支架穩定，每個支架均配備兩條纜風繩（纜風繩直徑?25 mm）。支架頂部承重梁采用800 mm×300 mm×14 mm×25 mmH型鋼，分配梁采用500 mm×200 mm×8 mm×12 mmH型鋼，H型鋼全部滿焊接，保證安全牢固。承重梁頂焊接3個沙箱，沙箱采用?600 mm、高450 mm的鋼筒，行程為120 mm。吊裝第二段時，為防止構件接口處對應不平整，將3臺50 t螺旋千斤頂吊至臨時支架平臺上，配合沙箱使用，保證焊接質量。

臨時支撐基礎為筏板基礎，呈“E”字形，鋼筋混凝土結構，截面尺寸為3 m×0.5 m，并借助下部人行天橋樁基礎，鋼筋綁扎時將鋼筋植于天橋樁基礎一側，使兩基礎形成整體。筏板基礎采用C30混凝土，雙層雙向鋼筋網片，鋼筋型號為?16 mm螺紋鋼，間距@200 mm，箍筋為?12 mm螺紋鋼，間距@200 mm。基礎內預埋地腳螺栓，螺栓桿為16根?20螺紋鋼，并綁扎在鋼筋網片上，間距與螺旋管鋼支柱相對應，澆筑混凝土時此部位振搗密實。

3.1.3 臨時支撐基礎驗算

鋼桁架自重第一段重81.9 t，第二段重149 t，臨時支架重59 t。則臨時支撐基礎最大反力可按下式計算：

N=81.9/2+149/2+59=174.45 t=1744.5 kN

根據《建筑地基基礎設計規范》GB50007—2011要求，基礎底面的壓力，應符合下式要求：

式中：Pk——相應于荷載效應標準組合時，基礎底面處的平均壓力值；fa——修正后的地基承載力特征值，取250 kN/m2。

式中：Fk——相應于荷載效應標準組合時，上部結構傳至基礎頂面的豎向力值，以最大數值1744.5 kN計算；A為基礎底面面積。

滿足要求。

3.1.4 吊裝設備驗算

根據現場吊裝情況、鋼結構桁架重量以及吊裝提升高度將第一段、第二段、第三段鋼結構吊裝半徑選取最大為21 m，起重高度為35.4 m，仰角為79°，單臺汽車吊起吊荷載分別為81.9/2=40.95 t、149/4=37.25 t、66.26/2=33.13 t，單臺汽車吊最大起吊重量為40.95 t。采用SCA6000型汽車吊為主吊車，選主臂長61.8 m，載荷率80%以下，額定起重量為70 t，對其進行驗算，結果如下：

起重吊裝荷載：QK=[40.95+0.2(鋼絲繩)]×1.1(安全系數)=45.265 t；

起重機額定起重能力(t)：QK=45.265t≤[QK]=70 t；

負載率：45.265/70×100%=64.5%，滿足要求。

現場吊車作業位置處理完畢且具備吊裝條件后，安排大型吊車進場；提前確認吊車站位，道路封閉準備完畢；汽車吊在作業位置進行組裝，架設配重塊；清除吊車作業區域障礙，確認吊車作業區域地下無暗溝管道，保證順利安全作業。

3.2 桁架吊裝施工

3.2.1 安裝流程

桁架安裝程序為：臨時支架安裝→支架上操作平臺架設→現場拼裝→地面焊接→檢查起拱度并保存起拱數據→超聲波檢驗→合格后準備吊裝→600 t吊車進場→吊車就位檢測→吊裝就位后固定→空中焊接→超聲波檢測→合格后補漆→拆除臨時支架→吊車退場→清理現場。主要工藝流程如圖5所示。

圖5 安裝工藝流程

3.2.2 吊裝施工吊裝時為確保吊裝的穩定性，第一段、第三段選用2臺吊車，第二段選用4臺吊車對稱起吊，吊車平面布置如圖6所示。吊裝順序按照圖7中第一段→第三段→第二段的順序進行。

圖6 吊車平面布置

圖7 吊裝順序示意圖

以第一段吊裝為例，每段吊裝主要分為三個步驟：（1）吊裝前準備工作就緒后，先進行試吊，檢查各項設備性能及穩定性和安全性之后方可繼續緩慢上升（圖8a）；（2）上升超過臨時支架頂3 m，1號吊車起鉤同時趴桿，2號吊車回鉤同時仰桿，兩臺吊車同時配合起回，緩慢變幅將構件移至設計的中心軸線位置（圖8b）；（3）待異形桁架達到安裝指定位置中心之后將其緩慢放下，為了保證構件側向穩定性，在吊裝過程中采用人工牽引纜繩作為輔助手段（圖8c）。

圖8 構件吊裝步驟示意圖

吊裝就位后，鋼桁架結構分塊采用焊接連接。施焊時先焊主弦桿、后焊垂直桿，再焊斜腹桿。對收縮量大的部位先焊，主弦桿焊接安排4名焊工在網架的兩側對稱焊接；平面上從中部對稱地向四周擴展。支座處焊接時，要求支座處的支承加勁板與底板及下弦桿內加勁板與上翼緣板均頂緊。焊接過程中平衡加熱量，并采取錘擊、預熱等有效方法以減少焊接變形和焊接應力。待鋼桁架焊接完成后，按照規范要求對鋼桁架焊縫進行驗收，保證滿足規范要求。最后對焊縫部位補漆、拆除臨時支撐，吊裝施工完成。

4 質量與安全保障措施

施工前制定專項方案，組織專家論證并按程序審批；做好相關的安全技術交底工作，向管理及班組人員詳細講解施工過程的注意事項和準備工作、安全防護措施。同時成立吊裝指揮小組，負責整個過程的指揮工作。認真檢查所有工具和設備，保證施工器械的穩定性和安全性，防止發生施工意外。施工前對施工作業環境進行檢查，保證場地承壓能力達到要求，驗算臨時支架穩定性和承載能力以及鋼絲繩、卸扣等構件承載力。起吊前劃定作業及警戒區域、專人值守，對構件認真檢查，檢查吊運過程有無障礙物、查看吊點是否正確可靠等。吊運過程的每個環節，都應有人監護，保證起吊過程同步平穩，發現異常及時匯報并停止吊運，處理好后方可繼續。

5 結語

結合整體吊裝法和分段吊裝法的優缺點，考慮場地條件的限制以及鋼桁架構件的運輸和施工質量，項目吊裝分三段完成，并基于該項目詳細介紹了三段吊裝法的施工工藝。相比于整體吊裝法，分段吊裝法可選用小型吊裝設備，吊車可充分發揮其功率，更加經濟安全；同時，分段吊裝施工空間小，大大降低了鋼桁架施工工作對下一工序作業環境的影響。該工程對大跨度異形鋼結構桁架吊裝方案的探討和嘗試，為相關復雜工程的吊裝方案提供了一定的借鑒。