大跨度重型钢桁架分段吊装施工技术

熊文辉,马建,彭晶,杜振东,陈壮

武汉建工集团股份有限公司  湖北武汉  43000

摘要：文章通过总结武汉国博会展功能完善提升工程屋顶三榀大跨度重型钢桁架的安装经验，阐述了支撑架多层搭设，大跨度重型钢桁架分段吊装的安装方法，介绍了此方法安装过程中的仿真分析、支撑架搭设、桁架拼装及分段吊装、卸载等各施工环节的关键控制点，为类似钢结构的安装提供实践支撑。

0 引言

近年来，越来越多的公共建筑采用大跨度钢桁架结构，以达到更大的室内空间来满足大型会议、室内体育赛事能功能使用要求。由于跨度较大，桁架自身重量势必超重，增加现场安装难度，特别对于安装场地狭小，桁架下方结构层较多，影响到起重机械站位及吊装支撑架搭设的工程。大跨度重型钢桁架的安装需充分考虑施工环境和结构特点，尤其要把握结构传力路径，合理制定桁架分段吊装顺序，在保证施工安全的前提下，实现大跨度重型钢桁架的顺利安装。

1 工程概况

武汉国博会展功能完善提升工程为钢框架结构，总重约1.8万吨，其主楼轮廓为直径116米，高47米的圆柱体，两个半圆呈左右对称，钢框架间屋顶设计有三榀单向钢桁架（平面位于E区），桁架最大跨度47.0m～53.3m，支承于两端ABCD区钢柱上，其标高47.2m～50.7m，桁架自身高度5.45m，单榀重量最重达103吨，上下弦及腹杆为箱型截面，为本工程的施工难点。

    

图1  BIM模型轴测图图                  图2  场地分区布置图

2 整体安装思路

根据现场环境和结构特点综合考虑，三榀桁架选择地面分段拼装，搭支撑架空中对接，高空补杆的施工方法。但是如采用从地面搭设支撑架，其支撑高度接近45m，支撑架自身受力及稳定性难以保证，经分析，三榀桁架投影正下方对应有标高20.32m的三层结构，和7m标高的二层结构，可考虑从二层搭设支撑架对三层进行加固，然后再从三层楼面搭临时支撑作为桁架的分段吊装支点（如图3），这样就顺利将桁架的荷载平稳转换至下方三层、二层、基础等既有结构，其支撑高度可减少至24.7m，大大减少临时支撑搭设难度和安全风险。

整体施工步骤：水平方向从HJ1→HJ3方向进行（如图4），履带吊由南往北逐步退出；竖直方向上施工顺序从二层结构→二到三层支撑架→三层结构→三层到桁架层支撑架→桁架分段吊装焊接→卸载。

图3 三榀大跨度桁架立面图图             图4 三榀大跨度桁架平面图 

3 施工仿真分析

   以HJ1为分析对象，采用Midas gen作为工具，模拟HJ1施工。分析思路为预设桁架下弦分段点作为支承位置，验算每个支座的反力，然后将反力施加于支撑架上，验证支撑和主体结构的安全。

3.1 HJ1各分段点支座反力

 HJ1反力计算荷载主要考虑1.1倍结构自重，结果见图5.

图5  HJ1分段点处支座反力

3.2 下方支撑架系统独立计算

考虑施工过程产生的活载作用，在支撑架顶部增加面荷载，按照1.5kN/m2考虑。风荷载以线荷载施加在对桁架侧面，按照0.2kN/m考虑，另将反力施加在下方支撑架顶部,

1）截面验算结果（见图6）

     

图6 截面验算对话框（应力比均小于1）

根据验算结果，各杆件应力复核设计要求，同时另需要在支撑架四周加设张紧φ18mm钢丝绳，与地面夹角为60º，增加支撑架的整体稳定性，可有效抵抗风荷载等施工过程水平力。

2）位移

图7 各结构点竖向位移图

正常使用极限状态下，按照结构自重加载，根据各个节点位移显示，施加了反力的最大变形位于中部支撑架顶部桁架支点，最大竖向位移为-18mm（见图7）。需要在支撑架顶增加18mm厚的钢板来补偿，并采用可靠措施防止滑动。

4 关键施工过程控制

4.1地面拼装

根据仿真分析结果，综合考虑履带吊起重性能、支撑架及既有结构承载能力等条件，HJ1分为4段，在拼装场地上提前对吊装单元进行地面拼装，因桁架自身高度达到5.45m，每一段采用“卧式”拼装更有利于降低人员操作风险。

根据构件体型特征，拼装胎架形式如图8，拼装胎架采用H150*150*7*10、H100*100*6*8、L60*3和[14a组成，构件材质均为Q235B；按间距3m一道进行布置，胎架设置后胎架自身以及地面应具有一定的承载力，并且不得有晃动。胎架标高及水平位置必须用全站仪测量并标示出待拼装构件的关键控制线，控制线上必要设置若干定位板，可作为拼装构件的定位基准，也可以减少焊接过程中的变形。拼装过程中对接焊缝应避开胎架平台，胎架顶距离地面至少800mm高，提供焊接人员实施仰焊的空间，对接位置坡口方向均应朝外，内部设置焊接衬垫。                                                                        

图8 桁架地面拼装胎架

4.2 分段吊装

分段吊装前需要提前检查各项准备工作，确保桁架拼装尺寸和焊接质量，同时对吊装耳板焊接质量进行检查。

吊装顺序严格遵循模拟分析过程，逐步加载。准备工作做好后，由吊车及平板车将各分段桁架转运至吊装位置附近，准备开始吊装，再次复测支座位置的标高及水平位置，并做好标记。起吊后通过试吊环节，观察钢丝绳索情况和分段桁架变形情况，确认无误后，开始正式起吊，起吊时吊车司机必须熟练掌握吊装程序，上升和下降时，吊车应基本保持匀速，并提前系好缆风绳调整构件空中姿态，避免侧向撞击已装结构和竖向支撑架，吊装过程中吊机必须与起重工互相配合，吊车司机时刻注意指挥人员信号，严格遵守传递的各项指令，服从现场指挥人员的统一指挥。

桁架高空就位时为调整桁架与支座的细部距离，应根据实际情况提前在桁架上方安装倒链，快就位时，通过倒链将吊钩升起或下降至控制标高来调节细部尺寸，桁架就位满足要求后，桁架弦杆四周增设多组预留了过焊孔的码板，临时固定后焊接。

后吊装分段桁架就位过程中应垂直竖向向下落位，不允许侧向入位。单榀桁架落位后，及时安装桁架面外的次梁，提高桁架面外稳定性，整个吊装过程中根据仿真分析结果，对桁架变形用全站仪进行监测，为施工安全护航。

4.3 卸载

对于桁架卸载也就是拆除竖向支撑架的过程，是结构由施工状态过渡到设计状态的结构体系转换过程。在施工阶段的受力状态与最终的设计受力状态存在很大差异：在有支撑胎架状态下，其支座位置自重基本由支撑架承受；拆除支撑架时．结构因自重产生向下位移，杆件的内力将重新分布．在瞬间发生较大变化。另外，实际施工过程中，无法对所有的临时支撑胎架进行同步拆除，后拆除支撑架承受的内力将逐步增加。

因此，选择合理的卸载顺序和方法，是临时支撑卸载工作的关键。本工程在钢桁架焊接完成形成完整的稳定体系后，采用千斤顶进行分级分阶段同步卸载。在卸载过程中，根据施工模拟计算结果，在所有支撑架顶设置千斤顶，依次循环所有千斤顶同时卸载，且行程相同，每个卸载行程取5mm，向下释放位移，此过程千斤顶受力比较均匀，且现场比较易操作，确保整个卸载过程平稳可控。

在卸载之前应在结构上下设立测量标志，用全站仪进行卸载过程的全程监控，如发现桁架下挠过大，应及时报告。

对于此类大跨度桁架结构，使用“分阶段卸载”的方法卸载时，施工过程应严格遵循如下原则：

1）主体钢结构安装到位，焊缝全部焊接完成，无漏焊断焊的现象，焊接质量经探伤检查全部合格。

5）卸载当天的风力大于4级及恶劣天气，禁止卸载作业。

1）卸载时要统一指挥，保证同步，且严格按照同步和分阶段大小进行。

2）卸载点水平位移较大时，在卸载步骤之间需要把千斤顶松掉调整其垂直度，释放其水平位移。千斤顶松掉时利用垫块代替支撑。

3）卸载前要仔细检查各支撑点的连接情况，此时应让钢结构处于自由状态，不要有附加约束，特别要避免支撑系统与桁架之间的固接。

4）卸载时要跟踪进行测量和监控。

5）卸载前要清理钢结构上的杂物和一切无关的荷载，卸载过程中，钢结构上下不得进行其他的作业。

5 结语

本项目在充分考虑现场施工条件及结构受力特点的基础上，采用搭设多层支撑分段吊装大跨度重型桁架结构，通过结构计算软件对施工方案进行验算；施工过程中，重点把握桁架拼装、分段吊装及卸载等环节，保障了大跨度重型桁架的顺利安装。

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