托換鋼結構的室內吊裝方案比選分析

黃 軍

上海天演建筑物移位工程股份有限公司 上海 200336

紅樓為上海市優秀歷史建筑，因周邊基坑施工，房屋在自身傾斜、不均勻沉降較大的現狀下，存在進一步損壞的風險。為了保護這一優秀的歷史建筑，采用樁基＋主動托換調平的搶修加固方案進行施工，可消除周邊基坑開挖對其帶來的不利影響。托換鋼結構快速、安全地安裝，使得紅樓在周邊基坑開挖過程中處于可調控狀態，保證其結構整體姿態不發生改變[1-4]。

托換鋼結構室內安裝是本工程最大的難點之一，同時也是鄰近地塊開發項目能否如期施工的關鍵點之一。

1 工程簡介

紅樓前身為日本領事館，是一座保存完好，具有特殊歷史意義的百年建筑，保護意義重大。房屋為磚混結構，周邊環境復雜，三面緊鄰基坑：南側防汛墻基坑、東側329項目基坑、西側海鷗飯店基坑。房屋質量檢測報告顯示，局部墻體存在裂縫，個別監測點超過0.4%。若基坑開挖過程中不對紅樓采取有效的加固措施，可能導致其出現不均勻沉降，甚至對結構造成進一步破壞。

根據紅樓現狀及現場實際情況，采用類似黃浦區某教堂搶修加固中成功使用的可調式主動托換方案進行加固。紅樓因基坑施工造成的不均勻沉降，利用上述方案可隨時進行動態調整，使紅樓整體始終保持在一個穩定的狀態。本工程共布置149套可調式主動托換裝置，僅鋼結構工程量就達180 t。本文主要對可調式主動托換裝置的安裝方法進行討論比選。

2 可調式主動托換分析

若托換鋼分配梁在不安裝的狀態下，只對上托盤梁的錨桿靜壓鋼管樁進行封樁，則紅樓僅處于樁基被動托換的狀態（圖1），周邊基坑開挖深度較深，縮短了鋼管樁的有效樁長，若錨桿靜壓樁發生沉降，仍會造成紅樓的不均勻沉降，無法完全保證上部結構安全。

圖1 樁基單獨托換立面示意

在樁基被動托換的基礎上，加上可調式主動托換裝置，使紅樓處于主動托換＋樁基“雙保險”的安全狀態（圖2）。在此狀態下即使鋼管樁發生沉降，也可利用可調式主動托換進行糾偏，對發生沉降的區域，通過液壓頂升進行高差補償。這樣紅樓上部結構能保持穩定不發生沉降，保證周邊項目的基坑正常開挖。

圖2 樁基＋主動托換立面示意

可調式主動托換裝置由上下鋼分配梁、PLC同步液壓調平系統、連接上下鋼結構與上托盤梁的精軋螺紋鋼組成（圖3）。

圖3 主動托換調平裝置鋼結構

3 室內安裝條件介紹

托換鋼分配梁安裝于鋼管樁之上，鋼管樁高于上托盤梁面1.2～1.5 m（上托盤梁是托換結構，在鋼結構安裝階段可視作室內首層結構面），再加上托換鋼結構最終安裝高度在2.5～2.8 m，紅樓室內凈空高度只有2.8～3.3 m，普遍區域的高度為3 m，安裝高度外可吊裝的高度只剩不超過50 cm（圖4）。

圖4 設備安裝后的示意

因工程是搶修性質，整個工期比較緊張，托換鋼結構安裝工期若較慢，勢必會導致基坑施工工期的延期，進而影響到整個項目的進程。

在室內凈空只有2.8～3.3 m的條件下，如何安全、高效地安裝149套總重超過180 t的可調式主動托換裝置，是整個搶修托換工程最大的難題之一。

4 工程重難點

1）工期緊：為保障周邊基坑按期施工，7 d內需完成這149套設備的安裝、調試。

2）安裝環境復雜：室內凈空只有2.8～3.3 m，上托盤梁縱橫向布置，臨邊洞口較多，施工場地狹小。

3）文物保護：安裝區域涉及重點保護部位，需保護好室內文物；吊頂天花板、墻體多為白色裝飾，施工過程需零觸碰、零污染；這些保護部位凸出室內墻面，阻礙部分區域豎向空間的利用。

4）質量較大：為縮短整個搶修加固工期，主動托換裝置的鋼分配梁提前加工好，但是加工后的鋼分配梁質量較大，為施工現場安裝帶來更大的難度。

5 安裝方案的比選

為解決托換鋼分配梁及主動托換調平的設備安裝問題，項目管理人員與經驗豐富的專業人員一同探討解決方案，經多次討論，確定基本方案有3種：微型機械設備進行安裝；搭設施工平臺，在平臺上進行吊裝作業；依靠現有的條件，制造拆卸式龍門架吊裝。

鋼分配梁由40b#槽鋼雙拼后焊接組成，在端部及中間焊縫處由矩形鋼板焊接加固，根據樁位間距長度不一。單套分配梁最重的為2.12 t，加上液壓裝置，總重接近2.5 t。需要將鋼分配梁吊裝至預留的鋼管樁頂部進行安裝（圖5）。

圖5 鋼分配梁安裝位置平立面

5.1 微型蜘蛛吊倒運吊裝

根據7 d工期，優先選用機械吊裝進行安裝，考慮室內凈空高度2.8～3.3 m，采用非常規的蜘蛛吊進行安裝（圖6）。單套分配梁的質量為2.1 t，起吊高度為3 m，經市場咨詢，可選用3 t微型履帶蜘蛛吊進行倒運安裝鋼結構，設備寬1.2 m，高1.4 m，體積小巧、吊裝靈活。

圖6 蜘蛛吊設備照片

該方案若能實現，將極大地解放現場勞動力，7 d內完成180 t的安裝工程量理論可行，同時機械施工，人員安全得到保障。

實踐中采用蜘蛛吊設備進行安裝的方案失敗，原因分析如下：

1）房間空間較大的區域能快速安裝，如客廳、會議室等，對樓梯、辦公室、房間及重點保護部位區域，受其凸出裝飾面及凈空影響，無法采用該方案安裝或安裝工效大大降低。

2）該設備使用費用較高，已超過該工序總成本的1/3。在室內空間3.3 m內，類似采用設備吊裝的辦法局限很大，且造價高昂，不建議選用。

5.2 腳手架平臺吊架

擬搭設施工平臺不與房屋直接接觸，平臺占地面積小，選用人工吊裝的辦法。這一思路能解決保護裝飾面、文物的這一難題。

在需要安裝設備的鋼管樁外側搭設盤扣腳手架平臺，平臺高2.8 m，平臺上方安裝鋼橫梁，橫梁采用20b#工字鋼，梁上配置3 t手拉葫蘆，分塊進行吊裝。平臺與鋼管樁采用焊接構件固定，并安裝斜撐加固（圖7）。

圖7 方案二構思示意

受腳手架自身材料強度影響，吊裝過程中平臺容易發生失穩，墜落的安全隱患大，因此該方案在吊裝工程中是不成功的。

5.3 裝卸式龍門架吊裝

經過實踐結果分析，采用可拆卸式的某種平臺，以人工進行吊裝的思路符合現場條件。若吊架平臺的支撐足夠安全穩定，就能解決失穩的問題。根據紅樓工況及限定工期的條件，利用已壓入基礎的鋼管樁作為吊裝平臺基礎支撐，是最節省工期的。

可采用構思出的可裝卸式龍門架進行吊裝，該裝置需滿足操作簡便、適用室內施工環境且自身滿足吊裝強度的要求。裝卸式龍門架由2根豎向立桿、抱箍、鋼管插銷、橫梁組成，采用手拉葫蘆人工吊裝至所要高度。經比選分析，從安全、工期、環保的角度來說，選擇該方案最為適合（圖8）。

圖8 方案三構思

該方案構件詳細信息：

1）2根豎向立桿選材為φ102 mm×10 mm的鋼管（Q235B），立桿高2 m，每根質量45.378 kg；每根立桿下端焊接有肋板（100 mm×150 mm×10 mm），每塊質量

1.178 kg。

2）圓形抱箍由φ325 mm×8 mm弧形鋼板（Q235B）與兩翼長方形鋼板焊接2 層（2 0 0 m m×1 0 0 m m×10 mm），通過對穿螺栓固定在鋼管樁上，每套總重28.16 kg。

3）套管插銷由橫向φ152 mm×7 mm鋼管與豎向φ82 mm×10 mm鋼管焊接組成，每套質量19.09 kg。

4）橫梁選用φ140 mm×10 mm的鋼管（Q235B），長2 m，每根質量64.12 kg。

立桿及橫梁選用鋼管（φ140 mm×10 mm/Q235B），立桿一端加工為半圓抱箍與另一半螺栓連接固定在鋼管樁上，另一端安裝固定橫梁的鋼管插銷，在橫梁兩端、中間各安裝1個3 t的手拉葫蘆。通過在施工平臺上組裝“可調式主動托換”鋼結構，中間吊裝分配梁2，兩端葫蘆吊裝分配梁1，3個葫蘆同時吊裝至所需要的高度，固定好鋼分配梁1后，在上下分配梁之間固定千斤頂，將精軋螺紋上下對接擰緊螺母，整套裝置安裝完成。吊裝過程中，錨桿靜壓樁對上下鋼結構體系起到很好的限位作用，能夠減少吊裝過程水平向的位移（圖9、圖10）。

圖9 方案三吊裝示意

圖10 現場吊裝示意

6 裝卸式龍門架吊裝工藝簡介

選用腳手架搭設臨時通道，在上托盤梁縱橫交錯的孔洞中，腳手架按間距600 mm布置成網架結構，能夠利用上托盤梁的區域采用腳手架橫擔在上托盤梁面上，兩端固定，在腳手架平臺上固定方木，滿鋪模板。運輸通道有坡段時，安裝防滑條。

運輸采用改裝后的炮車，安裝滑槽，人工將托換鋼結構倒運至安裝位置。

裝卸式龍門架依靠預先打下的鋼管樁作為吊裝的支撐，整套龍門架裝卸較為簡便：

1）進場前豎向立桿與半圓抱箍之間通過加勁板焊接成整體，預留好螺栓孔。另一半圓抱箍通過螺栓與之固定在鋼管樁上，通過螺栓絲牙來適應鋼管樁尺寸，也可調節安裝的高度（圖11）。

圖11 安裝示意一

2）圓形插銷下半部分的鋼管，剛好套入立桿內（圖12）。

圖12 安裝示意二

3）2根鋼管樁的立桿、圓形插銷安裝完成后，橫梁內徑小于圓形插銷的內徑，可360°進行調節來對應橫梁的安裝（圖13）。

圖13 安裝示意三

4）在橫梁上安裝手拉葫蘆，從吊裝的鋼結構的質量考慮，選用3 t的手拉葫蘆比較合適（圖14）。

圖14 安裝示意四

5）為保證主動托換調平裝置的水平，需先對2根鋼管樁之間高度進行調節，按主動托換調平裝置上下順序，依次安裝鋼分配梁至設計高度，擰緊上下精軋螺紋鋼。

7 裝卸式龍門架吊裝的安全、經濟分析

最不利工況條件下，對橫梁受彎及抱箍節點進行計算。三樁1.5 m間距的可調式主動托換單套最重2.12 t。主要為中間受力，兩端葫蘆為固定裝置使用。

經計算，拆卸式龍門架選材滿足吊裝要求。

整套拆卸式龍門架選材均為常規鋼管材料，只需進行簡單的焊接、打孔工藝即可完成。在7 d的工期完成149套的安裝，只需準備2套鋼結構拆卸式龍門架的裝置，每套龍門架裝置只需配3名工人，即可完成每天11套主動托換鋼結構的安裝工作。相比于機械施工，不僅工期上滿足了要求，總的安裝成本也大幅下降。

8 結語

本文介紹了室內凈空較低的條件下，3種鋼結構吊裝的方法，并對這3種方法可行性、安全性、經濟性等進行了比選。

通過對上海市黃浦路106號紅樓搶修加固工程中托換鋼結構室內吊裝安拆成功實踐，可以得出如下結論：

1）微型履帶吊車（3 t以上的蜘蛛吊）可以在室內進行吊裝作業，但是在凈空低于3 m或室內涉及重點文物保護的吊裝工程中，有很大的局限。綜合結果是造價較高，吊裝工效低。

2）盤扣腳手架搭設工期短，尤其是在2.5 m高度范圍內，作為施工平臺的經濟效益很高；腳手架受自身材質強度影響，將其作為吊裝平臺使用是不可行的，施工的安全無法保障。

3）裝卸式吊架采用的材料強度滿足施工要求，且選材較廣，可反復使用；實際施工可根據吊裝基礎外形更改抱箍的形狀，安裝拆除簡便，經濟效益較高。

在文保建筑搶修加固工程中，如同紅樓這種主動托換加固的工程越來越多，在室內鋼結構吊裝工程中，可將裝卸式吊架結構進行調整，本工程的成功實踐可為類似工程提供方案依據。