大跨度鋼結構屋頂吊裝施工技術設計

高京奕

（中鐵十八局集團有限公司投資公司，天津，300222）

引言

鋼結構具有不受含鋼率限制、極限承載力高、延展性強及剛度大等優勢，常被應用于大跨度吊裝工程中，相比于傳統建筑材料結構，其可以極大地提高安裝施工效率與安裝精度。而對于屋頂吊裝工程而言，由于其存在拼裝構件質量大、形狀不規則以及場地面積有限等諸多局限性，吊裝施工技術難度更大。[1]為優化吊裝施工工藝，當前應用較為廣泛的施工工法主要有分段施工與拼接施工。分段施工主要使用穿心式千斤頂對地面構件進行抓取、提升、堆砌與空中翻轉等操作，將鋼柱與鋼梁逐層吊至大跨度張弦梁上，并采用臨時支撐的方式，完成整個吊裝過程，但該施工工藝在荷載作用下變形程度較大，且對建筑造型的適應較差，同時工效無法保證；拼接吊裝施工工藝通過現場拼接各構件，將抗壓強度較大的鋼結構作為施工中的主要構件，利用提升和吊裝組合的方式進行屋頂安裝，但該項技術在高空散拼成型過程中，容易出現失穩、坍塌及局部損壞等問題，同時需要對接觸點的承載力具有較為精準的把控，限制了施工效率。為有效解決以上施工技術存在的缺陷，本文結合屋頂吊裝工程案例，針對大跨度鋼結構建設項目提出一種新的吊裝施工方法，使其能夠達到施工安全性和效率要求。

一、工程概況

某國際展覽館三期工程中的會展展廳屋頂主要為大跨度鋼結構，最大跨度為84.3 m。整體結構包括主桁架、次桁架和若干鋼柱，主體為鋼管混凝土柱與正交空間管桁架相結合的結構體系。項目南北高，東西低，南側懸挑21.365 m，北側懸挑12.254 m，直徑約402 m，中部設有3榀平面桁架。屋蓋主要采用Q355GJB 鋼材，屋蓋各桿件均為無縫圓管和直縫大直徑圓管，管內灌注C50 混凝土漿液。其鋼結構耐火等級為二級，抗震設防烈度為7 度，屋頂最高處距地面約80 m，建筑面積近23 萬m2，可容納游客8.3 萬余人。主體結構設計使用年限為60年。

該項目的鋼構件尺寸大，類型多樣。各類鋼構件的制造與加工將在工廠中完成，并將其運送至現場組裝。其中，需要在擬建場地內組裝的桁架共計7 榀，最大跨度高達62 m，豎直高度為13 m，總重156 t。每個桁架運至現場后，根據預先布置好的安裝位置與起吊位置，對其進行吊裝，形成由水平拉桿、鋼筋混凝土、垂直支撐梁構成的雙層鋼結構桁架屋頂。屋頂鋼結構桁架的總體布置面積為78.5 mx62.4 m，屋頂單榀桁架布置如圖1所示。

圖1 屋頂單榀桁架布置

工程屋面吊裝桁架上弦與下弦的主要型鋼為1200mmx400mmx18mmx25mm，桁架立面為三角形結構，其中，鋼架的抗壓強度為管內混凝土受壓強度的3/4，最大接受應力約為0.35 MPa，為C50 標號混凝土受壓強度設計值的1/2。鋼架頂距柱底標高為15.4 m，重量約為54.23 t。桁架的具體參數如表1所示。

表1 桁架具體參數

鋼結構設計參數：允許最大風壓為0.25 kPa，最大雪壓為0.42 kPa，鋼結構固定框架等級為3級，結構措施為3級；大跨度框架分離處鋼柱抗震等級為三級，抗震措施為3級；混凝土框架抗震等級為2級，抗震措施為2級。鋼結構由H型鋼、方鋼、Q355B鋼、角鋼制成；Q235B鋼、Q355B鋼采用E50焊條，Q235B鋼采用E43焊條。[2]鋼結構除銹、噴漆、拋丸除銹Sa2.5級，防腐干燥膜厚240 μm，大跨度桁架鋼結構涂防火涂料。

由于整個工程跨度在50 m以上的桁架超過10 榀，安裝部位較高，安裝高差明顯，其中過路桁架的尺寸較大，增加了運輸吊裝的難度，并且安裝現場作業面狹小，施工流程復雜，同時卸載控制難度高。因此，桁架的精準就位與保證吊裝的安全性是本工程的重點與難點，需要結合現場施工條件，合理制定屋頂桁架吊裝工藝，從而提高工效，并在節約施工成本的同時保證施工工期。[3]

二、施工前準備

（一）吊點位置計算

為保證能夠根據施工要求與吊裝原則將桁架吊裝至預設位置，需要參照構件的長度、截面尺寸、截面類型、配筋情況及自重來計算吊點的位置。通常情況下，自重在8 t以下的桁架采用一點綁扎的方法起吊即可，但本工程中的構件重量均超過8 t，因此采用吊點布置理論對最終安裝位置進行估算。[4]

首先，需要明確構件在吊起過程中的受力作用，鋼梁吊裝示意圖如圖2所示。

圖2 鋼梁吊裝示意圖

如圖2 所示，鋼梁吊裝時，其受到自身重力與塔吊鋼絲繩的拉力作用，使得鋼梁產生彎矩，因此，為保證施工過程的安全性，應以鋼梁彎矩最小為基本原則來布置吊點，可根據力學原理，計算找出使其正負彎矩絕對值相等的點，該點記為吊裝位置。[5]具體計算過程如下：

當吊起鋼梁時，需要先計算吊點處鋼材的剪切性能，公式為：

式中，Fs表示吊點處的剪力( Ν )；Ks表示最大剪力設計值( Ν )；ts表示橫梁厚度( m )；Z 表示材料抗剪強度(ΜΡa )。

利用剪切性能確定鋼梁的截面模量：

式中，b 表示翼緣板寬度( cm )；h 表示截面高度( m )；tw表示腹板厚度( mm )。

鋼梁能夠承受的最大彎矩可用如下公式計算：

式中，Mk表示鋼梁允許的最大彎矩(N·mm )；α表示強度系數，一般取0.1；h0表示受壓區合力點到邊緣的距離( mm )；x 表示混凝土受壓區的高度( mm )；a表示縱向鋼筋截面的面積( mm2)。

吊點位置的計算公式為：

式中，K 表示動力系數，一般取1.1～2.0；l 表示鋼梁長度( m )。

（二）吊裝方案設計

本工程的預制樁利用標號為C50 的混凝土現場澆筑與制作，其中最大長度為12.3 m，最大寬度為6.1 m，總質量為9.56 t，平均厚度為16.4 m；屋頂采用的支撐主鋼梁為鋼筋混凝土材料，直徑為5.32 m，包括3～6 個分段，每段自重2.01 t。本工程的吊裝施工屬于高空作業，風險等級較高，任何一個流程出現偏差均有可能導致施工事故的發生。[6]因此，根據項目現場條件，考慮到施工速度和整體施工系統的完整性，綜合考慮，本工程采用綜合吊裝的施工方法：首先，將所有構件均提升至鋼梁與鋼柱的下方；其次，進行灌注混凝土工作，制備預制樁基，當樁基強度達到設計強度的65%時，安裝水平支撐梁，之后安裝鋼柱與屋頂鋼梁；最后采用節段間提升的方法，根據節段安裝平臺、梯子、桁架和屋面板等屋面鋼結構。[7]屋頂吊裝施工順序如圖3 所示。

圖3 屋頂吊裝施工順序

桁架結構首先在地面預制組裝成型后，整體進行吊裝施工。該項目共分5 個階段吊裝桁架，安裝和焊接同時進行；每安裝完一個桁架后，應檢查桁架的整體水平和拱頂的要求，并提前清理和硬化起重機行走路面和車站路線的地基；由于組件體積大，必須確保鋼構件的堆放場地和組件的組裝安裝場地足夠大。

三、施工工藝流程

（一）安裝移動平臺制作

移動平臺的懸伸長度可基于實際懸挑長度確定，但主梁采用延伸焊接，主梁接頭應位于吊車中央。[8]底部采用桁架結構的穩定性，利用尺寸為40 mmx40 mmx3 mm 的鋼板焊接，以增強剪切、拉伸和扭轉強度，安全可靠。使用30 mmx30 mmx3 mm 的鋼板用于梁之間的支撐，并焊接以確保平臺小車的完整性，同時保證主梁之間的間距不小于1.2 m。在移動平臺頂部安裝帶有軸承滾輪的吊鉤，由60 mmx60 mmx5 mm 焊接而成，確保平臺的移動性。[9]移動平臺布置要求如表2所示。

表2 移動平臺布置要求

使用方鋼和鋼板制作運輸材料的小平臺，以桁架的形式焊接，鋼筋尺寸為1.5 mx1 m。將4個導向輪安裝在平臺的底部，同時配有防跑偏導軌裝置，提高移動平臺的安全性。

（二）預埋螺栓

在預埋螺栓構件之前，需要對預埋位置進行勘測，通常以地面基礎軸線與中心線的交點為圓心，以3～5 mm 為半徑的圓形作為預埋的控制范圍。在預埋地腳螺栓過程中，應將預先進行加固處理的預埋板與螺栓支架通過3 mm 厚的鋼板連接，起到二次加固作用。[10]用三層鋼筋綁扎固定螺栓支架，最終軸線和標高相對一致。

預埋螺栓制造精度要求：相鄰兩螺栓間的最大間距不得超過2.5 mm，且控制螺栓頂部的最大相對高差在3 mm 范圍內。施工期間，注意保持預埋螺栓支撐，避免地板和鋼筋綁扎之間發生刮擦和碰撞，進而導致螺栓支撐支架與螺栓發生形變或位置偏移。同時，對于預埋螺栓支架，需要進行進一步的加固處理。[11]在整個埋置螺栓就位之前，必須對齊埋置部件的上邊緣4個固定角鋼的垂直和水平中心線（預先測量和做標記），并保證其與測量放線時預設的參考線相平行；利用水準儀對預埋件的垂直度進行實時量測，若出現偏差，可通過將地腳螺栓下部的角度磨平的方式調整其垂直度。在混凝土澆筑前，應反復檢查地腳螺栓的位置和標高，并在螺紋上涂抹潤滑脂與包覆機油紙。在整個施工和澆筑過程中監測螺栓支撐，發現位移及時調整。

（三）鋼柱焊接

鋼柱安裝并校準后，應提前預熱鋼柱的凹槽位置。使用帶有多個排氣孔的加熱裝置進行預熱工作，氣孔的長度和數量可以根據加熱部件的尺寸來確定。[12]將烘烤槍的出風口噴嘴與加熱裝置有效連接，進行預熱操作，用測溫槍測量預熱溫度，當溫度滿足工藝要求后，進行后續的焊接工作。

該預熱裝置的預熱范圍大，速度快，預熱加熱區的寬度≥100 mm。預熱溫度達到100 ℃時，停止預熱并預熱鋼柱的另一側。預熱過程中，確保加熱區域整體加熱，并形成流水作業。

鋼柱焊接過程中，應對焊縫的層間溫度進行控制。當層間溫度達到250 ℃時，應停止焊接操作；當溫度下降時，可以繼續焊接。[13]整個焊縫焊接工作完成后，需要用絕緣巖棉覆蓋以緩慢冷卻。

（四）鋼柱吊裝

本文選用130 t 汽車吊，用以滿足對鋼柱的起吊要求。根據施工設計，設置吊裝的最大半徑為15.8 m，最高提升高度為23.6 m，提升總重量為3.65 t，且單根鋼柱的自重遠低于起吊機的最大起重量。[14]130 t汽車吊作業工況性能如表3所示。

表3 130 t 汽車吊作業工況性能

由于工程中鋼柱的主要材質為H 型鋼，含鋼率為45.2%，以式（4）計算得出的鋼結構最佳起吊位置為依據，對起吊機的鋼絲繩與纜風繩進行合理選擇，保證其滿足起吊要求。同時，基于穩定、可靠、方便起吊和防止變形的原則，使用適用于H 型鋼的夾具將鋼柱與其上方的封頭板同時夾緊，并與鋼柱下方的木枋利用固定墊層連接，以減少提升過程中的地面阻力，防止地面與鋼柱出現損傷。

在鋼柱吊裝的初始位置確定后，使用電纜纏繞繩將鋼柱與移動平臺進行綁扎并運送至指定位置。當鋼柱就位后，應采用點焊的方式將螺栓與鋼柱底板焊接，焊點間距不得大于3 mm，且對于焊縫寬度的要求較高，通常在2～2.5 mm。[15]另外，施工人員需要以鋼柱的分段位置為安裝節點，綜合考慮鋼柱的垂直度、豎直軸線、平均標高以及焊點間距等多個因素，對安裝位置進行調整修正，便于后續鋼梁的安裝。

（五）鋼梁吊裝

在鋼梁的吊裝中，每根鋼柱之間存在一個穩定的框架空間，該位置即為鋼梁的安裝位置，因此，極大地降低了鋼梁吊裝的難度。為保證鋼梁能夠始終保持平穩的狀態，避免出現偏移，應借助鋼絲繩進行固定。鋼梁的吊點通常位于鋼柱吊點的正上方，使用4 個或6 個吊耳作為臨時吊點，若能準確無誤地將鋼梁吊至框架中，則無須對吊點進行調整，否則需要重新計算最佳吊點。吊裝前，應對鋼梁底面的泥土、碎石及殘渣進行全面清理，并檢查上下兩個鋼梁之間的連接是否牢固。需要注意的是，每根鋼梁的平均標高與軸線位置以及控制線與鋼梁形變值必須滿足設計要求。另外，還應注意鋼梁反向位移的處理，在出現翻轉或偏轉后，要及時將其恢復到原始位置，利用相互糾偏的方式來避免誤差的累積。

一般情況下，在鋼梁的焊接過程中，采用“先中間，后邊緣”的方法進行焊接，以中層、下層、上層的順序完成焊接；若兩個鋼梁使用一個節點，則采用分步焊接的方式，先焊接上下層法蘭，再焊接中間層法蘭；此外，為防止鋼梁因受到外界荷載而出現形變的情況，焊接時應采取隔梁焊接的方式。

四、施工效果分析

為驗證設計的屋頂吊裝施工方法的可行性，對各個施工工序的工況進行監測，利用位移監測儀與傳感器對鋼結構屋頂在吊裝過程中的位移、應力變化進行實時監測，從而分析其穩定性，以測試所提施工方法的合理性，便于做好防范措施。

（一）監測點位設計

對于屋頂構件的監測，主要監測整個屋頂結構的豎向位移與應變值，根據其值來反映結構的變化。結構監測點布置如圖4所示。

圖4 結構監測點布置

如圖4 所示，在屋頂鋼結構平面共設置5 個監測點A、B、C、D、E。其中，A 點位置為屋頂桁架的最高點；B、D 點位置為鋼柱與鋼梁的標高；C、E 點位置為懸挑最高點的標高。以上5 個監測點能夠全面監測整個結構的位移與應力變化情況。

整個屋頂吊裝工程包括合龍施工、鋼結構施工以及屋面施工三個階段。設置監測頻率為施工結束后每2 個月監測一次，共監測4 次；之后間隔6個月連續監測4次。

（二）位移監測結果分析

工程的最大規格桁架、鋼柱與鋼梁在吊裝過程中分別選用6點、4點和2點吊裝?；谏鲜鰧Y構平面監測點的布設方案，對施工結束的鋼結構屋頂的豎向位移進行量測，根據相關施工標準，若結構最大豎向位移在20 mm 以內，表明該結構整體處于穩定狀態，施工效果符合設計要求。結構位移監測結果如圖5所示。

圖5 結構位移監測結果

如圖5所示，根據對施工過程中的屋面結構進行多個角度的監測結果可知，雖然隨著時間的推移，結構整體豎向位移逐漸增大，但其中最大值為14.3 mm，滿足小于20 mm 的變形控制要求，表明屋頂吊裝質量較為理想，結構比較穩定，設計的施工方案是合理可行的。

（三）應力監測結果分析

為進一步驗證結構的穩定性及構件吊裝過程受力的合理性，對尺寸最大的6000 mmx3000 mm疊合鋼梁吊裝過程中各監測位置的受力特性進行分析，重點對構件的應力狀態進行分析，測試構件的安全性能。根據該工程的實際施工條件，對于結構應力的設計要求為小于C50混凝土受壓強度的設計值，此時認為構件處于穩定安全狀態。構件應力監測結果如表4所示。

表4 構件應力監測結果

通過表4 數據可知，構件5 個監測點位的最大應力值均小于標號C50 混凝土受壓強度設計值14.3 MPa，表明構件的應力變化在控制標準內，構件的穩定性符合預期設計要求。

綜上所述，將本文設計的施工方法應用于鋼結構屋頂吊裝工程中，屋頂構件的安裝質量較優，鋼結構的豎向位移和應力變化均符合規范標準，表明吊裝施工過程中整體結構處于安全狀態，說明提出的吊裝施工方案合理可靠。

結語

當前，鋼結構由于其自身優勢，逐漸被應用于大跨度鋼結構屋頂吊裝施工中。通過分析某展覽館大跨度鋼結構的工程概況，研究并提出了適用于該項目的屋頂吊裝方案，并進行施工監測，結果表明，該施工技術能夠保證構件的穩定性，提高施工質量，可為以后的相關建設工程項目施工提供借鑒。