大型悬挑钢结构关键施工技术研究
时间：2023-04-17 18:55:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李少龙
（中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250000）
科学技术日新月异，建筑结构形式的多样化为建筑功能的实现提供了良好的保障。比如在一些地标性建筑物中大悬挑结构广泛应用，大悬挑结构形式大多是应用钢桁架结构进行施工。钢结构具有刚度高、重量轻、跨越能力强且具有建筑美感等诸多优点，多用于空间广阔的大型公共建筑结构中[1]。伴随钢结构形式的不断增多，结构跨度逐渐增大，建筑结构体系更加复杂化，这对建筑施工工艺与施工技术的创新发展提出了更高要求。在大跨度连体钢结构施工中，施工工艺和施工技术不同会导致结构内力、稳定性及形变有较大差异。此外，因施工荷载的复杂性、材料的蠕变、结构在施工过程中的不完整性等因素引发结构在施工过程中产生事故的概率极大。在建筑施工中加强对大型悬挑钢结构关键施工技术的研究，控制好建筑工程质量尤为重要[2]。本文创新点在于实现了大悬挑钢结构桁架层的拼装、仿真分析等技术大跨度、重型构件的安装精度，通过对所选关键控制点的控制有效保障工程施工顺利、安全地进行。
本工程钢结构大悬挑位于裙楼3～4 层，劲性柱部分位于裙楼及裙楼负2～5 层3～7 轴交C～D 轴，共计7 处，劲性柱截面形式为十字型及H 型钢，材质为Q355B；
大悬挑钢桁架位于7 轴～10 轴交C 轴～G 轴，桁架分布于3～5 层，桁架主要截面形式为焊接H 型钢，材质为Q355B，最大高度为10.71m，最大悬挑长度为27.65m。
根据本工程大悬挑钢结构特点，对悬挑钢结构桁架层关键施工技术进行重难点分析，针对具体情况采取相应对策[3]。
钢结构桁架层平面布置要求高、工程体量大、结构复杂，钢构件需根据平面布置进行合理分段组装，在施工过程中工程的整体施工组织及现场平面布置十分重要。为了满足塔吊运输能力，确保施工的正常稳定开展，钢结构构件需要依据现场实际平面布置要求、工况要求及塔吊的运输能力情况合理分段。
本工程的悬臂桁架向外悬挑27.65m，桁架分成若干个散装单元施工，会因自重荷载而下挠，受力和传力的途径比较复杂，可能会出现桁架应力集中而导致变形过大的情况。所以，安装时采用格构式胎架临时支撑的方法，在对应的桁架弦杆下方搭设临时支撑架，确保桁架施工过程中的稳定性。
在支撑拆除即卸载过程中建筑结构体系会发生一系列变化，悬挑结构会产生形变，内力会重新分配，由于卸载顺序及卸载方法的不同支撑胎架的支座反力也会随着发生相应变化。所以为了确保建筑结构符合设计的受力情况，且在卸载过程中不破坏支撑架，必须对卸载过程中结构的力学安全性进行计算分析，选择科学的卸载顺序和卸载方法。
3.1 柱脚锚栓预埋施工
预埋锚栓采用双螺帽，柱脚节点采用M20/M25 的锚栓，材质为Q355B。地脚螺栓的埋设采用直埋法，即在基础底板绑扎钢筋的同时，将地脚螺栓群用钢模板做相对固定，并与柱基础钢筋笼牢固连接，整体浇筑混凝土，一次固定。钢柱地脚螺栓的定位，直接关系到今后的梁柱能否顺利地安装，其定位精度直接影响到整个工程的施工质量，因此要切实做好现场的测量工作。
3.1.1 地脚螺栓固定架埋设
因为钢柱体积和重量较大，定位精度要求又高，临时固定难度很大。制作预埋支架将支架与下层钢筋笼焊牢加固，并加焊斜支撑，防止跑位和倾覆。
3.1.2 下部混凝土的浇注
应测设好锚栓安装位置的控制线（基轴线或中心线等）及锚栓上角钢顶面定位线。锚栓角钢上事先弹好纵横向中心线，预埋时找准纵横向控制线，使其与测量定位基轴线吻合。
安装结束后进行混凝土的浇注，浇注需采取措施保证预埋螺栓的位置尺寸，采用调节预埋板下部螺母的方法调节预埋板的标高，测量预埋板的位置尺寸，发现偏差及时校正。
3.1.3 钢柱的安装与固定
进行钢骨柱的安装，安装时应确保螺栓的相对位置尺寸，同时应保护好螺栓的丝扣不受到破坏螺栓垫板与钢柱底板之间的焊接，焊接时采用合理的焊接顺序，注意控制焊接变形。
3.1.4 钢柱底部的二次灌浆
对钢骨柱的底部混凝土的二次灌浆，并确保钢骨柱底部的水平标高准确。
3.2 劲性柱吊装流程
3.2.1 安装临时工装设备
吊装前将安装爬梯安装在钢柱的一侧，同时在柱与梁的连接位置下1.2m 处焊接固定装配式安装操作平台的临时槽钢，钢爬梯和临时槽钢应安全牢靠，便于作业人员操作。
3.2.2 吊点设置及起吊方式
吊点设置在预先焊好的连接耳板处。为防止吊耳起吊时的变形，采用专用吊具装卡，采用单机回转法起吊。起吊前，钢柱应垫上枕木以避免起吊时柱底与地面的接触，起吊时，不得使柱端在地面上有拖拉现象。
3.2.3 柱脚定位
钢柱吊到就位上方200mm 时，应停机稳定，对准螺栓孔和十字线后，缓慢下落，使钢柱四边中心线与基础十字轴线对准。
3.2.4 钢柱临时固定
柱底就位应尽可能在钢柱安装时一步到位，少量的校正可用千斤顶和调整螺母法校正（精度可达±1mm）。
3.3 钢桁架施工流程
现场满足钢结构施工→HJ-D4 下弦底部放置圆管支撑→安装HJ-D4 下弦杆→安装HJ-D4 第一根斜腹杆→安装HJ-D4 斜腹杆及立杆→安装HJ-D4 上弦杆→HJ-D3 下弦底部放置圆管支撑→安装HJ-D3 下弦杆→依次安装HJ-D3 腹杆及上弦杆→安装两榀桁架间次桁架（HJ-C2）→HJ-C2 下弦E 轴处放置格构支撑→安装HJ-C2 第二段中弦→HJ-C1 下弦8 轴处放置格构支撑→安装HJ-C1 第一段下中弦及腹杆→HJ-C1 下弦10 轴处放置格构支撑→安装HJ-C1 第二段中弦杆→安装HJ-C2 第三段中弦杆→按照相同方法依次安装HJ-C1 剩余上弦及腹杆→安装HJ-C2，C 轴～E 轴间上弦杆及腹杆→安装HJ-C2 剩余上弦杆及腹杆→安装HJ-D1 →安装HJ-D3 →安装HJ-D1 与HJ-D3 间次梁→安装HJ-D2 →裙楼桁架安装完成。
3.4 钢桁架吊装工况分析
安装过程中需重点把控构件分段方案、安装工况及平面布置三者关系[4-5]。首先，根据整体施工进度及经济效率原则进行施工平面布置；
其次，根据起重设备的最大起重重量进行构件分段；
最后，采用工况分析法验证分段结果是否满足起重要求。桁架施工主要采用现场XGT360-20S1 型（65m）塔吊单根或单元高空散装，悬挑桁架下弦杆底部设置临时支撑，桁架散装单元分析如表1 所示。
表1 桁架散装单元工况分析表
3.5 裙楼桁架施工过程分析
为确保结构施工安全性，需要对施工过程进行模拟验算，分析结构变形和杆件的应力比，为建筑工程的安全施工提供准确的数据支撑。本次验算采用有限元分析软件Midas Gen 2021，荷载仅为自重（含节点自重），考虑动荷载系数1.4。
由施工过程分析结果可知，在施工过程中，杆件的应力比最大值0.485，如图1 所示，结构最大位移19.59mm，如图2 所示，方向向下，跨度与挠度之比为1/1442；
结构的变形和杆件应力比均较小，可以满足施工要求。
图1 应力比模拟示意图（来源：作者自绘）
图2 钢桁架结构变形模拟示意图（来源：作者自绘）
3.6 临时支撑架的布置
临时支撑架需拉设缆风绳，裙楼钢桁架共设置3 个格构支撑及2 个圆管支撑，圆管支撑布置于2 层楼面，下部做反顶处理，反顶圆管顶至地下室-2 层底板处。临时支撑布置于地下室顶板处及-1 层顶板处。布置于楼面的支撑架需在楼层梁上搁置规格为HW350mm×350mm 的转换梁，转换梁下部垫25mm×300mm×300mm 的钢板，防止转换梁与楼板接触破坏楼板。所以转换梁材质均为Q235B。
3.6.1 支撑架的样式
格构支撑截面为1.6m×1.6m，支撑架节间高度2.2m，主肢管采用φ140mm×10mm，斜腹杆采用φ80mm×10mm，直腹杆采用φ50mm×4mm，顶部转换梁截面为HW400mm×400mm×13mm×21mm,材质为Q235B，格构支撑最大搭设高度为21.0m。圆管支撑采用φ245mm×10mm,搭设高度为5.0m,材质为Q235B。
3.6.2 支撑架缆风绳设计
为保证格构式支撑架稳定性，在支架2/3 附近节点位置拉设缆风绳，缆风绳拉设角度按45°～60°左右控制，并根据土建施工顺序进行拉设，以免对安装施工造成影响。缆风绳一侧就近拉设在混凝土柱处，另一侧与拉设在格构架2/3 处，缆风绳选用6×19+FC 钢丝绳，φ16mm 钢丝绳，两两对称拉设。
3.6.3 圆管支撑反顶措施设置
（1）由于2 层圆管支撑区域存在预应力混凝土结构，为了不使圆管支撑传递过程中破坏混凝土结构，需对2 个圆管支撑底部设置反顶立杆。反顶立杆应从基础底顶至2 层楼面底。反顶立杆的截面为φ245mm×10mm，材质为Q235B。
（2）由于上下两层混凝土梁水平投影位置不一致，导致反顶立杆存在一定的偏差，为了使立杆有效传递至地基，对立杆上下层有偏差处进行补强。对于处在上下层偏差处设置HW200mm×200mm 进行顶紧，HW200mm×200mm 与楼板间采用20mm×250mm×250mm 钢板垫紧.
（3）为了使反顶立柱能有限传递至基础而不受损失，反顶立柱在设施过程中需有限顶紧混凝土梁板，反顶立柱上下端部各焊接两块端板，安装时利用下部两台千斤顶使立柱抬起，然后底部空隙逐步塞入2～6mm 钢板使立柱顶紧，最后缓慢释放千斤顶，使立柱上下端完全顶紧上下层梁板。
3.6.4 桁架临时支撑系统验算
为保证钢桁架结构施工安全，需在主桁架悬臂端设置临时支撑结构，临时支撑采用四肢格构式塔架结构。考虑桁架的安装方式，因此设临时支撑架时需考虑竖向和水平向的作用力，结合作用在支撑架的最不利荷载及需搭设支撑架的高度，本次验算采用有限元分析软件Midas Gen 2021 进行验算分析。
（1）位移计算结果。支撑架最大水平变形为8.59mm；
最大竖向位移为3.22mm＜20mm，能满足安装精度要求。
（2）应力比计算结果。支撑架杆件最大应力比为0.657，其中立杆最大应力比为0.355＜0.9，斜腹杆最大应力比为0.097＜0.9，直腹杆最大应力比为0.041＜0.9，顶部转换钢梁最大应力比为0.657＜0.9，均满足承载能力要求。
（3）临时支撑稳定性分析。弹性过程屈曲分析临界荷载系数为62.62 ＞4，结构不会发生失稳破坏。
3.7 支撑体系卸荷
卸荷是整个施工中的关键技术环节之一，在卸载时应遵循“变形协调、卸载均衡”的原则，采取先上层后下层、先中间后向两端的顺序逐步完成卸荷作业。在该工程中首先将中间格构式支撑架进行卸荷，即先将中间支撑架用气割卸去一定的量,一般以10mm 为宜,具体数据应结合现场实际而定,下一步则将其余支撑架各卸去10mm,依次类推直至全部脱空卸完。当桁架完全处于承载受力之后，再由中间向两端将盘扣式脚手架进行拆除。这种卸荷顺序使桁架在施工过程中尽量形成一种自受力体系，以降低卸荷对不同支架受力不均的影响[6]。在支架卸荷中为了更好地降低对支架产生的不均匀受力情况，需要针对不同支架进行多次交替卸荷。临时支撑架布置图如3 所示。
图3 临时支撑架布置图（来源：作者自绘）
本文以广州律师大厦二期项目为研究背景，通过对大悬挑钢桁架结构关键施工技术进行研究，对大悬挑钢桁架结构安装制定了较为详细的施工方案及施工部署，在安装过程中合理的把控构件分段方案、安装工况及平面布置三者关系，有效提升了施工效率。针对大悬挑钢桁架结构的特点，采用了格构式胎架临时支撑法与胎架卸载法等关键施工方法，由于在胎架卸载前后悬挑架受力状况会由简支状态变为悬挑状态，钢构件内力会重新分布，通过时变因素施工模拟技术进行全过程的模拟验算，进而控制整体结构施工的安全性与压缩变形精度。
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