大型鋼桁架吊裝整體設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

[摘要] 本文對大型鋼結(jié)構(gòu)桁架整體設(shè)計(jì)及施工技術(shù)提出關(guān)注要點(diǎn)。

一、引  言

目前，工業(yè)建筑及橋梁吊裝工程，出現(xiàn)事故較多。以大型桁架及箱形梁整體工藝宏觀情況而言，各種工序比較繁瑣。當(dāng)我們具體實(shí)施一個(gè)工程時(shí)，應(yīng)抓住工程主體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)企業(yè)自身大型機(jī)械配置條件確定吊裝施工整體方案。首要的問題著重在估計(jì)吊裝施工整體過程中其易出錯(cuò)之處，找出解決問題的關(guān)鍵所在。對于具體類型工程施工常規(guī)特點(diǎn)，建立某種工程類型施工整體“設(shè)計(jì)”理念。下面對大型鋼結(jié)構(gòu)桁架吊裝施工技術(shù)作全面闡述。

二、臨時(shí)支撐塔架設(shè)計(jì)

我們在此說明一個(gè)情況，大型桁架或箱形梁由于重量太大，在施工階段往往分段吊，這叫先是化整為零，后又聚零為整。在施工過程中所用支撐分為工程主體結(jié)構(gòu)永久支撐及臨時(shí)施工支撐兩種類型。以下談臨時(shí)支撐的設(shè)計(jì)。

支撐塔架設(shè)計(jì)的技術(shù)條件來源于支撐卸載分析的結(jié)果，它給出了整體、分級同步的卸載過程中，各個(gè)支撐點(diǎn)在各個(gè)卸載階段性的反力情況。統(tǒng)計(jì)其中每個(gè)點(diǎn)在所有步驟中的最大反力就是施工加在支撐塔吊上的使用荷載。

同時(shí)，在桁架的安裝過程中，雖然支撐塔架所受的豎向力沒有在卸載過程中相應(yīng)支撐點(diǎn)最大反力大，但安裝順序使得施工過程主桁架獨(dú)立的風(fēng)荷載很大，并作為一個(gè)水平集中荷載施加在塔架的柱頂。因此，主桁架在安裝過程中所受的風(fēng)荷載也是支撐塔架受力分析的一個(gè)控制工況。

（一）體系選型

1．臨時(shí)支撐塔架和柱頂系桿桁架

為方便現(xiàn)場加工、制作和安裝，提高其經(jīng)濟(jì)性，支撐塔架和柱頂系桿桁架的設(shè)計(jì)均采用標(biāo)準(zhǔn)段模數(shù)化的方式。支撐塔架的柱肢可采用螺旋焊管，水平腹桿采用雙角鋼十字形布置。為節(jié)約鋼材支撐塔架的斜腹桿亦可采用X形交叉體系腹桿，設(shè)計(jì)時(shí)只考慮其受拉不考慮其受壓，其截面形式采用角鋼。為提高支撐塔架的柱身的抗扭剛度，在每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)段的兩端和中間區(qū)域設(shè)置交叉橫隔，交叉橫隔的截面采用角鋼。柱頂系桿桁架的設(shè)計(jì)方式與支撐塔架基本相同。

2．抗側(cè)力體系的形成

臨時(shí)支撐塔架主要考慮的水平側(cè)力為風(fēng)荷載。除支撐塔架自身及柱頂系桿桁架需抵抗風(fēng)荷載外，主要考慮支撐于塔架身上的主桁架受風(fēng)作用。比如上、下弦桿為1000mm×1000mm，腹桿為600mm×600mm的箱形梁。主桁架受風(fēng)面大，處在高空，受風(fēng)作用敏感。為增強(qiáng)各支撐塔架整體協(xié)同抗風(fēng)的能力，在各支撐塔架頂部設(shè)置格構(gòu)式柱頂系桿作為水平支撐體系。另外，為提高整體結(jié)構(gòu)柱頂平面支撐系統(tǒng)的抗扭剛度，在角部區(qū)域設(shè)置隅撐。計(jì)算分析表明，上述結(jié)構(gòu)的整體工作接近于空間排架結(jié)構(gòu)，支撐塔架的受力與懸臂柱類似，為提高整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力，單方面增加支撐塔架承載力和剛度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，也是極不經(jīng)濟(jì)的，因此，為傳遞側(cè)向風(fēng)載，需進(jìn)一步采取其他措施，形成整體結(jié)構(gòu)的抗力體系。

（二）設(shè)計(jì)計(jì)算

綜上所述，上述整體結(jié)構(gòu)中，支撐塔架柱的計(jì)算和設(shè)計(jì)是關(guān)鍵中的關(guān)鍵，為此計(jì)算時(shí)采取兩種計(jì)算方案。方案一，支撐塔架作為單根懸臂柱進(jìn)行計(jì)算分析，作為強(qiáng)化支撐塔架設(shè)計(jì)的手段。方案

三、多點(diǎn)卸載施工技術(shù)與管理

（一）多點(diǎn)卸載施工技術(shù)與管理

對于大型橫桁架吊裝多點(diǎn)同布步卸載是技術(shù)含金量很高的工作。具體操作：

（1）施工方法

采用分步、等距多行程、多點(diǎn)擬同步卸載的工藝進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)桁架卸載，每次行程5mm。也可實(shí)行不同步卸載

（2）千斤頂使用。

由于在施工過程中，千斤頂在屋架安裝過程中長期處于受力狀態(tài)，液壓千斤頂將出現(xiàn)回油現(xiàn)象，所以選用螺旋千斤頂。千斤頂?shù)倪x擇在卸載點(diǎn)最大支點(diǎn)反力的基礎(chǔ)上取1.4倍安全系數(shù)。

（3）卸載施工管理

①卸載準(zhǔn)備工作

對施工現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地檢查，為工作人員創(chuàng)造一個(gè)暢通安全的工作面，以保證卸載時(shí)施工人員能夠便捷、安全地施工。為便于工人直觀掌握每次卸載行程，在千斤頂上逐一以5mm為單位作出刻度。為避免千斤頂在退出工作時(shí)失穩(wěn)，用鉛絲將其聯(lián)系在施工平臺上。同時(shí)為避免支點(diǎn)千斤頂荷載將構(gòu)件節(jié)點(diǎn)反頂變形，在節(jié)點(diǎn)下方布置300mm×300mm×20mm的鋼板進(jìn)行過渡。

②卸載過程組織管理及人力安排

對所有參加卸載的施工人員提前進(jìn)行模擬訓(xùn)練。卸載時(shí)現(xiàn)場管理人員按區(qū)域劃分，每人負(fù)責(zé)2～3個(gè)卸載點(diǎn)，在卸載過程中各自對片區(qū)內(nèi)的卸載點(diǎn)及腳手架支撐體系進(jìn)行監(jiān)測。卸載過程中對20處應(yīng)力比較大桿件的焊縫進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。卸載由總指揮統(tǒng)一指揮，規(guī)定下降行程，信息溝通采用對講機(jī)。每個(gè)卸載工位工人按照千斤頂劃格尺寸（每格5mm）嚴(yán)格控制行程。

③卸載過程同步監(jiān)測技術(shù)

為了對鋼結(jié)構(gòu)在卸載過程中的安全狀況進(jìn)行評估，屋蓋卸載過程進(jìn)行同步監(jiān)測，主要對大應(yīng)力桿件的應(yīng)力-應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，按照設(shè)計(jì)要求預(yù)警指數(shù)為0.9對重點(diǎn)桿件監(jiān)測。應(yīng)力變化情況隨時(shí)用對講機(jī)與總指揮溝通。

（二）梁腳定位及主梁合攏

1．梁腳定位

（1）按照原設(shè)計(jì)四根螺栓斜向懸空固定梁腳，且需混凝土澆筑后強(qiáng)度達(dá)到100%才能進(jìn)行下道工序，螺栓的定位施工難度相當(dāng)大且影響施工進(jìn)度，經(jīng)與設(shè)計(jì)協(xié)商改變固定方式，采用在平面預(yù)埋錨板，待澆筑混凝土精確放線定位后進(jìn)行鋼腳的安裝。另外改鋼梁腳內(nèi)的底部壓力灌漿為頂部自流混凝土的澆筑，既可以先進(jìn)行第二步基礎(chǔ)混凝土澆筑再進(jìn)行鋼梁腳內(nèi)混凝土澆筑，又保證了鋼梁腳的固定牢固。（臨時(shí)塔架可不使用混凝土）

（2）鋼梁腳在安裝過程中存在兩個(gè)角度的傾斜，鋼梁腳的安裝定位還是存在很大的難度。主梁腳的安裝精度對整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的安裝是關(guān)鍵。

（3）根據(jù)主梁腳的相對坐標(biāo)，確定主梁腳的底板及頂部的測量定位布置。根據(jù)梁腳底板的投影控制圖在某標(biāo)高位置旋轉(zhuǎn)三塊預(yù)埋鋼板的埋設(shè)位置。

（4）待混凝土澆筑至標(biāo)高后在該不平面位置精確放出主拱底板投影邊線，用投影點(diǎn)來控制底板的四個(gè)角，然后根據(jù)定位底板的坐標(biāo)，就地設(shè)置底板面的模型，最后根據(jù)底板面的模型來設(shè)置底部的支撐胎架。

（5）主梁腳頂部的控制采用同樣的方法，在混凝土基礎(chǔ)面上設(shè)置四個(gè)角的投影點(diǎn)，根據(jù)主梁腳的定位坐標(biāo)得出，底板和頂面的上下邊的投影線的X軸是相對平行的，且平行于控制線，頂面角的控制主要靠經(jīng)緯儀在頂部上下邊的延長線上進(jìn)行控制。

2．主梁合攏

設(shè)計(jì)如要求工程的合攏溫度為19±5℃。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工程總體進(jìn)度安排，如合攏時(shí)間安排在7月上旬。實(shí)際合攏時(shí)間如當(dāng)時(shí)氣溫符合設(shè)計(jì)合攏溫度要求。為了對合攏溫度進(jìn)行監(jiān)測，在鋼結(jié)構(gòu)上布設(shè)了溫度測點(diǎn)，對鋼結(jié)構(gòu)本體溫度進(jìn)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明所有合攏施工均滿足設(shè)計(jì)合攏溫度要求。

為控制合攏時(shí)合攏口的間隙，減少合攏口的焊接量和焊接殘余應(yīng)力，確保合攏口的焊接質(zhì)量在進(jìn)行合攏段安裝時(shí)，該間隙大小要考慮溫度變形計(jì)算結(jié)果和焊接收縮變形。為確保合攏口在施工過程中因溫度變化而自由伸縮，合攏口采用卡馬連接，卡馬的大小和數(shù)量根據(jù)受力計(jì)算確定。在整個(gè)安裝過程中，定時(shí)檢查卡馬的連接焊縫和變形情況和合攏口的間隙情況。

在卡馬合攏焊接的過程中嚴(yán)格控制鋼結(jié)構(gòu)本體溫度滿足設(shè)計(jì)要求；合攏卡馬焊接完成后，隨后進(jìn)行合攏口結(jié)構(gòu)對接焊縫的連接焊接，直至對接焊縫焊接完成；對接焊縫焊接完成后對焊縫進(jìn)行100%的自檢探傷和第三方探傷。

此處用于點(diǎn)電焊焊接連接，如用螺栓，下文敘述。

（三）支撐塔架卸載

卸載時(shí)遵循“變形協(xié)調(diào)、卸載均衡”的原則，采用從中間向兩端逐步卸荷的施工方案，先進(jìn)行兩榀主梁的卸荷，使主梁完全處于聯(lián)結(jié)狀態(tài)能承載受力之后，再拆除中間支撐架。卸載前主梁結(jié)構(gòu)施工完畢，且無損探合格。

卸荷時(shí)仍由中間向兩端同時(shí)進(jìn)行，直至全部卸完。由于桁架卸荷落位過程是使整個(gè)桁架大兩梁緩慢地完成協(xié)同空間全部受力過程，此間桁架發(fā)生較大的內(nèi)力重分布，為使每次落位的桁架具有足夠的時(shí)間進(jìn)行內(nèi)力重新分布，每次卸載間隔時(shí)間不小于1h，卸荷過程中現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測。完全有必要事先對支架撓度計(jì)算。

 由于某種原因，筆者曾對總共168t，跨度80m大型鋼結(jié)構(gòu)桁架最終短期撓度計(jì)算結(jié)果15cm，而吊裝完畢幾天后為12.5cm,與實(shí)際還算吻合。

（四）臨時(shí)支撐的卸載問題

有的工程由于是懸臂桁架結(jié)構(gòu)，在施工過程中都運(yùn)用臨時(shí)支撐作為結(jié)構(gòu)的臨時(shí)固定，施工結(jié)束后必須拆除，使結(jié)構(gòu)恢復(fù)自由狀態(tài)。支撐的拆除過程也就是所謂的卸載，是一個(gè)力的轉(zhuǎn)移過程，通過對臨時(shí)支撐的逐漸拆除，荷載也轉(zhuǎn)移完畢，整個(gè)卸載過程完成。這種理念在處理鋼筋混凝土懸挑梁下腳手架施工也碰到過。

在整個(gè)卸載過程中荷載轉(zhuǎn)移如遇不確定因素，控制不好可能造成支架受力不均，導(dǎo)致支架的強(qiáng)度、穩(wěn)定性都受到影響，容易發(fā)生意外。

（五）某些關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)滴

1．保證鋼結(jié)構(gòu)支架柱順利安裝的措施

（1）測量控制：利用全站儀對鋼結(jié)構(gòu)支架進(jìn)行定位控制是此次主要的測量控制方式，由于全站儀是坐標(biāo)定位，所以在定位及復(fù)核控制時(shí)可有效地控制因建筑物長而引起的累積安裝誤差。完全有必要事先對支架撓度計(jì)算。

（2）澆注混凝土?xí)r為了鋼結(jié)構(gòu)支架柱的穩(wěn)定性和不產(chǎn)生太大的柱頂位移，在鋼支架柱的四周布置一道臨時(shí)梁，在澆注混凝土?xí)r鋼骨柱不被沖偏，控制鋼骨柱柱頂側(cè)向位移在設(shè)計(jì)和規(guī)范要求的范圍之內(nèi)。在安裝鋼支架，應(yīng)形成穩(wěn)定空間框架體系，再向四周擴(kuò)散安裝，使安裝誤差向四周擴(kuò)散，有利于安裝精度的控制。

2．懸臂桁架結(jié)構(gòu)安裝

碰到懸臂桁架結(jié)構(gòu)的安裝之前必須在懸臂桁架中的鋼柱所對應(yīng)的位置處設(shè)置臨時(shí)支撐作為擱置點(diǎn)，以解決鋼桁架在平面內(nèi)的穩(wěn)定問題。在鋼筋混凝土大梁補(bǔ)強(qiáng)過程也可使用此法。

我們在施工過程中考慮以下幾個(gè)問題：

（1）通過計(jì)算，臨時(shí)支撐柱如采用型鋼，可考慮采用H350×150×6×8的高頻焊H型鋼，臨時(shí)梁采用H200×100×4×6的高頻H型鋼，由于臨時(shí)柱較長，通過臨時(shí)梁的連接可降低臨時(shí)柱的長細(xì)比，解決臨時(shí)柱面外的穩(wěn)定問題。頂部通過連接板與鋼柱相連，底部通過膨脹螺栓、連接板與混凝土結(jié)構(gòu)樓面相連。當(dāng)然采用構(gòu)架或型鋼取決于柱子的長短與柱頂荷載的大小，風(fēng)載大小等等。

（2）為保證懸臂桁架的底標(biāo)高在同一個(gè)水平面層，臨時(shí)支撐柱的高度必須進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)算確定其長度。通過臨時(shí)支架的搭設(shè)解決了懸臂桁架的穩(wěn)定問題。

3、箱型梁或桁架梁的吊裝

    舉例，250t或350t履帶吊在平行于柱橫向軸線位置站車，待運(yùn)輸車輛就位后，吊車前行，在保證8m水平距離時(shí)，用吊裝吊耳吊起后運(yùn)輸車輛退出。起鉤將吊車梁吊到約16.5米標(biāo)高處，趴桿回鉤至設(shè)計(jì)位置（箱型梁或桁架梁安裝時(shí)應(yīng)按柱肩梁處的中心線進(jìn)行嚴(yán)格對中，做到公差均勻分配，以減少箱型梁的調(diào)整工作。）箱型梁的一端直接落在預(yù)設(shè)的施工胎架上，胎架上方設(shè)置100噸液壓千斤頂。待該支架間的大梁段全部安裝完畢后，用千斤頂微調(diào)至要求的高度后(此時(shí)箱梁整體達(dá)到設(shè)計(jì)要求的起拱)并及時(shí)安裝斷口處的高強(qiáng)螺栓使其連接成整體，形成穩(wěn)定的剛度單元，保證箱型梁的整體穩(wěn)定后開始對箱型梁的上翼緣板進(jìn)行焊接，梁翼緣板焊接完畢并冷卻后及時(shí)對焊口處進(jìn)行100％UT探傷，并撤走施工胎架。

上文所談為一機(jī)吊裝，如果兩機(jī)抬吊，計(jì)算時(shí)每機(jī)吊裝能力至少乘0.7系數(shù).

另外還有兩種情況:

吊裝計(jì)算時(shí)一機(jī)為主,一臺輔助.前者大,后者小。筆者在上海10號軌道線看到這種處理方法。吊裝地下連續(xù)墻整體大鋼筋籠30m 高。原應(yīng)以大機(jī)100t履帶吊為主，結(jié)果小機(jī)50t履帶吊與大機(jī)配合不好，太過積極，一用力。小機(jī)綱絲繩升得比大機(jī)快，抖動一下，小吊機(jī)差點(diǎn)翻掉。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)整，最后有驚無險(xiǎn)。在現(xiàn)場可體會力學(xué)原理。這可培養(yǎng)應(yīng)急應(yīng)變能力。避免紙上談兵，刻舟求劍。由此來看，兩機(jī)合作，其受力關(guān)系內(nèi)在相當(dāng)微妙。此為筆者親眼目睹。

實(shí)力越強(qiáng)的企業(yè)吊裝能力系數(shù)放得越大。有人作了比方，.系數(shù)放的大的，如在平地趟趟；系數(shù)放的小的，如履薄冰，如臨深淵。

（六）施工方法

施工流程

工程前期準(zhǔn)備→鋼結(jié)構(gòu)廠內(nèi)制造→預(yù)埋件復(fù)測驗(yàn)收→設(shè)備進(jìn)場調(diào)試→噴砂除銹、涂裝→鋼構(gòu)件地面組、拼裝→桁架分段吊裝→卸荷、落架、螺桿連接或焊接連接分段桁架→去掉桁架中間支座→拆除胎架→清理現(xiàn)場、補(bǔ)涂油漆、整理資料→竣工驗(yàn)收

（七）高強(qiáng)螺栓施工

四、結(jié)   語

隨著國家建筑、交通、水利事業(yè)的發(fā)展，土木工程機(jī)械與吊裝工藝不斷提高，然而事故也層出不窮。筆者對建筑機(jī)械給吊裝工藝的影響有所知曉。浙江寧波鎮(zhèn)海煉油廠擬吊裝80m跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架大梁。原打算分段吊裝，程序絕對繁瑣，各種數(shù)據(jù)絕對要準(zhǔn)，大型機(jī)械設(shè)備配備又捉襟見肘。后來，中國石油化工股份有限公司自行安排吊裝。由于該公司為國營大型集團(tuán)，機(jī)械裝備力量雄厚，吊裝80m鋼結(jié)構(gòu)桁架大梁無非就是小事一樁，無須分段吊裝。使用兩臺350tlv 履帶吊，其中一臺為主，一臺為輔，現(xiàn)場目睹168t80m鋼結(jié)構(gòu)桁架大梁如小雞被老鷹抓住，一下子升到空中，并干脆利索落在案主體塔架上。觀者大開眼界，一會兒其心吊在懸空，忐忑不安；一會兒又大汗淋漓，如釋重負(fù)。筆者所處環(huán)境條件有限，但對于大型桁架吊裝也有興趣，所謂“高山仰之，景行行之，雖不能之，然心向往之”。筆者對大型吊裝有所涉獵，有所體驗(yàn)。今以一孔之見撰文如上。

顏文玉