大型鋼桁架吊裝整體設計與施工技術

[摘要] 本文對大型鋼結構桁架整體設計及施工技術提出關注要點。

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。當我們具體實施一個工程時，應抓住工程主體結構特點，根據企業(yè)自身大型機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吊裝施工整體過程中其易出錯之處，找出解決問題的關鍵所在。對于具體類型工程施工常規(guī)特點，建立某種工程類型施工整體“設計”理念。下面對大型鋼結構桁架吊裝施工技術作全面闡述。

二、臨時支撐塔架設計

我們在此說明一個情況，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構永久支撐及臨時施工支撐兩種類型。以下談臨時支撐的設計。

支撐塔架設計的技術條件來源于支撐卸載分析的結果，它給出了整體、分級同步的卸載過程中，各個支撐點在各個卸載階段性的反力情況。統(tǒng)計其中每個點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，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支撐點最大反力大，但安裝順序使得施工過程主桁架獨立的風荷載很大，并作為一個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荷載也是支撐塔架受力分析的一個控制工況。

（一）體系選型

1．臨時支撐塔架和柱頂系桿桁架

為方便現(xiàn)場加工、制作和安裝，提高其經濟性，支撐塔架和柱頂系桿桁架的設計均采用標準段模數化的方式。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，設計時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)標準段的兩端和中間區(qū)域設置交叉橫隔，交叉橫隔的截面采用角鋼。柱頂系桿桁架的設計方式與支撐塔架基本相同。

2．抗側力體系的形成

臨時支撐塔架主要考慮的水平側力為風荷載。除支撐塔架自身及柱頂系桿桁架需抵抗風荷載外，主要考慮支撐于塔架身上的主桁架受風作用。比如上、下弦桿為1000mm×1000mm，腹桿為600mm×600mm的箱形梁。主桁架受風面大，處在高空，受風作用敏感。為增強各支撐塔架整體協(xié)同抗風的能力，在各支撐塔架頂部設置格構式柱頂系桿作為水平支撐體系。另外，為提高整體結構柱頂平面支撐系統(tǒng)的抗扭剛度，在角部區(qū)域設置隅撐。計算分析表明，上述結構的整體工作接近于空間排架結構，支撐塔架的受力與懸臂柱類似，為提高整體結構的抗側能力，單方面增加支撐塔架承載力和剛度是遠遠不夠的，也是極不經濟的，因此，為傳遞側向風載，需進一步采取其他措施，形成整體結構的抗力體系。

（二）設計計算

綜上所述，上述整體結構中，支撐塔架柱的計算和設計是關鍵中的關鍵，為此計算時采取兩種計算方案。方案一，支撐塔架作為單根懸臂柱進行計算分析，作為強化支撐塔架設計的手段。方案

三、多點卸載施工技術與管理

（一）多點卸載施工技術與管理

對于大型橫桁架吊裝多點同布步卸載是技術含金量很高的工作。具體操作：

（1）施工方法

采用分步、等距多行程、多點擬同步卸載的工藝進行鋼結構桁架卸載，每次行程5mm。也可實行不同步卸載

（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。千斤頂的選擇在卸載點最大支點反力的基礎上取1.4倍安全系數。

（3）卸載施工管理

①卸載準備工作

對施工現(xiàn)場進行實地檢查，為工作人員創(chuàng)造一個暢通安全的工作面，以保證卸載時施工人員能夠便捷、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失穩(wěn)，用鉛絲將其聯(lián)系在施工平臺上。同時為避免支點千斤頂荷載將構件節(jié)點反頂變形，在節(jié)點下方布置300mm×300mm×20mm的鋼板進行過渡。

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行模擬訓練。卸載時現(xiàn)場管理人員按區(qū)域劃分，每人負責2～3個卸載點，在卸載過程中各自對片區(qū)內的卸載點及腳手架支撐體系進行監(jiān)測。卸載過程中對20處應力比較大桿件的焊縫進行重點監(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。每個卸載工位工人按照千斤頂劃格尺寸（每格5mm）嚴格控制行程。

③卸載過程同步監(jiān)測技術

為了對鋼結構在卸載過程中的安全狀況進行評估，屋蓋卸載過程進行同步監(jiān)測，主要對大應力桿件的應力-應變進行監(jiān)測，按照設計要求預警指數為0.9對重點桿件監(jiān)測。應力變化情況隨時用對講機與總指揮溝通。

（二）梁腳定位及主梁合攏

1．梁腳定位

（1）按照原設計四根螺栓斜向懸空固定梁腳，且需混凝土澆筑后強度達到100%才能進行下道工序，螺栓的定位施工難度相當大且影響施工進度，經與設計協(xié)商改變固定方式，采用在平面預埋錨板，待澆筑混凝土精確放線定位后進行鋼腳的安裝。另外改鋼梁腳內的底部壓力灌漿為頂部自流混凝土的澆筑，既可以先進行第二步基礎混凝土澆筑再進行鋼梁腳內混凝土澆筑，又保證了鋼梁腳的固定牢固。（臨時塔架可不使用混凝土）

（2）鋼梁腳在安裝過程中存在兩個角度的傾斜，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鋼結構的安裝是關鍵。

（3）根據主梁腳的相對坐標，確定主梁腳的底板及頂部的測量定位布置。根據梁腳底板的投影控制圖在某標高位置旋轉三塊預埋鋼板的埋設位置。

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

（5）主梁腳頂部的控制采用同樣的方法，在混凝土基礎面上設置四個角的投影點，根據主梁腳的定位坐標得出，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緯儀在頂部上下邊的延長線上進行控制。

2．主梁合攏

設計如要求工程的合攏溫度為19±5℃。根據鋼結構工程總體進度安排，如合攏時間安排在7月上旬。實際合攏時間如當時氣溫符合設計合攏溫度要求。為了對合攏溫度進行監(jiān)測，在鋼結構上布設了溫度測點，對鋼結構本體溫度進行全程實時監(jiān)測，監(jiān)測結果表明所有合攏施工均滿足設計合攏溫度要求。

為控制合攏時合攏口的間隙，減少合攏口的焊接量和焊接殘余應力，確保合攏口的焊接質量在進行合攏段安裝時，該間隙大小要考慮溫度變形計算結果和焊接收縮變形。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，卡馬的大小和數量根據受力計算確定。在整個安裝過程中，定時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格控制鋼結構本體溫度滿足設計要求；合攏卡馬焊接完成后，隨后進行合攏口結構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行100%的自檢探傷和第三方探傷。

此處用于點電焊焊接連接，如用螺栓，下文敘述。

（三）支撐塔架卸載

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

卸荷時仍由中間向兩端同時進行，直至全部卸完。由于桁架卸荷落位過程是使整個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)生較大的內力重分布，為使每次落位的桁架具有足夠的時間進行內力重新分布，每次卸載間隔時間不小于1h，卸荷過程中現(xiàn)場進行監(jiān)測。完全有必要事先對支架撓度計算。

 由于某種原因，筆者曾對總共168t，跨度80m大型鋼結構桁架最終短期撓度計算結果15cm，而吊裝完畢幾天后為12.5cm,與實際還算吻合。

（四）臨時支撐的卸載問題

有的工程由于是懸臂桁架結構，在施工過程中都運用臨時支撐作為結構的臨時固定，施工結束后必須拆除，使結構恢復自由狀態(tài)。支撐的拆除過程也就是所謂的卸載，是一個力的轉移過程，通過對臨時支撐的逐漸拆除，荷載也轉移完畢，整個卸載過程完成。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。

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

（五）某些關鍵技術點滴

1．保證鋼結構支架柱順利安裝的措施

（1）測量控制：利用全站儀對鋼結構支架進行定位控制是此次主要的測量控制方式，由于全站儀是坐標定位，所以在定位及復核控制時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算。

（2）澆注混凝土時為了鋼結構支架柱的穩(wěn)定性和不產生太大的柱頂位移，在鋼支架柱的四周布置一道臨時梁，在澆注混凝土時鋼骨柱不被沖偏，控制鋼骨柱柱頂側向位移在設計和規(guī)范要求的范圍之內。在安裝鋼支架，應形成穩(wěn)定空間框架體系，再向四周擴散安裝，使安裝誤差向四周擴散，有利于安裝精度的控制。

2．懸臂桁架結構安裝

碰到懸臂桁架結構的安裝之前必須在懸臂桁架中的鋼柱所對應的位置處設置臨時支撐作為擱置點，以解決鋼桁架在平面內的穩(wěn)定問題。在鋼筋混凝土大梁補強過程也可使用此法。

我們在施工過程中考慮以下幾個問題：

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

（2）為保證懸臂桁架的底標高在同一個水平面層，臨時支撐柱的高度必須進行實際驗算確定其長度。通過臨時支架的搭設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，待運輸車輛就位后，吊車前行，在保證8m水平距離時，用吊裝吊耳吊起后運輸車輛退出。起鉤將吊車梁吊到約16.5米標高處，趴桿回鉤至設計位置（箱型梁或桁架梁安裝時應按柱肩梁處的中心線進行嚴格對中，做到公差均勻分配，以減少箱型梁的調整工作。）箱型梁的一端直接落在預設的施工胎架上，胎架上方設置100噸液壓千斤頂。待該支架間的大梁段全部安裝完畢后，用千斤頂微調至要求的高度后(此時箱梁整體達到設計要求的起拱)并及時安裝斷口處的高強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行焊接，梁翼緣板焊接完畢并冷卻后及時對焊口處進行100％UT探傷，并撤走施工胎架。

上文所談為一機吊裝，如果兩機抬吊，計算時每機吊裝能力至少乘0.7系數.

另外還有兩種情況:

吊裝計算時一機為主,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。原應以大機100t履帶吊為主，結果小機50t履帶吊與大機配合不好，太過積極，一用力。小機綱絲繩升得比大機快，抖動一下，小吊機差點翻掉。經過現(xiàn)場調整，最后有驚無險。在現(xiàn)場可體會力學原理。這可培養(yǎng)應急應變能力。避免紙上談兵，刻舟求劍。由此來看，兩機合作，其受力關系內在相當微妙。此為筆者親眼目睹。

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

（六）施工方法

施工流程

工程前期準備→鋼結構廠內制造→預埋件復測驗收→設備進場調試→噴砂除銹、涂裝→鋼構件地面組、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、補涂油漆、整理資料→竣工驗收

（七）高強螺栓施工

四、結   語

隨著國家建筑、交通、水利事業(yè)的發(fā)展，土木工程機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跨度鋼結構桁架大梁。原打算分段吊裝，程序絕對繁瑣，各種數據絕對要準，大型機械設備配備又捉襟見肘。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，機械裝備力量雄厚，吊裝80m鋼結構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鋼結構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。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。今以一孔之見撰文如上。

顏文玉