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創(chuàng)新工藝！大跨度多榀不等跨鋼結構懸挑桁架整體吊裝施工技術

工程概況

1.1、工程簡況

本工程為扎蘭屯職業(yè)學院PPP項目，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)扎蘭屯市。用地南側(cè)緊鄰綠林街,東側(cè)緊鄰秀水路，建筑規(guī)模:校園外總建筑面積:98945.12㎡.其中地上建筑面積：98095.85㎡,地下建筑建筑:849.27㎡，校區(qū)建設包括校園內(nèi)和校園外,校園內(nèi)包括:醫(yī)學護理系,農(nóng)業(yè)工程系,畜牧獸醫(yī)系,信息工程系經(jīng)濟管理系,教育科學系,公共教學樓，校園外包括：綜合實訓樓,圖書館,動力中心,體育館,5000人看臺,5個學生宿舍,2個食堂。

其中，體育場總建筑面積為7965.60㎡，地上室外單層看臺,內(nèi)設局部三層夾層,建筑高度為14.100m。下部結構為鋼筋混凝土框架結構,上部為立體桁架結構，建筑的設計使用年限為50年。體育場總座席數(shù)為5000席,包括126個貴賓席。

圖1 體育場整體效果圖

1.2.設計概況

扎蘭屯職業(yè)學院工程體育場設計懸挑鋼結構桁架，平面長度179.6m，最大懸挑跨度為35m，主桁架25榀，次桁架96榀。拱桁架主要為三角形立體桁架，桁架寬度2.0m，跨中厚度約2.964m。由于是扇形,桁架間距由6.529m—10.429m不等，桁架標高由12.497m—24.216m不等。鋼結構設計檐口高度：16.466m—24.216m。最大懸挑長度34m。鋼結構用量：281.5166T。

圖2 體育場平面圖

施工重難點分析

2.1.鋼管相貫線切割

采用空間管桁架結構，桁架弦桿與腹桿之間大量采用相貫口連接，相貫口加工精確度直接影響到構件拼裝精度和焊接質(zhì)量，因此相貫口切割是本工程加工的一大重點。

2.2.現(xiàn)場拼裝工作量大、精度高

主桁架寬2m，高最大約3m，需要在現(xiàn)場進行拼裝、焊接，拼裝工作量極大；鋼結構屋蓋造型新穎、優(yōu)美，拼裝精度控制難度很高。

2.3.焊接質(zhì)量要求高

主桁架為整個屋蓋的屋蓋承重體系，同時，節(jié)點部位多管相貫，焊縫密集，部分焊縫重合，其焊接質(zhì)量將關系到整個結構的安全功能。

2.4.高空作業(yè)安全難度大

由于施工人員在高空進行拼裝作業(yè)，在施工及行走過程中存在安全帶無懸掛點，給施工安全帶來較大的難度。

施工方法

通過計算模擬分析確定懸挑桁架部位，并在單元桁架端部設置臨時支撐架，用H型鋼、角鋼等輔助材料制作桁架整體拼裝的胎架，臨時支撐架采用井字格構式，中間間隔2m，地面鋪設鋼板，臨時支撐架立于鋼板上。單個截面為2m×2m，步高3m，立桿采用φ140×4mm鋼管，腹桿采用L50×4mm角鋼。防止單個桁架出現(xiàn)撓度。

為減少構件的二次倒運及現(xiàn)場的實際條件，第一次拼裝胎架設置P軸內(nèi)。根據(jù)本工程特點及上述主桁架的特點，桁架分段最大重量12.456T。利用平拼式拼裝法進行拼裝，控制好桁架整體的撓度及拼裝精度。整體懸挑結構安裝焊接完成后，采用兩臺80T汽車吊吊裝，先安裝中軸線21軸，再安裝21-H1軸/21-H14軸。

圖3 體育場桁架安裝順序圖

工藝流程

圖4 體育場工藝流程圖

操作要點

（1）成品構件要有質(zhì)量合格證，并按規(guī)定進行規(guī)格、尺寸以及外觀等項目檢查驗收。對于超差或變形的構件應進行修理和矯正。

（2）每個單獨的臨時支撐胎架中部設4道纜風繩，纜風繩采用φ12鋼絲繩。底部固定在支座或附近的地錨上。

圖5 體育場安裝設計圖

（3）桁架的吊裝吊點選擇在桁架上弦，每個吊次選擇至少4個吊點，吊點選擇在上弦節(jié)點處，在吊裝時，吊鉤保證在吊裝構件質(zhì)心正上方，采取鋼絲繩捆綁式吊裝，在體育場外及體育場內(nèi)各站一臺吊車,進行雙機抬吊。

圖6 體育場吊車布置平面圖

圖7 體育場現(xiàn)場施工圖

（4）本工程相貫節(jié)點鋼管支數(shù)最多達7個，在深化設計過程中嚴格按照管徑、壁厚、桿件的拉壓作用等條件進行管件相貫順序排序、編號。施工過程中嚴格按照深化圖紙進行施工。

（5）對于撓度的測量，可以通過水準儀和塔尺對管桁架下弦的四等分點的標高測量來檢查其撓度情況。本工程平面控制網(wǎng)分，共設置5個控制點，分別為K1--K5：

圖8 體育場監(jiān)測點位布置圖

（6）管桁架的卸載施工方案采用整體同步卸載，遵循同步等距的施工原則。同時將要卸載千斤頂往下調(diào)5mm。調(diào)整后進行監(jiān)測變形等技術參數(shù)，無特殊變化后再重復操作。直至支撐點完全受力。按照臨時支撐設計圖紙對支撐的構件進行檢查，如有變形、彎曲的構件進行更換或者補強，需要加強的部位進行加強（如千斤頂受力部分），以保證卸載過程中的整體結構安全。

（7）為了確保結構卸載后達到預期的下降量，必須對整個結構在卸載過程中的變形采用全站儀進行監(jiān)測。在卸載過程中要時刻監(jiān)測，隨時控制各控制點的變形情況，監(jiān)測鋼結構在卸載過程中是否有與計算結果有較大偏差的出現(xiàn)。

（8）鋼結構高空作業(yè)與底部裝修作業(yè)分開進行，避免地面操作人員在高空作業(yè)的正下方停留或通過。合理預留交叉間距，時刻保證安全作業(yè)。設置明顯的作業(yè)警戒標志，施工區(qū)域嚴禁他人入內(nèi)，并做好相應應急處理措施。

（9）針對鋼結構高空作業(yè)施工，由于施工人員在行走過程中存在安全帶無懸掛點，在頂板處南北方向的次梁位置設置安全繩，底部桁架確定行走路線及安裝安全爬梯，并設置安全繩提供施工人員行走及上下班使用。以確保施工人員行走安全。

圖9 體育場屋頂安全繩布置圖

質(zhì)量控制

（1）桁架結構各部位節(jié)點、桿件、連接件的規(guī)格、品種及焊接材料必須符合設計要求。

（2）安裝、焊接按照桿件管徑、壁厚、拉壓作用等條件，按照“先主后次，先大后小，先拉后壓，先安裝再焊接，先趾部再根部，由里往外，分段焊接，對稱施焊”的原則進行排序施工。避免隱蔽焊縫不能焊接及減少焊接變形和殘余應力對質(zhì)量的影響。施工順序如下圖示意：施工順序：1（桿件）→2（桿件）→3（桿件）→4（桿件）

圖10 體育場桿件節(jié)點施工順序圖

（3）鋼結構焊縫內(nèi)部缺陷檢查一般采用超聲波探傷，對本工程，凡要求全熔透的焊縫全部進行超聲波探傷。對碳素結構鋼可在焊縫冷卻到環(huán)境溫度時檢測；對低合金高強度結構鋼應在完成24小時后進行檢測。當板厚超過40mm時，應在48h后或更長的時間進行檢測。

圖11 體育場桿件連接焊縫檢測圖

（4）鋼桁架焊接完成后，所有焊縫必須進行外觀檢查，并做出記錄。桿件之間的對接焊縫，必須作無損探傷檢驗。焊縫質(zhì)量標準必須符合鋼結構工程施工及驗收規(guī)范標準。

（5）鋼桁架安裝后，吊裝前在拆卸臨時支架時應注意同步，逐步地拆卸，防止應力集中，使鋼桁架產(chǎn)生局部變形或使局部單元格變形。

圖12 體育場桁架端部支撐圖

（6）鋼桁架安裝應注意支座的受力情況，所以鋼桁架支座的施工應嚴格按照設計要求和產(chǎn)品說明進行。支座墊板、限位板等應按規(guī)定順序，方法安裝。

圖13 體育場支座節(jié)點施工圖

（7）鋼桁架結構總拼完后及屋面施工完后應分別測量其撓度值；所測的撓度值，不得超過相應設計值的15%。

圖14 體育場現(xiàn)場測量圖

（8）鋼結構在安裝、卸載施工過程中，選取觀測點位置并使用全站儀進行全程觀測，并記錄；每個安裝(卸載)均設置觀測點，施工過程中全程監(jiān)控卸載位移變化值，確保卸載過程的安全可靠，卸載完成后滿足設計要求，監(jiān)控點布置如下：

圖15 體育場現(xiàn)場觀測點布置圖

效益分析

（1）通過應用該技術的施工工藝和監(jiān)控技術，使大懸挑異形重鋼桁架能夠安全的進行施工，施工過程中桁架能保持穩(wěn)定狀態(tài)，質(zhì)量也得到保證，并且成型后能滿足設計要求，其觀感效果好，相比常規(guī)的滿堂支撐和卸載方式總造價節(jié)約了20萬元。

（2）施工中結合施工現(xiàn)場實際情況，在立體交叉施工作業(yè)多，作業(yè)面有限的情況下利用整體拼裝法增加了地面拼裝工作量，減少高空散件拼裝量，降低了施工危險性。有效的縮短了施工工期，保證了本工程的按時交付使用。

（3）該技術的施工工藝和監(jiān)控技術為復雜性逐步上升的鋼桁架施工提供了一體化和精細化的施工分析與控制結合技術，即在鋼桁架的施工中引入了同步的應力和變形監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測的結果，隨時反饋結構安裝情況，形成一個施工監(jiān)控循環(huán)階段，最后順利建成并達到設計要求。

（4）通過該技術對鋼結構施工過程中受力變形等非線性問題的監(jiān)控研究和實踐提供了依據(jù)，體現(xiàn)了我國鋼結構信息化施工技術的跨越式發(fā)展，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。