鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：通過對上海某51.8m跨單層研發大廳鋼結構工程的精心設計、詳細計算、組織、施工及論證，并結合實際成功地解決了大跨度單層鋼結構廠房的施工安裝技術問題，可供類似工程借鑒。
關鍵詞：管桁架; 大跨度; 安裝; 組織; 設計
1 工程概況
上海市某工程試驗大廳為全鋼結構，跨度51.8m，進深146.95m，柱距8m（10，10.45，6.5），管桁架下弦標高20m，在下弦設2臺懸掛吊車，分別為5t及3.2t。跨度管桁架重量21t(圖1)。
圖1 試驗室大廳主體結構建模 （大跨度單層管桁架吊裝技術）
2 工程特點、難點
本工程中的技術重點、難點為屋面桁架的大跨度吊裝。屋面桁架梁共19榀，最大跨度為51.8m，矢高5m，凈重21t。如此大跨度的單層廠房工
程在公司實為首列，在全國鋼結構單層廠房中也均為少見。
3 施工方法、措施及要求
根據試驗大廳結構件的外形尺寸、噸位、起吊高度及桁架須在現場拼裝后需進行多次倒運方能就位等因素考慮，以及桁架頂高度約為25m，加上起吊鋼絲繩長度，頂高約為35m，回轉半徑為約為13m，所以擬選取100t履帶吊為主吊機及50t汽車吊各1臺，以用于廠房鋼柱、管桁架吊裝及屋面結構件吊裝及構件卸車、倒運等。
4 屋面系統結構
4.1 拼 接
屋架分3段制作及運輸。管桁架于現場拼接，因受其外形尺寸及考慮構件吊、運車輛的出入需要，只能與跨中呈橫向立放拼裝。即在平整吊裝場地內，采用胎架將三段屋面梁先對接，以測量儀器檢測三段屋面梁，保證屋面梁不撓曲不變形，而三片屋面梁垂直度在一條直線，然后對拼接接頭進行施焊。采用現場拼接方式，搭設拼接臺架（圖2拼接臺架）,現場焊接均達到1級焊縫。
圖2 現場焊接示意 （大跨度單層管桁架吊裝技術）
4.2 鋼管桁架的吊裝
1）鋼管桁架吊裝時，對柱子橫向進行復測和復校確保柱子安裝精度。
2） 鋼管桁架吊裝時，對鋼管桁架進行驗算管桁架平面外剛度。另外管桁架的吊點的選擇，除應保證管桁架的平面剛度外還需保證。a．管桁架的重心位于內吊點的連線之下，否則應采取防止管桁架傾倒的措施（即在管桁架屋脊處多增加一個保險吊點和吊索）。b．對外吊點的選擇應使管桁架下弦處于受拉狀態(圖3)。
圖3 梁就位示意
3）管桁架吊裝前，應在管桁架上下弦綁扎扶手欄桿。平面應搭設上下登高用爬梯。
4．3 鋼管桁架校正
1）鋼管桁架吊裝到位后，第一榀和第二榀管桁架應拉設管桁架纜索固定，此時采用松緊纜索對管桁架進行垂直度校正；第三榀及以后的管桁架采用管桁架臨時固定支撐來進行校正，它的垂直度(圖4)。
2）鋼管桁架校正。采用經緯儀校正管桁架上弦垂直度方法，在管桁架上弦2端和中央夾三把標尺，待三把標尺的定長刻度在同一直線上，則管桁架垂直度校正完畢。
圖4 管桁架校正里面示意2 （大跨度單層管桁架吊裝技術）
3）鋼管桁架校正完畢。擰緊管桁架臨時固定支撐兩端螺桿和管桁架兩端擱置處的螺栓，隨即安裝管桁架永久支撐系統。
4）管桁架兩端采用螺栓與鋼柱頂連接，所以需待固定螺栓安裝完后方可松鉤。
5）因管桁架下弦設置4道與列線平行的懸掛吊梁，為確保各桁架上設置用于吊梁聯結的節點處在同一條直線上(相對同一軌道上的對應點)，則桁架安裝找正必須以試驗大廳廠房一側列線為基準，否則彼此桁架間的對應節點易發生錯位而影響懸掛吊梁的安裝質量。為此要求：試驗大廳鋼柱安裝找正固定后且于桁架安裝前，必須重新將大廳的軸列線引涂到柱頂側面，并用紅色油漆標三角示出。這主要是考慮鋼柱在安裝過程中所產生的垂直及位移偏差不可避免，因此柱體上事先標出的中心軸線則不能用作桁架安裝定位基準線而必須以重新引出的軸列線作為安裝基準線，才能保證各桁架上的吊梁節點位置相對準確，以利后續懸掛吊梁安裝。
4.4 屋面系統支撐的安裝
1）管桁架上、下弦的水平支撐安裝一般采取整體安裝方法。如發現螺孔有錯位現象，一般處理支撐系統，并應觀察管桁架的垂直度情況的變化，
2）垂直支撐的安裝與桁架安裝方法基本類同。
4.5 吊車機械的選用
根據對桁架梁重量計算統計，下段鋼柱最重的約為21t，最大安裝高度為25+18=43m，（圖5示意）查100t汽車吊性能表可知臂桿52m，工作幅度12，起重量為23t，滿足吊裝要求。
圖5 管桁架吊裝示意
第一步：梁起吊就位。梁臨時擺放H型鋼焊接胎架。
第二步：梁進行調整。設2臺經緯儀和1臺水準儀進行垂直度和標高的調整。標高和垂直度較大調整利用千斤頂進行調節。
4.6 鋼絲繩的選擇與受力分析
桁架梁最重量約為21t，設置四吊點進行起吊，吊鉤與桁架梁的距離約為18m，四根鋼絲繩與水平的夾角分別為56。和77。。
鋼絲繩受力分析如下。
每根鋼絲繩承受拉力：F=21/2(sin56+sin77)=5.83t=58.3KN。
根據結構選擇普通Φ30鋼絲繩6×37+1，其抗拉強度1550MPa，近似值計算其破壞拉力P破=φ*i*л*d *d*σ=529KN.吊裝用鋼絲繩安全系數k=8，Φ30鋼絲繩許用拉力P許=P破/k=529/8=66.13kN
P許＞F, 即Φ30的普通鋼絲繩滿足吊裝要求。
4.7 吊點的驗算
由于吊裝時管桁架軸力放線和安裝時的軸力及軸力方向發生改變，為防止構件吊裝時發生變形及其他質量問題，吊裝前必須經過吊點的驗證及軸力計算。
經受力計算，吊點設置達到要求（圖6）。
圖6 配筋包絡和鋼結構應力比 （大跨度單層管桁架吊裝技術）
4.8屋面及墻面支撐系統構件
桁架就位一旦形成單元跨間后，應隨即進行屋面上、下弦系桿支撐、檁條及天溝板等結構性安裝，支撐等構件安裝應從垮中往兩邊對稱進行。而柱頂鋼短柱及柱頂以上方的墻皮檁條，宜在屋面結構安裝時穿插進行。
屋面檁條等構件就位，可擬用100t履帶吊或50t汽車吊(須加設9m副桿)進行吊裝，在未設屋面上、下弦的局部跨間，該部位屋面檁條亦可采用25t汽車吊于跨間(但臂桿不跨越桁架)；而柱頂以下墻皮檁條可擬用25t汽車吊或卷揚機就位。
5 鋼結構現場焊接工藝
本工程中鋼結構現場焊接為結構保證的重點，必須嚴格執行以下工藝標準。
5.1 工藝標準
5.1.1 焊材的選用
Q235手工焊采用E4316型低氫焊條，焊材化學成分及熔敷金屬的機械性能見表1。
表1 焊材化學成分 %
5.1.2 焊口形式
主拱的主管和支管的連接有T、Y、K或復合形相貫節點，支管端部為馬鞍形曲線（相貫線）。此類接頭一般分為4個區，即趾部、兩側部、根部區。（見圖7管桁架相貫線焊接示意）。
圖7管桁架相貫線焊接示意
5.2 焊接技術要求
相貫形節點的焊縫可以分為全焊透、部分焊透和角焊縫三類。馬鞍形端部的邊緣管壁處必須切割出一定的坡口面角度以與弦桿表面之間形成焊透的坡口角度。切割采用數控相貫線切割機，在切割曲線的同時一次形成坡口面的角度。
主管與支管斜角小于30°時，根部區難于施焊，必須在夾角底部填焊至一定寬度后才可正常施焊，其焊縫有效厚度值必須用截取斷面試樣作酸蝕宏觀檢驗的方法進行焊接工藝評定加以驗證（圖8）。
圖8 相貫線焊接工藝示意
5.3 無應力拼裝
拱在焊接時要保證處于無應力拼接狀態，即保證拼裝、安裝和構件設計受力狀態一致。具體措施有：拼裝時，接口處采取自由對接，禁止強制對口焊接。
6 安全防護選擇
1） 安全登高措施、作業平臺反映柱子上安裝鋼爬梯，便于登高。
在柱間聯系梁上鋪設操作平臺便于屋上行走、防止踩空，使用20腳手、板鋪設，用卡扣連接。柱頂拉設安全繩，登高必須掛雙帶安全帶。設置操作平臺（圖9操作平臺示意）。
圖9 平臺示意
2）屋面梁現場拼接臺架平臺，選用活動腳手架（圖10 移動式腳手架示意）。
安全帶固定在腳手架上。鋼管腳手架的立柱，應置于堅實的地基上，立柱鋼管加墊座，用混凝土塊或用堅實的厚木塊墊好。腳手架的立柱要求垂直。
圖10 移動式腳手架示意
7 結 語
本方案實施前組織了方案專家論證審查。由于方案設計正確、規范施工、構造措施合理及防護措施得當，得到了專家組的認可并通過了審查。該工程目前已經竣工，施工整體過程未出現任何質量及安全問題。本文對大跨度管桁架吊裝的組織及施工具有借鑒意義。如何對大跨度管桁架吊裝、防止構件吊裝變形，發展新的施工工藝和控制方法將是值得今后研究的問題。
參考文獻
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（馬鞍山馬鋼鋼結構工程有限公司, 安徽 馬鞍山 243000）
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