大型钢桁架吊装整体设计与施工技术

[摘要] 本文对大型钢结构桁架整体设计及施工技术提出关注要点。

一、引  言

目前，工业建筑及桥梁吊装工程，出现事故较多。以大型桁架及箱形梁整体工艺宏观情况而言，各种工序比较繁琐。当我们具体实施一个工程时，应抓住工程主体结构特点，根据企业自身大型机械配置条件确定吊装施工整体方案。首要的问题着重在估计吊装施工整体过程中其易出错之处，找出解决问题的关键所在。对于具体类型工程施工常规特点，建立某种工程类型施工整体“设计”理念。下面对大型钢结构桁架吊装施工技术作全面阐述。

二、临时支撑塔架设计

我们在此说明一个情况，大型桁架或箱形梁由于重量太大，在施工阶段往往分段吊，这叫先是化整为零，后又聚零为整。在施工过程中所用支撑分为工程主体结构永久支撑及临时施工支撑两种类型。以下谈临时支撑的设计。

支撑塔架设计的技术条件来源于支撑卸载分析的结果，它给出了整体、分级同步的卸载过程中，各个支撑点在各个卸载阶段性的反力情况。统计其中每个点在所有步骤中的最大反力就是施工加在支撑塔吊上的使用荷载。

同时，在桁架的安装过程中，虽然支撑塔架所受的竖向力没有在卸载过程中相应支撑点最大反力大，但安装顺序使得施工过程主桁架独立的风荷载很大，并作为一个水平集中荷载施加在塔架的柱顶。因此，主桁架在安装过程中所受的风荷载也是支撑塔架受力分析的一个控制工况。

（一）体系选型

1．临时支撑塔架和柱顶系杆桁架

为方便现场加工、制作和安装，提高其经济性，支撑塔架和柱顶系杆桁架的设计均采用标准段模数化的方式。支撑塔架的柱肢可采用螺旋焊管，水平腹杆采用双角钢十字形布置。为节约钢材支撑塔架的斜腹杆亦可采用X形交叉体系腹杆，设计时只考虑其受拉不考虑其受压，其截面形式采用角钢。为提高支撑塔架的柱身的抗扭刚度，在每节标准段的两端和中间区域设置交叉横隔，交叉横隔的截面采用角钢。柱顶系杆桁架的设计方式与支撑塔架基本相同。

2．抗侧力体系的形成

临时支撑塔架主要考虑的水平侧力为风荷载。除支撑塔架自身及柱顶系杆桁架需抵抗风荷载外，主要考虑支撑于塔架身上的主桁架受风作用。比如上、下弦杆为1000mm×1000mm，腹杆为600mm×600mm的箱形梁。主桁架受风面大，处在高空，受风作用敏感。为增强各支撑塔架整体协同抗风的能力，在各支撑塔架顶部设置格构式柱顶系杆作为水平支撑体系。另外，为提高整体结构柱顶平面支撑系统的抗扭刚度，在角部区域设置隅撑。计算分析表明，上述结构的整体工作接近于空间排架结构，支撑塔架的受力与悬臂柱类似，为提高整体结构的抗侧能力，单方面增加支撑塔架承载力和刚度是远远不够的，也是极不经济的，因此，为传递侧向风载，需进一步采取其他措施，形成整体结构的抗力体系。

（二）设计计算

综上所述，上述整体结构中，支撑塔架柱的计算和设计是关键中的关键，为此计算时采取两种计算方案。方案一，支撑塔架作为单根悬臂柱进行计算分析，作为强化支撑塔架设计的手段。方案

三、多点卸载施工技术与管理

（一）多点卸载施工技术与管理

对于大型横桁架吊装多点同布步卸载是技术含金量很高的工作。具体操作：

（1）施工方法

采用分步、等距多行程、多点拟同步卸载的工艺进行钢结构桁架卸载，每次行程5mm。也可实行不同步卸载

（2）千斤顶使用。

由于在施工过程中，千斤顶在屋架安装过程中长期处于受力状态，液压千斤顶将出现回油现象，所以选用螺旋千斤顶。千斤顶的选择在卸载点最大支点反力的基础上取1.4倍安全系数。

（3）卸载施工管理

①卸载准备工作

对施工现场进行实地检查，为工作人员创造一个畅通安全的工作面，以保证卸载时施工人员能够便捷、安全地施工。为便于工人直观掌握每次卸载行程，在千斤顶上逐一以5mm为单位作出刻度。为避免千斤顶在退出工作时失稳，用铅丝将其联系在施工平台上。同时为避免支点千斤顶荷载将构件节点反顶变形，在节点下方布置300mm×300mm×20mm的钢板进行过渡。

②卸载过程组织管理及人力安排

对所有参加卸载的施工人员提前进行模拟训练。卸载时现场管理人员按区域划分，每人负责2～3个卸载点，在卸载过程中各自对片区内的卸载点及脚手架支撑体系进行监测。卸载过程中对20处应力比较大杆件的焊缝进行重点监测。卸载由总指挥统一指挥，规定下降行程，信息沟通采用对讲机。每个卸载工位工人按照千斤顶划格尺寸（每格5mm）严格控制行程。

③卸载过程同步监测技术

为了对钢结构在卸载过程中的安全状况进行评估，屋盖卸载过程进行同步监测，主要对大应力杆件的应力-应变进行监测，按照设计要求预警指数为0.9对重点杆件监测。应力变化情况随时用对讲机与总指挥沟通。

（二）梁脚定位及主梁合拢

1．梁脚定位

（1）按照原设计四根螺栓斜向悬空固定梁脚，且需混凝土浇筑后强度达到100%才能进行下道工序，螺栓的定位施工难度相当大且影响施工进度，经与设计协商改变固定方式，采用在平面预埋锚板，待浇筑混凝土精确放线定位后进行钢脚的安装。另外改钢梁脚内的底部压力灌浆为顶部自流混凝土的浇筑，既可以先进行第二步基础混凝土浇筑再进行钢梁脚内混凝土浇筑，又保证了钢梁脚的固定牢固。（临时塔架可不使用混凝土）

（2）钢梁脚在安装过程中存在两个角度的倾斜，钢梁脚的安装定位还是存在很大的难度。主梁脚的安装精度对整个钢结构的安装是关键。

（3）根据主梁脚的相对坐标，确定主梁脚的底板及顶部的测量定位布置。根据梁脚底板的投影控制图在某标高位置旋转三块预埋钢板的埋设位置。

（4）待混凝土浇筑至标高后在该不平面位置精确放出主拱底板投影边线，用投影点来控制底板的四个角，然后根据定位底板的坐标，就地设置底板面的模型，最后根据底板面的模型来设置底部的支撑胎架。

（5）主梁脚顶部的控制采用同样的方法，在混凝土基础面上设置四个角的投影点，根据主梁脚的定位坐标得出，底板和顶面的上下边的投影线的X轴是相对平行的，且平行于控制线，顶面角的控制主要靠经纬仪在顶部上下边的延长线上进行控制。

2．主梁合拢

设计如要求工程的合拢温度为19±5℃。根据钢结构工程总体进度安排，如合拢时间安排在7月上旬。实际合拢时间如当时气温符合设计合拢温度要求。为了对合拢温度进行监测，在钢结构上布设了温度测点，对钢结构本体温度进行全程实时监测，监测结果表明所有合拢施工均满足设计合拢温度要求。

为控制合拢时合拢口的间隙，减少合拢口的焊接量和焊接残余应力，确保合拢口的焊接质量在进行合拢段安装时，该间隙大小要考虑温度变形计算结果和焊接收缩变形。为确保合拢口在施工过程中因温度变化而自由伸缩，合拢口采用卡马连接，卡马的大小和数量根据受力计算确定。在整个安装过程中，定时检查卡马的连接焊缝和变形情况和合拢口的间隙情况。

在卡马合拢焊接的过程中严格控制钢结构本体温度满足设计要求；合拢卡马焊接完成后，随后进行合拢口结构对接焊缝的连接焊接，直至对接焊缝焊接完成；对接焊缝焊接完成后对焊缝进行100%的自检探伤和第三方探伤。

此处用于点电焊焊接连接，如用螺栓，下文叙述。

（三）支撑塔架卸载

卸载时遵循“变形协调、卸载均衡”的原则，采用从中间向两端逐步卸荷的施工方案，先进行两榀主梁的卸荷，使主梁完全处于联结状态能承载受力之后，再拆除中间支撑架。卸载前主梁结构施工完毕，且无损探合格。

卸荷时仍由中间向两端同时进行，直至全部卸完。由于桁架卸荷落位过程是使整个桁架大两梁缓慢地完成协同空间全部受力过程，此间桁架发生较大的内力重分布，为使每次落位的桁架具有足够的时间进行内力重新分布，每次卸载间隔时间不小于1h，卸荷过程中现场进行监测。完全有必要事先对支架挠度计算。

 由于某种原因，笔者曾对总共168t，跨度80m大型钢结构桁架最终短期挠度计算结果15cm，而吊装完毕几天后为12.5cm,与实际还算吻合。

（四）临时支撑的卸载问题

有的工程由于是悬臂桁架结构，在施工过程中都运用临时支撑作为结构的临时固定，施工结束后必须拆除，使结构恢复自由状态。支撑的拆除过程也就是所谓的卸载，是一个力的转移过程，通过对临时支撑的逐渐拆除，荷载也转移完毕，整个卸载过程完成。这种理念在处理钢筋混凝土悬挑梁下脚手架施工也碰到过。

在整个卸载过程中荷载转移如遇不确定因素，控制不好可能造成支架受力不均，导致支架的强度、稳定性都受到影响，容易发生意外。

（五）某些关键技术点滴

1．保证钢结构支架柱顺利安装的措施

（1）测量控制：利用全站仪对钢结构支架进行定位控制是此次主要的测量控制方式，由于全站仪是坐标定位，所以在定位及复核控制时可有效地控制因建筑物长而引起的累积安装误差。完全有必要事先对支架挠度计算。

（2）浇注混凝土时为了钢结构支架柱的稳定性和不产生太大的柱顶位移，在钢支架柱的四周布置一道临时梁，在浇注混凝土时钢骨柱不被冲偏，控制钢骨柱柱顶侧向位移在设计和规范要求的范围之内。在安装钢支架，应形成稳定空间框架体系，再向四周扩散安装，使安装误差向四周扩散，有利于安装精度的控制。

2．悬臂桁架结构安装

碰到悬臂桁架结构的安装之前必须在悬臂桁架中的钢柱所对应的位置处设置临时支撑作为搁置点，以解决钢桁架在平面内的稳定问题。在钢筋混凝土大梁补强过程也可使用此法。

我们在施工过程中考虑以下几个问题：

（1）通过计算，临时支撑柱如采用型钢，可考虑采用H350×150×6×8的高频焊H型钢，临时梁采用H200×100×4×6的高频H型钢，由于临时柱较长，通过临时梁的连接可降低临时柱的长细比，解决临时柱面外的稳定问题。顶部通过连接板与钢柱相连，底部通过膨胀螺栓、连接板与混凝土结构楼面相连。当然采用构架或型钢取决于柱子的长短与柱顶荷载的大小，风载大小等等。

（2）为保证悬臂桁架的底标高在同一个水平面层，临时支撑柱的高度必须进行实际验算确定其长度。通过临时支架的搭设解决了悬臂桁架的稳定问题。

3、箱型梁或桁架梁的吊装

    举例，250t或350t履带吊在平行于柱横向轴线位置站车，待运输车辆就位后，吊车前行，在保证8m水平距离时，用吊装吊耳吊起后运输车辆退出。起钩将吊车梁吊到约16.5米标高处，趴杆回钩至设计位置（箱型梁或桁架梁安装时应按柱肩梁处的中心线进行严格对中，做到公差均匀分配，以减少箱型梁的调整工作。）箱型梁的一端直接落在预设的施工胎架上，胎架上方设置100吨液压千斤顶。待该支架间的大梁段全部安装完毕后，用千斤顶微调至要求的高度后(此时箱梁整体达到设计要求的起拱)并及时安装断口处的高强螺栓使其连接成整体，形成稳定的刚度单元，保证箱型梁的整体稳定后开始对箱型梁的上翼缘板进行焊接，梁翼缘板焊接完毕并冷却后及时对焊口处进行100％UT探伤，并撤走施工胎架。

上文所谈为一机吊装，如果两机抬吊，计算时每机吊装能力至少乘0.7系数.

另外还有两种情况:

吊装计算时一机为主,一台辅助.前者大,后者小。笔者在上海10号轨道线看到这种处理方法。吊装地下连续墙整体大钢筋笼30m 高。原应以大机100t履带吊为主，结果小机50t履带吊与大机配合不好，太过积极，一用力。小机纲丝绳升得比大机快，抖动一下，小吊机差点翻掉。经过现场调整，最后有驚无险。在现场可体会力学原理。这可培养应急应变能力。避免纸上谈兵，刻舟求剑。由此来看，两机合作，其受力关系内在相当微妙。此为笔者亲眼目睹。

实力越强的企业吊装能力系数放得越大。有人作了比方，.系数放的大的，如在平地趟趟；系数放的小的，如履薄冰，如临深渊。

（六）施工方法

施工流程

工程前期准备→钢结构厂内制造→预埋件复测验收→设备进场调试→喷砂除锈、涂装→钢构件地面组、拼装→桁架分段吊装→卸荷、落架、螺杆连接或焊接连接分段桁架→去掉桁架中间支座→拆除胎架→清理现场、补涂油漆、整理资料→竣工验收

（七）高强螺栓施工

四、结   语

随着国家建筑、交通、水利事业的发展，土木工程机械与吊装工艺不断提高，然而事故也层出不穷。笔者对建筑机械给吊装工艺的影响有所知晓。浙江宁波镇海炼油厂拟吊装80m跨度钢结构桁架大梁。原打算分段吊装，程序绝对繁琐，各种数据绝对要准，大型机械设备配备又捉襟见肘。后来，中国石油化工股份有限公司自行安排吊装。由于该公司为国营大型集团，机械装备力量雄厚，吊装80m钢结构桁架大梁无非就是小事一桩，无须分段吊装。使用两台350tlv 履带吊，其中一台为主，一台为辅，现场目睹168t80m钢结构桁架大梁如小鸡被老鹰抓住，一下子升到空中，并干脆利索落在案主体塔架上。观者大开眼界，一会儿其心吊在悬空，忐忑不安；一会儿又大汗淋漓，如释重负。笔者所处环境条件有限，但对于大型桁架吊装也有兴趣，所谓“高山仰之，景行行之，虽不能之，然心向往之”。笔者对大型吊装有所涉猎，有所体验。今以一孔之见撰文如上。

颜文玉