大跨度桁架分段吊装施工工法

'大跨度钢桁架分段吊装施工工法中铁建工集团有限公司北方分公司王亚录杨占营1前言近年来，钢结构不仅在海洋工程、桥梁工程中得到了广泛应用，而且在工业及民用建筑中的应用日益广泛，钢结构在我国建筑结构中的应用也越来越多，钢桁架结构是钢结构中的重要一种。由于适应性比较强，近年来在大跨空间结构中得到了广泛应用。中铁建工集团有限公司北方公司积极开展科技创新，在钢桁架吊装施工技术上进行技术攻关。同时，总结形成了“大跨度钢桁架分段吊装施工工法”。此工法应用于广州南车城市轨道车辆维修组装基地1-1区钢结构工程，在保证结构质量和安全施工方面效果明显，取得了良好的经济效益和社会效益。2工法特点2.1大跨度钢桁架分段吊装施工技术与其他吊装方法（高空散装法、整体滑移吊装等），具有施工简洁、方便、安全、工期短、工程质量容易保证，不需要搭设满堂钢脚手架，降低施工费用等特点。2.2钢桁架材料均在工厂内制作完成，拼装放在现场场地内制作，可保证尺寸精度要求，节省工期和文明施工。3适用范围本工法适用于具有满足分段拼装要求的施工场地、满足大型吊车起吊要求等特点的工程整体吊装施工。4.工艺原理根据工程构件特点并结合现场实际情况（1-1区地面为架空板结构，架空板荷载及行车路线受到严格限制），同时根据以往类似施工总结的经验，采取每榀主桁架采用地面分段拼装，分段吊装。从东往西逐榀递进进行吊装。5工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程见图 编制专项施工方案→零部件加工制作→现场拼装→吊点选择及绑扎方法确定→吊装→连接5.2操作要点CJ跨5-16线60m平面格构式屋架由于平面外稳定性较差，为了保证吊装过程中及安装就位后的桁架平面外稳定，现拟定采用胎架固定，分段吊装的方法进行安装，待空中对接口焊缝焊接完成、检测合格后，最后进行胎架卸载，并拆除胎架。胎架为四肢格构式胎架，按悬臂柱考虑，不设缆风绳。主肢截面[14a，缀条L45x5，顶部横梁H175x175x7.5x11，区格间距1575mm，底座为路基箱，规格为6000mmx2000mmx200mm。60m屋架分段及胎架安装位置见下图：图0138m和36m屋架托架与60m屋架梁相比，平面外稳性相对较好，现拟定采用双机抬定的方式进行吊装。5.3吊装分析及胎架设计5.3.1C轴9-13线和13-17线屋架托架吊装分析 38m屋架托架的结构形式见图02，36m屋架托架的结构形式见图03，均为平面格构式桁架，上弦、下弦截面为H400x400x30x20，腹杆截面为H350x250x20x20、H350x250x16x20、H350x200x16x20、H400x400x20x20。图0238m屋架托架吊装工况下的计算模型如下：图03吊装工况下的变形及应力：图04变形（最大变形4.7mm） 图05应力比（最大应力比0.257）结论：38m屋架托架的强度满足吊装要求。36m屋架托架的吊装形式同上，其杆件截面也完全与38m托架一致，且跨度稍小，据此推算该托架强度也可满足吊装要求。5.3.260m屋架支承胎架设计1、荷载取值1）风荷载根据《荷载规范》7.1.1计算主要承重结构风荷载标准值：基本风压按广州市10年一遇取：。杆件风荷载体型系数按《荷载规范》表7.3.1第31项取。风荷载计算按高度分段，风压高度变化系数按《荷载规范》中表7.2.1的B类地面取值。分段高度（m）61218风压高度变化系数1.001.061.21考虑风振效应，风振系数按式计算。根据《荷载规范》附录E中E.1.1取：。，线性插值法取脉动增系数：脉动影响系数根据《荷载规范》表7.4.4-1取：振型系数根据《荷载规范》7.4.5规定，振型系数可根据相对高度z/H按附录F中表F.1.1确定。 分段高度（m）61218相对高度（z/H）0.330.671振型系数0.1670.5511根据上述参数，可计算不同高度处的风振系数：高度H（m）脉动增大系数脉动影响系数振型系数高度变化系数风振系数61.540.7760.1671.001.20121.540.7760.5511.061.62181.540.77611.211.99结构风荷载标准值计算结果如下表：高度H（m）风振系数高度变化系数体型系数基本风压（KN/m2）（KN/m2）61.201.001.30.300.47121.621.061.30.300.67181.991.211.30.300.942）胎架的竖向支承载荷胎架除支承60m屋架自重带来的竖向荷载外，在卸载过程中，还需支承由千斤顶顶升3mm时带来的附加荷载。故利用有限元软件Midas采用加强制位移的方法进行模拟计算，取1.0d+1.0L荷载组合下胎架支承部位的支座反力为胎架所承受的竖向荷载，计算结果如下：79887.1N68282.7N 故：胎架支承的竖向荷载取80kN。3）胎架顶部的侧向荷载胎架顶部的侧向荷载为60m屋架所受的风荷载，同样利用有限元软件Midas进行模拟计算，取风荷载分析工况下胎架支承部位的支座反力为胎架顶部的侧向荷载，计算结果如下：6405.3N9731.6N6447.3N7799.1N故：胎架顶部最大侧向荷载为16.137kN，取16.5kN。5.3.3荷载组合1、1.35D+0.98L2、1.2D+1.4L3、1.0D+1.0L4、1.2D+1.4L+0.84Wx5、1.2D+1.4L+0.84Wy6、1.0D+1.4Wx7、1.0D+1.4WyD—恒荷载（自重）；L—活荷载（竖向荷载）；Wy—胎架风荷载+侧向荷载；Wx—胎架风荷载；5.3.4胎架单肢稳定及缀条强度采用Midas计算 计算模型竖向荷载（F=80kN） X向风荷载Y向风荷载 肢应力比（最大0.426）缀条应力比（最大0.311） 顶部梁应力比（最大0.395）5.3.5胎架整体稳定性验算1、截面尺寸及截面特性柱肢截面为[14a，缀条L45x5，交叉支撑,从底向上区格间距1400mm，顶部支撑梁截面为HW175x175x7.5x11，材质均为Q235B。槽钢[14a截面特性：，，，，组合截面特性： X轴：(按悬臂柱考虑，取2倍计算长度)换算长细比：（GB50017-20035.1.3-5）b类截面，查表可得稳定系数：Y轴：(按悬臂柱考虑，取2倍计算长度)换算长细比：（GB50017-20035.1.3-6）b类截面，查表可得稳定系数：2、整体稳定性验算1）轴力：2）迎风面积： 5）风荷载及侧向荷载产生的弯矩：6）根据GB50017－20035.2.6-1公式进行验算参数取值:，根据GB50017-20035.2.5-1公式得：根据GB50017-20035.2.5-2公式得：结论：胎架符合规范要求。5.3.6胎架底座抗倾覆（滑动）验算见下图，工况一：当胎架安装后，屋架未安装前绕Y轴方向发生倾覆的可能性较大，为最不利工况，倾覆力矩主要是由沿X轴的风荷载引起，倾覆力矩为： 水平力：抵抗力矩由胎架（重约1.2t）、路基箱（重约3t）自重引起：该工况下抵抗力矩大于倾覆力矩，故可不设缆风绳。路基箱底板与砼面之间的摩擦力：（路基箱底板与砼面间的摩擦系数根据GB50017-20038.4.13规定进行取值，下同），故不会滑动。工况二：屋架安装后绕X轴方向发生倾覆的可能性较大，为最不利工况，倾覆力矩主要是由沿Y轴的胎架风荷载和屋架风荷载（即：胎架侧向荷载）共同引起，倾覆力矩为：水平力：抵抗力矩由胎架（重约1.2t）、路基箱（重约3t）自重和竖向支撑荷载引起：该工况下抵抗力矩仍大于倾覆力矩，故也可不设缆风绳。路基箱底板与砼面之间的摩擦力：，故也不会滑动。5.3.7胎架支撑部位的楼板承载力校核对楼板而言，在4.3.5中工况二状态下，楼板负荷最大，则路基箱对楼板产生的面荷载为： （处于安全考虑，路基箱对荷载的扩散作用按半面积计）。5.3.860m屋架-中段吊装工况下对楼板产生的荷载由于砼结构原设计上未考虑在E-G轴线间设置吊机行走路线，所以现根据设计院提供的该区域的楼板面荷载38kN/m2能否满足吊装需求进行校核。荷载统计：50吨汽车吊自重40.27t；路基板（6m×2m×0.2m）4块，3t/块，共计12t；构件单重约8t；吊装工况下，吊机每个支腿所支承的荷载为：（1.4为荷载不均匀系数）为安全其见，取路基箱半面积计，则等效面荷载为：，满足吊装需求。5.3.9C轴线9-13线、13-17线屋面梁托架吊装工况下对楼板产生的荷载由于该区域屋面梁托架较重，故采用两台50t汽车吊进行双机抬吊，所以现根据设计院提供的该区域的楼板面荷载43kN/m2能否满足吊装需求进行校核。荷载统计：50吨汽车吊自重40.27t；路基板（6m×2m×0.2m）4块，3t/块，共计12t；构件单重约32t；吊装工况下，吊机每个支腿所支承的荷载为：10×40,27+12+16/4×1.4=238.945kN（1.4为荷载不均匀系数，16t为半榀屋面梁托架重量）为安全其见，取路基箱半面积计，则等效面荷载为：238.945/6=39.83kN/m2＜43kN/m2，满足吊装需求。5.3.1060m屋架分段吊装分析1、第一段吊装 构件最大应力比0.172，强度满足吊装需求2、第二段吊装构件最大应力比0.296，强度满足吊装需求3、第三段（中段）吊装 构件最大应力比0.100，强度满足吊装需求5.3.11吊具设计及验算1、吊具详图说明：主耳板板厚25mm，补强板板厚6mm，材质Q345B。(本吊具只用于吊装H型钢柱、钢梁，单钩重量不得大于7t，箱型柱及单重超过7t的构件采用焊接吊耳或钢丝绳捆绑的方式进行吊装)。2、吊具验算吊装过程中，对单钩不超过7t的构件采用如上图所示的吊具两副进行吊装，共计四块，平均每块吊具所受的荷载标准值为17.5kN，则荷载设计值取:17.5x1.2x1.2=25.2kN（1.2x1.2分别为荷载不均匀系数和动荷载系数）。其它计算参数：弹性模量取206000MPa，泊松比取0.3。由于吊具结构对称，故取一块，利用ANSYS软件建模，选用Shell63单元进行分析，计算结果如下： 有限元模型约束及加载等效位移 VonMisesstress由上图可知，吊具最大变形0.55392mm，最大等效应力为269.342MPa<345MPa（Q345B钢的屈服强度），故认为该吊具可满足吊装要求。5.3.12吊机行走路线说明： 1、CJ跨5-15线的屋架梁跨度达到60m，平面外稳定性较差，采用在E轴、G轴设置临时胎架做支撑，分三段利用50t汽车吊进行吊装。2、C轴线9-13线、13-17线的屋架梁托架，单榀重量约32吨，吊装采用2台50t汽车吊进行双机抬吊，吊机行走路线同上图。50t汽车吊的使用工况及性能表如下：工作内容C轴/9～13线、13～17线的屋架梁托架50t汽车吊作业半径（m）7杆长（m）24.6额定起重量（t）17.5理论起重高度（m）23.5835.3.13吊机工况及吊装示意图厂房柱为变截面的焊接H型钢屋面梁，最大吊装高度约16.125m，单件重量见下表所示：构件名称截面尺寸单重（t）JK跨屋架梁H型变截面4.9CJ跨屋架梁格构式屋架7BC跨屋架梁H型变截面5AB跨屋架梁H型变截面4.5吊机工况及吊装示意图如下图所示：50t吊机自重40.27t,吊装柱子单根总重为7t,路基箱自重约为2t，总重约为49.27t，取路基箱面积约为12m2,故等效均布荷载约为41.5kN/m2＜43kN/m2,故能满足吊装要求。4.6屋面檩条吊装厂房屋面檩条为Z280x80x20x3的Z型钢，单重9.281kg/m，所以单根屋面檩条重约95kg。屋面檩条安装主要靠吊机进行吊装，局部位置吊机无法吊装到位的，采用人工利用滑子进行安装。屋面檩条安装示意图如下： 吊机起重高度复核：吊机名称作业半径R（mm）杆长L（mm）夹角θ（度）（θ=arccos）理论起重高度(m)(H=L×sinθ)实际安装高度h(m)结论25t汽车吊200003100049.82223.6816.125H>h，满足吊装要求220003100044.79121.8416.125同上见上图，在利用吊机吊装檩条的过程中，吊机每钩挂3对钢丝绳，每次吊装3根檩条，避免吊机重复起钩或落钩耽误时间。注：檩条吊装过程中最好按图的安装位置逐一安装或摆放檩条，禁止在同一位置摆放3根以上的檩条。墙架系统吊装利用25吨汽车吊站在厂外，沿厂房四周按序施工。该系统的构件多为300-500mm左右的H型钢，构件较轻，地面上施工，作业半径较小，所以施工相对简单，在此不再赘述。6材料与设备结合总装厂房的结构跨度、构件的外形尺寸及吊机的行走路线，选用2台50t汽车吊进行吊装柱、行车梁及大部分屋架梁吊装施工。其中吊机的性能及工作参数如下： 7质量控制7.1加强工程质量管理的措施1、加强对施工人员的质量意识教育，进一步提高全体施工人员对“质量第一”的认识。2、建立工程质量保证体系。落实各部门各级岗位责任制，落实国家的规范、规程、工艺标准的贯彻执行，落实重点工程施工技术措施的制定，开展创优活动。3、加强对工程质量进行跟踪检评，实行工程质量奖罚办法。4、严格资料管理制度，每一道工序完成后及时办理隐蔽记录和验评表。5、建立质量控制点，抓住关键部位，预防质量通病发生，落实质量目标责任制。6、做好技术交底，做好质量检查和记录及评定。7、工程技术资料与施工进度同步，做到及时准确、真实、完整，杜绝漏项、错项、漏签、评定错误出现，实行按分部分项会签审查，保证资料全面准确反映工程质量状况。8安全措施8.1 施工现场必须选派具有丰富吊装经验的信号指挥人员、司索人员，作业人员施工前必须检查身体，对患有不宜高空作业疾病的人员不得安排高空作业。作业人员必须持证上岗，吊装挂钩人员必须做到相对固定。吊索具的配备做到齐全、规范、有效，使用前和使用过程中必须经检查合格方可使用。吊装作业时必须统一号令，明确指挥，密切配合。构件吊装时，当构件脱离地面时，暂停起吊，全面检查吊索具、卡具等，确保各方面安全可靠后方能起吊。8.2吊装的构件应尽可能在地面组装，做好组装平台并保证其强度，组装完的构件要采取可靠的防倾倒措施。电焊、高强螺栓等连接工序的高空作业时，必须设临边防护及可靠的安全措施。作业时必须系挂好安全带，穿防滑鞋，如需在构件上行走时则在构件上必须预先挂设钢丝缆绳，且钢丝绳用花篮螺栓拉紧以确保安全。并在操作行走时将安全带扣挂于安全缆绳上。作业人员应从规定的通道和走道通行，不得在非规定通道攀爬。8.3在主要施工部位、作业点、危险区、都必须挂有安全警示牌。夜间施工配备足够的照明，电力线路必须由专业电工架设及管理，并按规定设红灯警示，并装设自备电源的应急照明。8.4吊装作业应划定危险区域，挂设明显安全标志，并将吊装作业区封闭，设专人加强安全警戒，防止其他人员进入吊装危险区。吊装施工时要设专人定点收听天气预报，当风速达到15m/s（6级以上）时，吊装作业必须停止，并做好台风雷雨天气前后的防范检查工作。9环保措施9.1成立对应的施工环境卫生管理机构，在工程施工过程中严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章，加强对施工燃油、工程材料、设备、废水、生产生活垃圾、弃渣的控制和治理，遵守有防火及废弃物处理的规章制度，做好交通环境疏导，充分满足便民要求，认真接受城市交通管理，随时接受相关单位的监督检查。9.2将施工场地和作业限制在工程建设允许的范围内，合理布置、规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。9.3对施工中可能影响到的各种公共设施制定可靠的防止损坏和移位的实施措施，加强实施中的监测、应对和验证。同时，将相关方案和要求向全体施工人员详细交底。9.4设立专用排浆沟、集浆坑，对废浆、污水进行集中，认真做好无害化处理，从根本上防止施工废浆乱流。9.5定期清运沉淀泥砂，做好泥砂、弃渣及其它工程材料运输过程中的防散落与沿途污染措施，废水除按环境卫生指标进行处理达标外，并按当地环保要求的指定地点排放。弃渣及其它工程废弃物按工程建设指定的地点和方案进行合理堆放和处治。9.6优先选用先进的环保机械。采取设立隔音墙、隔音罩等消音措施降低施工噪音到允许值以下，同时尽可能避免夜间施工。 9.7对施工场地道路进行硬化，并在晴天经常对施工通行道路进行洒水，防止尘土飞扬，污染周围环境。10效益分析10.1与其他形式的安装方式（高空散装法、结构滑移法、支撑架滑移法、整体提升法等、高空拼接法）相比，具有方法简便、措施得当、效率高、施工成本低、应用范围广等特点。10.2钢桁架结构的钢结构部分进行工厂化加工，有利于减少原材料的浪费和减少对临时施工场地的占用，具有良好的环保、节能效益，并可以加快工程进度。10.3钢桁架吊装在工程上的成功应用得到省监督站、建设、设计、监理、使用等单位的一致好评，其社会效益显著。11工程实例本工法成功地应用于广州南车城市轨道车辆维修组装基地总装厂房工程，工程质量满足规范和合同要求。现以本工程为实例说明本工法应用情况。11.1工程概况广州南车项目1-1区厂房为轻型钢结构体系，结构类型为刚架，全长154m、总宽度135m，屋面最大高度16.125m，建筑面积为20790m2，柱间距为10m和9m，钢屋架最大跨度为60m。大跨度构件的类型及具体位置见下表：序号构件名称跨度（m）屋架类型轴线位置数量1屋架60平面桁架CJ跨/5-16线12榀2屋架托架38平面桁架C轴/9-13线1榀3屋架托架36平面桁架C轴/13-17线1榀11.2施工情况钢桁架吊装的施工技术，重点控制钢桁架制作，组装，空中吊装工艺及测量控制，认真落实“三检”制度与工序间的交接班，实行技术人员跟踪指导，攻克了许多施工难关，使钢桁架保质、按期、安全地施工，确保了工程的施工质量与进度。得到了有关单位的高度评价，同时也积累了施工经验，为我司取得了信誉，获得良好的经济效益和社会效益。11.3工程评价 钢桁架分段吊装施工工法的应用实现了设计意图，能够保证主体结构的质量、工期和造价，工程按期交付使用，为体育发展事业作出了贡献，取得了良好的社会效益。同时分段吊装施工方法，方法简便、措施得当、效率高、施工成本低、应用范围广。采用本工法进行钢桁架结构吊装施工，可进行钢构件工厂化制作，大量地节约钢材，缩短工期，节省了投资，取得了良好的经济效益和社会效益。'