大跨度悬挑钢结构安装施工技术

黄红刚

(武汉钢铁建工集团有限责任公司　湖北　武汉：430081)



大跨度悬挑钢结构安装施工技术

黄红刚

(武汉钢铁建工集团有限责任公司湖北武汉：430081)

摘要以武汉张之洞与近代工业博物馆工程悬挑钢结构安装为例，从设定控制目标、确定安装顺序、计算主要构件在安装过程中的内力情况、支撑胎架设计、支撑胎架卸载等几个关键技术进行了研究，并在该工程中进行了实践应用，取得了良好的效果，总结出了大型悬挑钢结构的安装技术和方法。

关键词悬挑钢结构；安装顺序；内力计算；支撑胎架；卸载

张之洞与近代工业博物馆由美国建筑大师李博斯金设计，其外形犹如一艘乘风破浪的船。建筑高度约43.8m，总建筑面积8315.3m2。工程全部采用钢结构形式，其主体结构由两个核心筒及两个上下球面组成，大部分构件为悬挑构件，其中船头悬挑水平距离最大达到22m，安装过程中需要拼装成若干桁架进行整体吊装，并在吊装过程中进行结构稳定性验算[1]。对悬挑构件，利用临时支撑胎架保证施工，同时对吊装及卸载过程通过计算软件进行内力分析仿真模拟计算，确保施工过程中的安全。本文以该工程为例，探讨一下大跨度悬挑钢结构安装技术。

1工程特点和施工顺序

该工程异型大跨度悬挑钢结构外挑长度大，钢构件悬空布置，无任何支撑，需要利用临时支撑胎架保证施工。异型大跨度悬挑钢结构的起拱值精度控制困难，利用支撑胎架上的钢支座和千斤顶可很好地控制起拱值。整个钢结构安装完之后，利用卸载技术完成结构卸载和胎架拆除。异型结构空间状态复杂，空间尺寸精度要求高，利用软件建立等比例三维实体模型，通过模型实现空间尺寸的定位。

根据该工程的特点，该工程分为两大施工步骤：第一步，主体内框架安装，该部分为一般多层钢结构框架结构，按照从下至上的顺序依次安装各层平台(图1)；第二步，主体内框架安装完之后，开始搭设临时支撑胎架，按照设定的顺序安装悬挑部分框架(图2)。本文主要探讨第二步悬挑结构的安装技术。

图1　内框架完成后状态

图2　悬挑部分完成后状态

2设定安装施工控制目标

本工程在形成主体内钢框架，架设好悬挑部分临时支撑胎架之后，开始按照一定的顺序安装悬挑部分框架，直到主要构件全部吊装完成。采用整体构件拼装、吊装与散件吊装结合方法，对无法拼成整体的构件增加临时构件。在这个过程中，需要控制每一步吊装的散件或整体拼装桁架在结构构件自重及施工荷载下的位移与内力是否超限。

2.1位移控制目标

对每个安装步骤完成吊装的散件或整体拼装桁架，严格控制位移，在安装关键控制点处，要求其侧移不超过5mm。对位移限值超过这一目标的关键点，需加相应的临时支撑，加上支撑后重新验算控制点位移，修改支撑刚度、支撑点位置，直到控制点位移满足要求。

2.2内力控制目标

本工程±0.000以上钢结构采用的钢材标号为Q345B和Q420GJ-C两种，在安装过程中和安装完成后临时胎架的卸载过程中，严格监控每个安装子步和卸载子步下，结构构件的轴力、弯矩和剪力，并计算应力比是否超限。

另外，在散件或整体拼装桁架安装过程中，须有效地固定构件活动端，防止构件屈曲失稳。

3建立模拟计算模型

本工程采用SAP2000计算软件进行建模计算，其在三维结构整体性能分析，结构弹性静力及时程分析功能相当不错，后处理方便。另外，SAP2000 v14.0汉化版引入了中国规范，具备一定的钢框架设计/校核功能，用以检查校核安装过程中和胎架卸载过程中钢构件的内力信息[1]。

3.1输入截面及材料属性建立模型

利用AUTOCAD的的分图层导入功能，可以很方便的搭建起模型。在各图层指定组和截面属性，可以将不同截面和材料的构件定义属性，建立计算模型。

(1)将地下室混凝土强度等级及上部钢结构钢材强度等级分别输入计算程序中，如表1所示。

(2)将180种各种混凝土土截面和钢结构箱型截面、工字形截面及异性截面进行截面属性定义。在上部钢结构施工过程中，楼层板尚未安装，因此，在计算模型中将板定义为没有质量、刚度的虚面，除了传递竖向荷载外，不参与结构整体计算分析。

表1　输入材料属性

3.2荷载信息

根据中南建筑设计院设计的张之洞博物馆结构施工图，给出的基本荷载信息如表2所示。

3.3计算模型对比验算

为了保证钢结构安装过程分析的准确性，应把本次分析在结构正常使用状态下的结果与主体设计的要求进行对比。根据中南建筑设计院图纸给定的8个控制点在恒载和活载作用下的位移与本次模型计算结果进行对比如表3所示。

表2　计算模型荷载信息(kN/m2)

表3　各控制点竖向位移

从各控制点位移对比结果可知，各控制点位移计算值与设计要求值差异在10%内，可以判定建立的SAP模型能正确反映结构的受力状态，能过对钢构安装过程进行内力分析。

4设计制作支撑胎架

结构施工未形成整体之前不能完全靠自身承载或保持稳定，因此在其建造过程中总是需要支撑。本工程涉及到的胎架均为安装支撑胎架[2]。

根据悬挑结构的结构形式和连接特点，在外框连接部位设置支撑胎架，图3所示为张之洞博物馆下球面在XY平面上的投影图，其框架四周共布置了12个临时支撑点，即图中T1～T12。

图3　临时胎架支撑布置图

5确定安装方法及安装顺序

根据悬挑部分钢结构初步确定的安装顺序确定吊装构件重量，并结合现场布置及吊车吊装半径，吊装选用150吨履带吊作为主吊机，就此编制了《张之洞博物馆钢结构工程安装顺序说明》文件，依据该说明文件确定了悬挑部分吊装，采用整体吊装与散件吊装结合的方式。整体构件的吊装顺序运用SAP2000的施工分析功能，进行分析计算。依据尽可能少的添加临时侧向支撑和尽可能早的让支撑胎架参与进来的原则，通过反复尝试、计算和对比，调整安装顺序，得到最优的安装顺序。安装完成后如图4所示。

图4　主要悬挑构件安装完成示意图

6安装过程主要构件内力分析

整个钢结构安装过程共分16个安装步骤，包含了22个安装子步。在SAP模型中设置包含所有22个安装子步的施工工况，运行分析后可以得到每个安装子步完成后结构的内力信息，输出结构主要构件的内力峰值。主体框架也参与了整个过程的内力分析计算，主体框架在安装和卸载过程中所有构件是满足要求的。分析每个安装子步的内力信息，提取结构主要构件的内力最大值，计算表明， 在整个安装施工过程中，钢梁始终维持着较低水平的应力比，钢梁在安装全过程是安全的。举例:1-K轴立面布置图中，左边部分钢梁内力如表4所示。

表4　1-K轴构件内力计算表

7支撑胎架卸载

7.1支撑胎架卸载方案计算

钢结构施工过程中支撑胎架与主体结构是作为一个临时整体共同作用的，故需要有较高的刚度、承载力和稳定性[3]。张之洞博物馆悬挑部分共有12个临时支撑胎架，其布置位置与编号见图5。依据胎架卸载优化顺序，将胎架位置按反力大小排序，最大反力处胎架为最优卸载路径，反力值见表5。每次选取出最大反力处胎架后，都采取一次充分卸载至胎架与主体结构脱离，即一次性撤出胎架支撑[4]。通过计算分析得出的卸载顺序如下：

图5　1-K和1-14轴立面布置图

胎架编号开始T3卸掉T5卸掉T4卸掉T10卸掉T7卸掉T8卸掉T9卸掉T11卸掉T1卸掉T2卸掉完成T1409546507394375369361328319000T214922121421621621521521521442500T371100000000000T4364489705000000000T55886760000000000T63183222822592603623842692752752580T74144104034013950000000T8324324319314390549000000T93943494818519062700000T1051551250149700000000T114524314002072922993093570000T12151135133134133132130126126982030

开始→T3→T5→T4→T10→T7→T8→T9→T11→T1→T2→T6→T12→完成。

卸载过程中各胎架反力变化趋势如图6所示。

7.2卸载方法和验证措施

各胎架卸载完成后，胎架支撑点的计算下扰值和卸载后实际下挠值见表6。

图6　卸载过程中胎架反力变化趋势

胎架编号T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T12计算值5.3610.076.065.394.063.293.374.594.944.170.873.70实际值5.08.05.05.02.02.01.01.02.02.01.02.0

卸载时利用千斤顶将支撑点部位的杆件支撑住，将支撑点部位的临时支撑切割掉，支撑点部位的重量靠千斤顶进行支撑。将千斤顶缓慢回落，千斤顶脱开后测量该部位的下扰值，与计算值进行对比，实际值都小于理论计算值，说明在整个卸载过程构件是安全的。

8结论

本文以张之洞博物馆钢结构工程为背景，在对其施工方法进行研究的基础上，得到了如下结论：

(1)通过分析建筑结构特点，确定安装施工方案，采用整体构件拼装、吊装与散件吊装相结合的方法，对无法拼成整体的构件增加临时构件，并进行结构稳定性验算。对悬挑构件，利用临时支撑胎架保证施工，同时对吊装过程的安装构件进行静力分析和非线性施工过程内力分析,保证了结构吊装过程中的施工安全。

(2)关于安装胎架卸载顺序，利用计算机仿真软件计算各安装胎架的发力及反力和，并按反力大小进行排序，已尽量减少卸载步骤为原则，每个卸载步骤先选出受力最大的胎架并将其一次卸载使其与主体结构分离，并在卸载同时对实际下挠值进行测量，通过实践验证该卸载方法简单可靠，能保证卸载过程安全[5]。

参考文献

[1]陈晓阳.某大悬挑结构支撑胎架卸载过程分析[J].施工技术,2014，(7)：21-25.

[2]张开甲,苏洪华,陈桥生．中山博览中心综合展厅大跨度钢结构施工技术[J].施工技术,2008，(6)：20-25.

[3]郭彦林,郭宇飞,高巍，等.国家体育场钢结构屋盖落架过程模拟分析[J].施工技术,2006,(12): 36-40.

[4]方胜利.大型悬挑钢结构施工关键技术研究[D].武汉：武汉理工大学,2011．

[5]史洪泉．大跨度空间钢结构施工全过程力学分析及考虑施工影响的若干要素研究[D].南京：东南大学,2005.

(责任编辑：李文英)

Large-span Overhanging Structure Installation

Huang Honggang

(Wuhan Construction and Industry Company of WISCO, Wuhan 430081, Hubei)

Abstract:Taking the installation of large-span overhanging structure of one museum as an example, this paper summarizes the expertise of installing large-span overhanging structure by studying the key procedures of setting control objective, determining erection procedure, calculating the internal forces in the process of installation, designing supporting braces, uninstalling of supporting braces. It turns out that this technology is practical and has gained expected result.

Key words:overhanging structure; erection procedure; calculate internal forces; supporting braces; uninstall

中图分类号：TU393.3

文献标识码：A

文章编号：1671-3524(2016)01-0018-05

作者简介：黄红刚(1976～)，男，工程师.E-mail：164319741@qq.com

收稿日期：2015-10-29修回日期：2016-01-17