某穹顶钢结构博物馆钢柱的吊装与质量控制

朱敬锋　安　哲

(1.青岛市建筑工程质量监督站，山东 青岛　266000；　2.山东建筑大学，山东 济南　250101)



某穹顶钢结构博物馆钢柱的吊装与质量控制

朱敬锋1安哲2

(1.青岛市建筑工程质量监督站，山东 青岛266000；2.山东建筑大学，山东 济南250101)

以某穹顶钢结构工程项目为例，介绍了不规则大型钢柱的吊装方法，利用ANSYS有限元软件，分析了吊耳的受力性能，并对钢丝绳和卡环进行了计算与设计，最后提出了钢柱找正方案，旨在保证钢柱的安装精度。

钢柱，吊装方法，吊耳，钢丝绳

随着经济建设的飞跃发展，钢结构在房屋建筑中的应用范围日益扩大，各个城市大量兴建了公共建筑，如科技展览中心、会议中心、体育场馆、机场及车站等，建筑外观的美学因素和使用功能都对结构提出了大空间的要求，穹顶结构正是在这种背景下发展起来的一种结构体系，其结构本身存在一定的复杂性和施工难度。复杂结构构件吊装是影响施工质量的关键因素之一[1-4]，本文仅就某穹顶钢结构博物馆钢柱的吊装和质量控制方法进行研究。

1　工程概况

某博物馆新馆工程(见图1)，总建筑面积约82 980 m2。主体采用钢筋混凝土框—剪结构，地上5层，南侧檐口建筑高度40.80 m，北侧檐口建筑高度47.3 m。穹顶钢结构工程呈半球台状，跨度约63 m，高约26 m，是整个穹顶的承重体系，分屋盖壳体和底桁架梁部分，其中屋盖壳体从上到下呈花瓣状分为4层拱，展开面积约6 000 m2。

图1　工程效果图

2　钢柱构造及施工难点

钢柱构造形式如图2所示，柱子截面规格口1 000×1 000×20，高约16 m。因组装后的钢柱较高，形状不规则且安装位置较高，采用400 t履带式吊车，在高空吊装过程中，钢柱的受力状况比较复杂，施工过程中的施工工况需计算核定，因此合理准确地对复杂钢柱进行施工工况分析，是工程的一个难点。

图2　柱构造形式

3　吊装方法

根据钢柱的形状、长度、质量、起吊方法及吊机性能等因素，采用吊耳吊装(见图3)。钢柱吊装前进行四芯分中，做好标记；检查出厂尺寸和工厂预拼接记录；初步找正后用风缆绳临时固定，最后找正连接固定。起吊过程中，当构件吊离地面300 mm～500 mm时静立3 min～5 min，待钢柱稳定后吊机在较小的作业半径内行走至吊装作业半径范围内(见图4)，然后吊机站稳，主臂保持85°角不变，副臂扒杆就位。就位后进行初步找正，并拉风缆绳临时固定。吊装时，钢柱起吊过程中不得在地面上拖拉，以免碰坏损坏构件。

图3　柱子绑扎及吊耳位置示意图　　　　图4　吊机作业半径控制　　

钢柱就位时应缓缓放下，顺着落位卡板对接上后，检查各差位线是否在同一直线上，如出现偏差可在距落位卡板一定距离处的上节柱上焊上钢板，在钢板与落位卡板之间打入冲子调整落位差，直至上下各差位线重合。同时，在距离钢柱适当的位置架设高精度的经纬仪对柱子的垂直度进行观测。待柱子下部与预埋件上焊件的定位卡板对准、上部千斤顶顶住、斜侧风缆绳拉好后方可松吊钩(见图5)。

图5　柱脚临时固定

4　吊耳计算分析

根据现场安装要求，设置一个起重量30 t的通用吊耳，采用有限元分析软件ANSYS对其进行弹性分析。吊耳的有限元模型如图6所示。通过对吊耳的受力性能分析，得到吊耳应力分布云图(见图7)。从图7可以看出，吊耳的应力为80 MPa以下，吊孔边局部应力较大，是计算时在孔边施加集中荷载所致，而实际吊装时是面的接触，不会产生上述局部应力较大的现象。

图6　吊耳计算模型

5　钢柱的找正

　　　　图7　吊耳应力分布云图　　　　　图8　钢柱定位轴线图

钢柱的找正包括平面位置、垂直位置和标高的找正，即标高、双向垂直高度和双向柱距，钢柱的安装精度决定整体建筑物的安装质量。需要先进行以下工作：在柱中画出定位轴线(见图8)；在每条轴线上架设经纬仪控制柱的偏移；在每条轴线上架设经纬仪控制拱的偏移。标高的找正是根据钢柱顶板的设计标高在钢柱底板下配设垫板进行调整；平面位置的找正是在钢柱吊装就位后，用千斤顶调整；垂直度的找正是在钢柱临时固定后进行，采用倒链和千斤顶共同校正。

6　钢丝绳和卡环的设计

6.1钢丝绳的设计

穹顶钢结构是由支撑柱、环形桁架及弧形梁组成的轴心对称体，支撑柱重约16 t，桁架梁重约11 t，弧形梁散件出厂后现场对接整体吊装，最重16 t。根据钢丝绳容许拉力计算公式[Fg]=aFg/K选择钢丝绳，其中，Fg为钢丝绳破坏拉力，可按近似公式Fg=0.5d2进行计算；d为钢丝绳直径；K为安全系数；a为不均匀系数，取0.85。根据构件的重量，吊装时用单根直径在31以上或双根φ24.5的钢丝绳吊装可达安全系数3.0以上，单根允许起重量如表1所示。

表1　钢丝绳单根允许起重量

6.2卡环计算

施工现场吊装作业中，卡环的容许荷载，可根据卡环的销子直径按近似公式[FK]=(35～40)d2计算，[FK]为卡环的容许荷载,N；d为卡环的销子直径,mm。根据近似计算公式，销子直径为71的卡环容许荷载为201 000 N，即销子直径为71的卡环容许载荷为20 t，销子直径为51的卡环容许荷载为104 000 N，即10 t。吊装各构件时，用一个销子直径为71或两个销子直径为51的卡环即可。

7　结语

本文提出不规则大型钢柱的吊装方法，利用ANSYS软件，建立了吊耳有限元模型，分析结果表明吊耳受力性能满足要求；同时进行了钢丝绳和卡环的计算与设计，为吊装提供可靠保证；所提出的钢柱找正方案，可以保证安装精度。

[1]刘志佳.大跨度钢结构重型钢柱吊装技术可行性研究[J].安徽水利水电职业技术学院学报,2011,11(3)：7-14.

[2]汪青山.高层建筑劲性施工之钢柱吊装[J].建筑施工，2009,31(6):457-459.

[3]杨俊才.某大型厂房钢柱吊装施工技术[J].山西建筑,2015,41(16):99-101.

[4]申屠辉宏，王晓明，于吉圣，等.重型倾斜钢柱吊装工艺在超高层建筑中的应用[J].施工技术,2014,10(29)：58-60.

Steel column hoisting and quality control of the museum with steel dome structure

Zhu Jingfeng1An Zhe2

(1.QingdaoBuildingEngineeringQualitySupervisionStation，Qingdao266000,China;2.ShandongUniversityofBuilding,Jinan250101,China)

Taking the steel dome structure engineering project as an example, the paper introduces hoisting methods of irregular large-scale steel column, analyzes the stress performance of lifting lugs by applying ANSYS finite element software, carries out computation and design of steel wire rope and clasp, and finally puts forward steel column alignment scheme, with a view to guarantee the installation accuracy of steel column.

steel column, hoisting method, lifting lugs, steel wire rope

1009-6825(2016)21-0102-02

2016-05-13

朱敬锋(1982- )，男，工程师

TU756.41

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