超重大跨度钢桁架安装施工方法创新

孙清梅（浙江广厦建设职业技术学院 ，浙江 东阳 322100）

1 工程概况

本工程建筑面积为147853.41m2，地下二层，地上四十三层。主体结构为混凝土框架+核心筒结构。主楼建筑高度为193.7m。裙房部分区域设劲性梁柱结构，裙房建筑高度30.90m，会议厅屋顶采用大跨度钢梁双向受力体系。劲性梁最大截面为H900m×300m×12m×40m，劲性柱最大截面为H 550m×500m×24m×34m。会议厅屋面大跨度钢梁最大跨度约35.6m，主梁截面采用H1850m×350m×26m×26m。本工程钢材材质为Q420C，会议厅屋顶楼板采用钢筋桁架楼承板组合楼板结构。工程的特点是跨度大：裙房会议厅最大跨度约35.6m；难点是主梁采用H1850×350×26×26，外框钢柱采用Q420C。

2 施工重难点分析

2.1 厚板焊接

本工程钢构件最厚板厚为40mm，材质为Q420C，厚板在焊接过程中容易产生根部缺陷，丁字和十字接头容易产生层状撕裂；焊后产生的残余应力比较大，所以在制作各阶段执行合理的工艺措施，控制与消减残余应力，防止裂纹的产生，成为本工程的重点之一。层状撕裂主要是在焊接过程中产生的，多发生在角接头、T形或十字接头的热影响区或远离热影响区的母材金属中，裂纹呈阶梯状，基本平行于钢板轧制表面。

2.2 宴会厅屋顶大跨度梁吊装

本工程宴会厅屋顶钢梁最大截面为H1850m×350m×26m×26m，跨度35m。钢梁的跨度较大，重量较大，塔吊及汽车吊不能满足吊装的要求。

2.3 施工场地紧张

本工程设2层地下室，现场基坑外场地非常狭小，施工现场四周建筑都已形成，用于本工程现场施工临时的建筑空地几乎为零，尤其地下室施工时基本没有钢结构材料堆放场地，地上结构施工时，大量的钢构件进场后，材料须堆放到地下室顶板，如何进行材料堆放管理及协调是工程的重点。

2.4 超高层钢-混凝土结构在施工过程中的混凝土核心筒与外框钢结构变形协调处理

随结构的不断增高，混凝土结构和钢结构变形不断增大，变形的绝对值也比较大，而且混凝土结构和钢结构之间的变形并不同步，如何协调结构之间的变形差异，并确保施工阶段的结构变形不至于影响结构的安全和工程竣工后的使用功能，也是我们考虑的施工重点。

3 选题理由

3.1 本工程质量目标确保钱江杯，争创“鲁班奖”

本工程安全目标：达到金华市行政主管部门有关“金华市标化工地”及安全文明施工的有关规定，争创“浙江省标化工地”。

3.2 跨度大

1#楼钢梁主梁1-D轴线（宽度34m），1-C轴线（跨度34m）之间，1-F轴线（跨度34m），本工程钢梁与柱跨度大，柱重量大，钢结构，重量重，1#楼钢桁架单跨梁重量为23T，工厂分段制作。整体钢梁重量为180.76T，支承点少，安装高度大，高空作业量大。由于施工场地限制较多，会议室桁架屋面在裙房的东南角，临近市政道路，场地狭窄，吊装视野不够开阔。工期紧，任务重，不允许出现返工及贻误工期现象。能否成功按计划完成钢结构吊装，是该项工程建设的关键。

3.3 厚板焊接可以解决

1）对层状撕裂的产生机理和危害性进行认识与重视，根据构件受力分析，对焊接接头的拘束度分析、残余应力分析、层状撕裂倾向分析，进而制定针对性的工艺并进行贯彻实施。

2）严把材料关，即保证材料的Z向性能，并在焊接前对母材焊道中心线两侧各2倍板厚加30mm的区域进行超声波探伤检查。

3）厚板焊接坡口形式优选双面坡口形式，并对单面坡口进行了优化，降低了热输入量。严格坡口加工精度，利于层状撕裂的防止。

4）对Q420C材料进行全面的焊接性试验及工艺试验，对本工程构件制作中涉及的板厚及接头形式进行焊接工艺评定。

5）厚板焊接采取多层多道焊，焊前预热，预热温度不小于100℃，层间温度150～200℃，焊后保温缓冷。

6）通过合理的装配和焊接顺序，以及控制、消减残余应力措施减少焊接残余应力，减小拘束度，以利于层状撕裂的防止。

3.4 施工场地紧张问题的解决

1）根据现场及周边的施工环境科学合理的设计施工总平面布置方案以及钢结构安装方案。

2）进行了周密的运输及现场安装进度计划编排，确保现场供货的及时性、合理性并确保符合现场施工需求。

3）宴会厅屋顶大跨度钢框梁随到随吊，小梁则在设置塔吊附近堆场堆置。

3.5 超高层钢-混凝土结构在施工过程中的混凝土核心筒与外框钢结构变形协调处理的解决

1）调整结构的施工顺序，根据国内许多权威研究机构所知，本工程的结构中筒体由于混凝土的徐变和干缩产生的竖向非弹性变形约占总变形的65%以上，由于混凝土的徐变和干缩是个时间的参变量函数，故可以通过控制混凝土筒体和外钢框钢结构的施工时间差来调整。

2）调整钢框架梁柱节点的安装方法，如当梁柱采用刚性连接时，可采用的方法为：先用高强度螺栓将H型梁的腹板与柱连接牢固，隔一断时间后，视施工流程的需要，再将梁的上下翼缘焊牢，即采取先铰后刚的特殊施工工艺。

由此可以看出宴会厅屋顶大跨度梁吊装是要解决的主要问题。

4 目标和可行性分析

4.1 目标

选用一种满足质量、安全、工期及经济的钢梁安装方法，实现结构安全。桁架安装完成时，符合施工规范要求，一次验收合格，确保安装质量合格率达到87%。

4.2 可行性分析

1）本工程由金华建筑设计院有限公司设计，同时具备钢结构专业深化设计团队。

2）公司选派具有多年开展施工经验的技术人员与项目部人员一起成立研究小组，小组人员新老结合，具有很强的团队协作能力和创新能力，并由项目执行经理任组长。

3）由公司总工程师虞功平对该工程的施工进行指导，选择有类似经验的专业施工队伍。监理单位技术人员对该部位细部的施工提出了宝贵的意见。

综上所述，设定的目标是可行的。

5 方案的设计

根据桁架安装完成时，符合施工规范要求，一次验收合格，确保安装质量合格率达到87%的目标要求，制定活动计划，小组成员通过“头脑风暴法”集思广益，共采用了以下四种方法。

第一种方法：汽车吊分榀安装法是把整体钢桁架分成多榀[1]

即利用50T汽车吊直接吊至进行安装的方法。具体采用型钢柱对地下室顶板进行加固，将拆分后的钢梁在地下室顶板上焊接拼装完成后，利用汽车吊直接吊至型钢柱牛腿处进行螺栓连接并且满焊。待钢架全部安装完毕，涂防腐涂料、防火涂料等工序完成后拆除顶板。

第二种方法：胎架人工分榀安装法[2]（见图1）

图1 胎架人工分榀安装法简图

钢梁运至地下室顶板吊装位置，汽车吊分段吊至5层屋面，人工倒运钢梁投影位置，利用塔吊拼装标准节胎架，安装H340型钢作为起吊支点悬挂电动葫芦，缓慢提升，钢梁落位至胎架上，测量调整，利用胎架电动葫芦进行提升，逐个拼装焊接成整体。

第三种方法：整体提升安装法[3]

即把整体钢桁汽车吊分段吊至5层屋面，人工倒运钢梁投影位置，利用龙门架将构件吊起，混凝土主梁位置铺设钢梁作为拼装胎架，钢梁落位至胎架上，测量调整定位，焊接成整体，利用在柱顶设置的提升架进行整体提升。

第四种方法：塔吊分榀安装法：[4]

分别利用1#2#塔吊（TCT5611）将设计拆分后的桁架单体构件吊至设计高度进行空中拼装。安装从梁两端到梁中，先安装主梁再吊次梁顺序依次进行吊装。1#塔吊位于裙房的北面，2#塔吊位于裙房南面，基本全部覆盖钢梁范围。

针对满足质量、安全、工期及经济的钢梁安装方法，实现结构安全的目标，充分收集各种方法进行汇总。

6 最佳方案的确定

对以上四种方法从方法的可行性、经济性、施工难易程度、工期等进行评估，选定最优方案。

6.1 汽车分榀吊安装法

1）可行性：安装精度高，高处作业量相对较大。

2）经济性：对起重设备（汽车吊）性能要求高，经测算费用为40万元。

3）施工难易程度：大型汽车吊拼装施工效率低，高空作业危险系数高，控制精度要求高。

4）工期：地下室顶板需要钢管加固，计划10天安装完成。

5）是否选用：裙房东侧是道路，施工场地狭窄，施工难度较大，此法不选。

6.2 胎架人工分榀安装法

1）可行性：安装精度高，高处作业较小，安全性高。

2）经济性：按照设计的胎架，制作移动龙门架及塔吊标准节胎架，其他附材 ，经测算费用为42万。

3）施工难易程度：作业危险性较小，人工操作简单，安装精度高，安装难度较小。

4）工期：塔吊和汽车吊配合人工进行单榀桁架提升时，塔吊起吊胎架，汽车吊吊分段钢梁，钢桁架全部安装完成需要1个月时间，工期较为合理。

5）是否选用：作业安全，费用较低，最佳方案。

6.3 整体提升安装法

1）可行性：安装精度高，高处作业量很少，安全性高，整体提升支点设置困难，需投入大量人、材、机。

2）经济性：提升架体用钢量大，整体提升支点加固措施需不断求证并投入大量的加固措施费及辅材费用，大约费用为53万元。

3）施工难易程度：同步控制精度要求高，支点设置困难。

4）工期：楼板加固需要15天，楼面整体拼装开始至提升到位安装完成时间1个半月，工期长。

5）是否选用：作业安全，费用较低，最佳方案。费用53万元最高，工期较长，不采用。

6.4 塔吊分榀安装法

1）可行性：充分利用塔吊，增加安装人员操作风险，安装精度较高。

2）经济性：充分利用塔吊，投入费用50万元。

3）施工难易程度：单榀桁过重，塔吊起吊困难，1#、2#号塔吊东南区域角不能完全覆盖。

4）工期：塔吊配合人工，单榀桁架提升时，1#、2#塔吊可以同步进行拼装施工，钢桁架全部安装完成需要15天时间，工期较短。

5）是否选用：单榀桁架重时，钢梁安装风险系数成倍增加，同时部分位置无法完全覆盖，增加吊起的难度。此法不可选。

从各方面综合考虑后选取胎架人工分榀安装法作为最佳实施方案。

7 制定对策

根据拟采用施工方案制定最佳施工工艺流程，然后制定实施对策。

8 对策实施

8.1 施工前准备

在金华建筑设计院有限公司设计和钢结构专业深化设计团队指导下，编制专项施工方案，方案确定了将34.5m主钢梁分成三段并对移动龙门架及标准节胎架提升能力进行了计算，龙门架跨中单点竖向荷载50kN，水平荷载按左右晃动角度10°考虑（取10kN），并取1.4倍动力系数。结构变形，龙门架顶部横梁跨中最大合位移约33.6mm，满足施工要求。应力比，龙门架杆件最大应力比为0.553，且提升支架各杆件应力比均小于0.4，满足施工要求，确保提升符合安全要求。在提升施工前，此施工方案经施工单位、监理单位审核、批准后实施，并对作业人员进行技术交底。确认效果：经过方案编制，合理对材料、人员、机械安排，优化施工方案。

8.2 楼板加固

目标：确保超重钢结构安装时楼板有足够的承载力。措施：利用经纬仪放线，在楼面上用墨斗弹出胎架放置位置后，进行加固，保证主体结构有足够的承载力。实施效果检查：构件均能安全吊装至指定拼装位置并安装到位，精度与设计和预埋钢牛腿相吻合。

8.3 钢梁吊装至屋面楼板

表1 对策表

目标：确保钢梁安全吊至屋面楼板。

措施：将5根大跨度梁分3段加工制作、运输、吊装，分段重量最重约7.7t；其余钢梁均整根吊装（较重钢梁利用人工吊装，小次梁等利用塔吊吊装）。然后在楼板上划分钢梁构件堆放位置，接着采用50t汽车吊将钢梁吊至该位置。

实施效果检查：构件均能安全吊装至指定拼装位置并安装到位，精度与设计和预埋钢牛腿相吻合。

8.4 钢梁搬运（见图2）

钢梁搬运见图2。

图2 龙门架钢梁构件移动

目标：确保钢梁搬运至吊点位置。

措施：1）用经纬仪在楼板上定位出钢梁的投影位置并用墨线标识。2）用经过计算论证的自制移动式龙门架进行钢梁搬运，将钢梁移至标识处。

实施效果检查：钢梁边线与楼板定位标识吻合，定位精确。

8.5 提升胎架安装

目标：确保在胎架安全可靠性，能有效提升钢梁至设计标高。

措施：用6025塔吊将8个塔吊标准节吊至梁两侧指定位置，进行拼装。有钢板焊接的标准节作为胎架第一标准节。胎架共搭设2个立柱，每个立柱4个塔吊标准节，该立柱高度能够满足钢梁提升高度。在两个胎架立柱上搁置H型钢焊接吊耳作为电动葫芦的吊点。

实施效果：胎架立柱位置定位准确，立柱高度满足钢梁提升要求，H型钢吊点满足钢梁构件的起吊重量。

8.6 钢梁分段提升

目标：确保钢梁分段提升到设计高度，保证钢梁构件能与主体牛腿精准对接。

措施：在钢梁构件中心点位置焊接吊耳，用电动葫芦将钢梁进行提升。将钢梁吊起离地50cm，24h后对H字钢进行复核稳定性及承载力。确认无误后，将钢梁按一定速度提升至设计标高位置，稳定后对钢梁构件位置进行复核。

实施效果检查：构件均能安全吊装至指定拼装位置，确保精度与设计和预埋钢牛腿相吻合。

表2 钢桁架拼装精度检查表

8.7 与主体牛腿，完成主梁拼装

目标：确保钢梁与主体牛腿连接符合设计要求，焊接质量符合设计要求。

措施：待钢梁吊到设计标高，利用线锤位置核对完成后，采用高强螺栓将连接板与柱牛腿，另一端用型钢H340临时支撑立柱，底部焊接铁板，将钢梁稳定后，拆除胎架。

实施效果：焊接质量得到保证，连接完成后符合设计要求。

8.8 拆除提升架

目标：安全拆除提升支架，完成屋面整体钢结构安装。

措施：整体钢架螺栓拼装完成，等沉降稳定后，各弦杆对口焊接、补杆完毕后，利用塔吊分解胎架及加固钢管架。

实施效果检查：塔吊配合拆除，安全可靠；作业人员系安全带操作保证高空作业安全。

9 结语

从2017年7月至2017年12月期间，经历了从方案的提出、方案初步设计、方案比选、方案完善、方案审批到方案实施的一系列过程，为钢梁的提升安装奠定了基础，也保证了整个提升工程的施工进度。

安装结束后，会同各单位对钢梁进行检查，拼装精度符合设计要求，合格率达90.70%，已达到设定的87%目标要求，且提高了3.7%；焊缝经专业检测单位检测，均为合格。

本工程一共有二级焊缝395条，经杭州金辉钢结构检测工程有限公司对焊缝超声波探伤检测，焊缝合格率为100%。

胎架人工分榀安装法提升施工技术，在某工程（一期）I标工程中成功应用，施工质量、施工进度、施工安全等方面均取得非常好的成绩，为金华市以后的类似工程施工奠定了基础，取得了良好的社会效应。