受限空间非常规方法安装大型钢楼梯的施工技术

李兴怀,袁部平

(1.黄冈职业技术学院,湖北 黄冈 438002;2.中建三局第一建设工程有限责任公司,湖北 武汉 430040)

位于湖北省黄冈市境内的某大酒店，共12层，建筑面积10 800 m2,底层层高6.3 m,2～5楼层高4.2 m,总高近25 m,主楼1～6楼原设计采用自动扶梯上下,在主楼封顶之后,因建设单位变更设计,现改为折线直跑钢楼梯,钢楼梯每梯段斜长14.5 m,跨度为13.1 m,安装最高高度为25.5 m,每部钢楼梯重约6.5 t。原设计自动扶梯重量为6.2 t,经原设计院验算,现已施工的原设计楼梯梁可以支撑钢楼梯,钢楼梯两端支承于原结构楼层的钢筋混凝土大梁上,并且充分考虑该工程有可能出现人员过分集中导致荷载异常的情况,楼梯梁设计为焊接H型钢梁,截面为300 mm×774 mm,踏步板采用6 mm厚花纹钢板制作。

1 施工部署

施工单位组织有关技术人员进行了施工方案的设计,因施工现场场地狭窄,整体框架已经施工完毕,为确保施工工期,设计方案确定钢楼梯制作在工厂内进行。根据施工现场的特殊情况和施工特点,钢楼梯施工采用“整体放样、分段制作、现场拼装、整体吊装”的施工方案。

2 钢楼梯制作

2.1 制作方案

为了减少钢楼梯制作几何尺寸的误差,首先设计人员在施工现场对准备安装钢楼梯的空间进行整体测量,测算出钢楼梯的标准尺寸,同时，对已经施工的梁柱承载力进行复核,后由建设单位请原设计人员进行设计复核,最后综合确定钢楼梯梯梁采用“整体放样、分段取样、组对焊接”的制作方案。

2.2 楼梯梁分节

1)为了便于运输,根据整体放样楼梯梁的实际长度,将整个长的梯梁划分为三段制作,即梯梁的上部踏步梁(上梯段)、钢平台、梯梁的下部踏步梁(下梯段)等三节,其中腹板的连接点选择在每个楼梯折段节点的转角处,翼板的连接同腹板的连接节点错开1.3 m左右。

2)钢梁制作完后进行外观和几何尺寸检验,并做好记录,楼梯梁组装前,各连接部位按实际放样的焊缝长度调整,以满足设计和规范的要求。并将连接接触面和沿焊缝边缘每边30～50 mm范围内的铁锈、毛刺、污垢等清除干净,然后在胎具上进行组装。

2.3 焊接

1)根据本工程楼梯梁的截面特征,焊接H型梁腹板、翼板连接的对接焊缝及T型纵焊缝采用CO2气体保护焊的焊接工艺,其他零星焊缝采用手工电弧焊接。制造焊接钢梁的焊接工艺,是保证钢梁制造质量的关键工艺,不恰当的焊接工艺会引起焊接接头淬火倾向,热影响区材质硬化,组织晶粒粗大,塑性和韧性下降,焊接成型质量差,甚至形成夹渣、气孔、初始裂纹等缺陷。合理的焊接工艺,必须先进行焊接性能试验和焊接工艺评定试验,焊接性能试验和焊接工艺评定试验是编制焊接工艺的依据。钢梁制造前,根据设计文件的要求对结构构造设计和受力特点进行焊接性能试验及全面的焊接工艺评定试验,并通过对试验结果的评审,试验采用复验合格的板材和焊接材料。

2)焊接变形的控制措施。为了尽量减少焊接H型梁腹板、翼板连接的T型纵焊缝时产生的构件翼板变形,在焊接前将被施焊的H梁上、下翼板用刚性夹具固定(夹具间距200 mm),并采取两侧对称同时施焊,尽量减少构件的焊接变形。

3 钢楼梯安装

3.1 安装顺序

采用“逆作法”的安装顺序进行施工,即依次从顶层(5～6层)的钢楼梯开始安装,从上至下的顺序逐层进行施工。之所以采用这种方法,主要考虑钢楼梯长度和重量都很大,如果从下往上吊装,先安装的楼梯挡住了后面吊装楼梯的上行线路,安装最主要的难点就在这里,另外场地狭窄,不利于钢楼梯的堆放。但是这种“逆作法”也有难点,那就是操作时只能采用盲操作,即起重吊装的司机看不到起吊的钢楼梯,只能由司索信号工来指挥操作,难度很大[1]。

3.2 吊装机械的选择

选用2台调速卷扬机进行钢楼梯的抬吊安装,设双动滑轮吊钩,每个吊钩最大起重量8 t,双机抬吊负载按75%考虑,吊车最大起重量大于起吊负载总和,因此，吊车性能满足起重要求。为了充分保障吊装过程中安全可靠,经过计算,卷扬机采用重力式锚碇,由于重力式锚碇主要依靠混凝土自重抵抗钢丝绳的拉力,施工简单,因此设计采用钢筋混凝土基础,尺寸为1.6 m×1.6 m×2.5 m,自重达到16.6 t,考虑到安全,1台卷扬机足以承受钢楼梯的荷载,加上摩擦力的影响,安全系数达到3.0以上,符合要求。

3.3 钢楼梯吊装

3.3.1 吊装方法

因受施工现场的条件限制,钢楼梯无法采用吊装起重机械进行吊装。结合施工现场的实际情况,钢楼梯吊装采用卷扬机等设备进行“土”法吊装,由于钢梯梁的截面较大,长度较长,侧向刚度较差等特点,为尽量减小钢梯吊装过程中的高空作业以及加强钢梯梁的刚度,钢梯吊装采用整体拼装,整体抬吊吊装的施工方法进行安装施工[2]。

3.3.2 钢楼梯现场拼装

钢楼梯、踏步板等构件从加工厂运至现场后,即将其拼装成整体。由于整个钢楼梯为折线直跑梯,拼装前在拼装现场先预制一个拼装胎架,钢楼梯拼装在胎架上进行,胎架预先进行了技术和安全设计。

3.3.3 钢楼梯吊装步骤

1)因钢梯的长度较长,体积也较大,为保证钢楼梯吊装过程中的稳定性,确保吊装过程中的安全,采用双机抬吊的吊装方法吊装钢楼梯。即利用原混凝土框架结构柱,在最上一部钢楼梯安装的结构层(6层)上,从C列⑩轴的框架柱分别牵引2根钢索同G列轴线柱连接和F列⑧轴线柱连接 (图1)。然后在2根钢索上固定2个起重吊点,通过滑轮的导向进入2台卷扬机内,由2台卷扬机进行提升抬吊(楼梯正上方为塔楼屋顶,不允许在楼梯正上方穿过楼层设吊点)。

2)因5部钢楼梯均在同一竖直面内,为保证吊装的连续性,更安全方便地使用吊装机械,在吊装上部钢楼梯时,在吊点下方处留2～3部踏步板暂不安装,以便吊装下部钢楼梯时,吊钩及钢丝绳能自由起落,这一点特别重要。

3)考虑到钢楼梯的整体刚度及吊装过程中的受力情况,起吊前对钢楼梯进行加固。具体方法是：在钢梯两端、梯梁转角处及绑扎吊点两边焊接刚度较大的工字钢(或槽钢)将楼梯大梁连接起来,每点上下翼缘各焊1根。

图1 钢索牵引图

3.3.4 吊索计算

承重钢丝绳截面验算[3]：

Sb≥KT

(1)

式(1)中：Sb为钢丝绳的破断拉力(kN);

K为安全系数,3～4；

T为承重钢丝绳最大拉力(kN)。

在绑扎吊索时,通过计算,使吊索受力时,三线角度成120°(图2)。

这样,

T=P+Q。

(2)

式(2)中：P为荷载重力(kN)；

Q为滑车组、吊钩、吊具等物重力(kN)。

P=37.5 kN,Q=5 kN,所以T=42.5 kN。

图2 吊索受力图

对6×19,1吋(254 mm)钢丝绳,Sb=0.85,Pg=308 kN。

取K=4,KT=170 kN

3.3.5 注意事项

1)施工技术方面

施工前,由公司组织编制了施工吊装的专项施工方案,方案由公司技术负责人进行审核,由项目总监理工程师审批后执行。审批通过后由项目技术负责人组织施工现场经验丰富的技术人员(司索工、吊车司机、电焊工等)进行全面的技术交底,对施工方案和在施工过程中可能出现的问题做好相应的预案,办好动火证并经审核完成批准手续。批准手续完成之后，组织技术人员进行试焊,对焊缝采用超声波进行内部缺陷的检测,超声波探伤不能确定时采用射线探伤。

测量的准备工作,测量工具有水平仪、全站仪各2台,水准仪3台,磁力线坠 4 个,以及其他工具等。以上所有测量工具均需检验合格并在有效期内。测量前,先复核建筑物的测量控制网,再将对点位在钢楼梯和预埋件上做好记号,以方便对位、焊接,在施工过程中,利用铅垂仪、全站仪等仪器进行平面位置和竖向位置的监测和校正[4]。

焊接方面,组织有经验的焊工组成焊接班组焊接,事先检查焊机以及焊接用焊条、焊丝、焊剂的质量,并进行烘烤,焊接前焊缝两侧各50 mm范围以内的铁锈、氧化铁皮、油污、水分等先清除干净,吊装到位后,焊接采用对称焊接法,施焊时由双数焊工同时进行,长焊缝采用由中间向两端的分中焊接法及分中退焊法,焊接时设置登高挂梯,对高处作业、临空作业加强安全保证[5]。

2)施工安全方面

施工前,由项目技术负责人组织有关安全、技术、信号工、司机等相关人员进行严格的安全技术交底,并做好安全预案,工作人员严格按规定佩戴安全帽、安全带、安全绳,钢楼梯起吊过程中,楼梯上及楼梯下方严禁站人。现场有项目经理、技术负责人、安全员、监理工程师以及设计人员巡视,屋顶及临时操作台上都安排有对讲机进行协调,确保安装过程中人员、机械、构件、建筑物及周围环境的安全。吊装时,将楼梯吊离地面500 mm后停止提升,仔细观察钢楼梯的整体受力情况及吊装机具的工作情况,无异常后再协调指挥2台卷扬机提升。

4 结 语

建筑工程施工过程中,设计变更是不可避免的问题,实际施工时,有很多时候遇到的问题是没有先例可以借鉴的,遇到问题,承包商要根据施工安全和技术要求,采取合理的方法制定相应的施工方案。本工程针对大跨度钢楼梯梁处在受限空间和受限场地的环境的施工条件下遇到的难题,提出双机抬吊的分件吊装方法,形成一种复杂环境下大跨度钢结构梁的尺寸精度控制、吊装过程分析等技术体系,采取以上施工方案和措施后,顺利完成了5部钢楼梯的安装工作,并一次性通过验收。以上方案给承包商积累了一定的经验,也给类似工程的实践提供了一个可以借鉴的方法。