大跨度钢结构屋盖吊装施工技术分析

张翔宇，葛 方，潘湘东，巫明杰，王 权，李 旭

(1.江苏沪宁钢机股份有限公司，江苏 无锡 214231； 2.中铁建设集团有限公司基础设施事业部，北京 100043)

1 工程概况

台州中心站站房屋盖主要由主桁架、次桁架、钢柱构成，形成钢管混凝土柱+正交空间管桁架结构体系，其中主桁架主要采用三角桁架和四角桁架结构形式，主体结构如图1所示。

图1 主体结构示意

中央站房及西站房屋盖最大跨度分别为74.1，80.4m，最大高度均为38.5m。站房屋盖主要采用Q355B，Q355GJB钢材，屋盖各杆件均为无缝圆管或直缝圆管，中央站房屋盖钢柱采用圆管混凝土柱，钢柱内灌注C40混凝土；西站房屋盖钢柱主要采用圆管混凝土柱和格构式圆管柱，屋盖平面布置如图2所示。

图2 屋盖平面布置

2 施工难点分析

1)现场拼装工作量大，精度要求高 屋盖桁架结构构件截面尺寸过大，无法在工厂进行分段制造，现场环境条件有限，但拼装精度需满足吊装要求。因此，在保证高精度的情况下，现场完成大量构件拼装工作存在困难。

2)吊装要求高 屋盖桁架结构最大跨度80.4m，最大高度38.5m，结构质量较大，对吊装半径有很大影响，并且屋面下方存在混凝土楼板，因此，应选择合适的吊装机械与吊装方案。

3)卸载控制难度大 钢屋盖跨度大，杆件局部受力变化对整体受力产生较大影响。卸载过程中，卸载点数量多且卸载时间长，要保证大跨度屋盖安全稳定地卸载至正确位置，难度很大。

3 钢结构安装方案

3.1 屋盖区域划分

将中央站房屋盖划分为提升1区和提升2区，如图3所示，在高架层上现场拼接屋盖桁架体系，然后依次提升，直至设计标高，每个提升区均可独立卸载。西站房屋盖划分成提升区和吊装区，如图4所示，提升区各桁架结构均在对应的进站层及高架层上进行现场拼装，通过3次提升，达到设计标高，随后在吊装区布置临时支撑，使用履带式起重机进行分段吊装，吊装完成后分别卸载。

图3 中央站房房屋盖提升区划分

图4 西站房屋盖施工分区

3.2 中央站房及西站房施工

中央站房施工顺序如下：先降低提升1区(1-15)～(1-18)轴的跨中桁架，然后对跨中桁架进行第1次提升，与(1-13)～(1-15)轴及(1-18)～(1-19) 轴的边跨桁架对接，随后将(1-A)～(3-E)轴桁架进行整体提升，最后卸载提升1区提升架；②按照提升1区的拼装顺序，对提升2区的桁架进行拼装、提升及卸载。

西站房施工顺序如下：①为方便提升，减小高度，提升区屋盖结构拼装工作分别在其投影下的高架层和进展层进行，其中(2-5)～(2-8)轴屋架结构先在进站层上拼装，提升至与高架层对应位置的中跨桁架对接，然后将中跨桁架((2-5)～(2-8)轴桁架)整体提升至与两边跨桁架((2-2)～(2-5)轴及(2-8)～(2-11)轴桁架)对接，最后整体提升至设计标高，卸载提升区的提升架；②布置15个临时支撑，主桁架间次构件配合主桁架同步安装，吊装完成后，卸载临时支撑(见图5)。

图5 西站房屋盖吊装区临时支撑布置

站房屋盖施工工况如下：①拼装中央站房提升1区，并进行第1次提升；②提升1区整体二次提升至设计标高；③卸载提升1区提升架；④拼装中央站房提升2区，并进行第1次提升；⑤提升2区整体二次提升至设计标高；⑥卸载提升2区提升架；⑦拼装西站房提升区屋盖，提升进站层上拼装的桁架；⑧整体提升提升区中跨桁架；⑨提升区中跨及边跨桁架整体提升至标高；⑩卸载西站房提升架；吊装西站房屋盖格构柱，布置临时支撑；吊装主桁架分段、次桁架及次梁；北半幅吊装完成；吊装南半幅屋盖；吊装远端跨中主桁架；吊装次梁；吊装剩余屋盖结构；吊装区卸载。

3.3 现场拼装工艺

由于屋盖桁架结构构件截面尺寸过大，工厂拼装运输至现场难度大，故桁架构件均在现场拼装。为方便提升，提升区的桁架均在已建好的高架层楼面进行拼装，方案如下。

1)桁架拼装前搭设拼装胎架 用于现场拼装桁架的胎架结构构件主要包括底座、立管、定位模板和斜撑。胎架设置时，首先根据桁架模型各杆件的水平投影铺设工字钢，相连后形成刚性拼装平台。吊装区胎架底座采用HW300×300×10×15工字钢，提升区由于存在浇筑完成的混凝土楼板结构，故在混凝土楼板浇筑时，预埋件以作为拼装胎架底座。建立由水平投影线、标高线、检验线及支点位置构成的杆件轴线控制网，并提交验收。随后根据支点标高布置胎架模板，模板上口水平误差≤1mm，当胎架高度>3m时，应设置斜撑，斜撑规格为φ102×6，此外，胎架高度需满足全位置焊接要求，而且搭设后不应产生明显晃动，胎架在验收合格后才可投入使用[1]。

2)弦杆、水平腹杆定位与拼接 通过分析，使用25t汽车式起重机现场拼装分段弦杆，将弦杆分段吊装至胎架上，通过对准地样线、对合线进行杆件定位。通过测定弦杆端口，判断是否合格，合格后即可固定于胎架上。待上、下弦杆定位合格后安装腹杆，腹杆吊装过程中，做好地样线和对合线的定位工作。由于腹杆存在相贯坡口，故安装过程中需观测隐蔽坡口，按特定顺序依次安装。

3)杆件定位焊接 当杆件定位安装并验收合格后，对杆件进行焊接，按照先下弦杆后上弦杆的顺序，从下向上进行两侧对称施焊，最后对焊缝进行探伤检测。

4)检测、验收 当结构构件现场拼装结束后，使用全站仪测量整体结构拼装精度，验收合格后方可进行吊装施工。

3.4 钢结构安装技术

钢结构安装分为提升及吊装。提升作业前，应做好提升设备安装、调试及检查工作，并进行试提升。试提升过程中，按比例分级加载至结构全部离地约30cm，并在空中悬停12h后，调整结构至设计位置，待试提升成功后，进行正式提升，当各点就位后，逐点卸载钢绞线，确保支撑立柱荷载被逐级施加，待吊装完成后进行卸载。

中央站房屋盖在高架层楼面上拼装，为方便提升，减少高空作业，将1-15～1-18轴屋盖降低拼装，然后提升至与两侧桁架对接，最后整体提升至设计标高。中央站房屋盖提升架一部分以结构钢柱作为支撑体系(见图6a)，一部分在主桁架上搭设支撑体系以供后续提升(见图6b)。提升过程中，随着提升构件质量的变化，提升架受力也将发生改变。针对实际提升情况，对提升架受力及钢柱稳定性进行模拟分析，结果表明提升架最大变形和最大应力及钢柱在最不利工况下的最大变形、最大应力比及屈曲因子均满足要求[2]。

图6 提升架示意

由于中央站房屋盖最大跨度达74.1m，故在主桁架下弦设置水平拉索以减小跨中变形(见图7)。提升过程中，水平拉索的分级张拉与提升油缸同步。拉索一端为固定端，通过底锚支架与主结构桁架下弦杆连接，另一端为张拉端，设置张拉油缸。拉索两端与对应桁架耳板采用销轴连接，确保拉索可竖向自由转动(见图8)。水平拉锁端耳板厚度为30mm，拉锁张拉力为1 728kN，350t的油缸储备系数为2.03，钢绞线共23条，其安全系数为3.46。

图7 水平张拉立面

图8 水平张拉节点模型

水平拉索张拉对大跨度屋盖的提升十分重要，为确保安装工程的安全性，还需对水平张拉点进行变形及应力模拟分析，确保水平张拉点的可靠性。

当屋盖提升时，为进一步减小结构应力及变形，对提升1，2区交界处及钢柱周边桁架进行加固处理。为方便后续施工，减少拆除工程量(不影响外观的加固构件后期可不拆除)，要求加固构件与主体结构间采用等强焊接。

西站房吊装区屋盖桁架结构主要使用履带式起重机进行吊装，由于屋盖跨度大，吊装过程中，桁架体系易产生形变，吊装前对吊装屋盖进行模拟分析，以确保安全可靠。

4 钢结构卸载方案

钢结构卸载主要难点在于卸载过程受力复杂，卸载设备同步控制难度大。卸载过程中，主体结构及支架受荷情况发生变化，主体结构逐步由支撑受力状态过渡至自由受力状态，支架则逐步演化成无荷状态，结构体系产生内力重分布现象[3-4]。因此，支架形式的正确选择是大跨度钢结构屋盖安全卸载的关键。卸载方案遵循分区、分级、均衡、缓慢的原则，主要包括提升架、拉索卸载及吊装区临时支撑卸载。

当多种方案进行多方面比较后，采用整体下降技术控制屋盖提升区桁架的卸载工作。提升架卸载过程中，支架承受的荷载通过提升油缸系统按分级控制卸载量的方式(10%，30%，50%，70%，90%，100%)，逐级减小荷载，其中卸载量应根据计算得出，该过程通过计算机统一指挥施行，确保各卸载点卸载过程的同步性。拉索卸载应遵循防止桁架变形的原则，在提升架卸载完成及主次桁架连接形成整体后进行。和提升架的卸载方式相同，由计算机统一指挥，采用分级控制卸载量的方式(30%，50%，90%，100%)，逐级减小荷载，从而完成拉索卸载工作。此外，卸载时还应观测变形控制点产生的变形位移情况，产生较大偏差时，立刻停止卸载，待查明并排除问题后继续进行卸载。

通过逐步割除胎架模板的方式进行临时支撑卸载，按照如图9所示分区逐个进行同步卸载。卸载前，需确保结构不受附加约束，处于自由状态，并保证临时支撑的稳定性。在临时支撑卸载过程中，每次割除的模板高度主要受支撑点的卸载位移量影响，控制在5～10mm，在某一步割除工作后，结构未出现向下的位移时，即可拆除支撑。在整个卸载过程中，需密切关注变形控制点的位移，当出现较大偏差时，立刻停止卸载，待查明并排除问题后继续进行卸载。

图9 吊装区临时支撑卸载顺序

5 施工全过程模拟

根据实际施工工况，通过MIDAS Gen 2017有限元软件，计算出站房屋盖在安装过程中的变形、位移及应力变化，分析整个施工周期中结构存在的最不利情况，以便工程实施过程中做好防范措施。

仿真模拟分析表明，在完整的施工周期中，屋盖结构位移、应力均满足规范设计要求，整个施工方案合理可靠。

6 结语

1)台州中心站站房屋盖跨度大、构件截面尺寸大，故选择现场拼装、吊装提升的方法进行安装施工。通过有限元软件进行仿真模拟分析，结果表明，方案设计合理，安装过程中，主体结构变形、位移及应力均满足设计要求。

2)使用胎架辅助构件定位拼接的工艺具有很好的精准性，为后续工作打好坚实基础。在大跨度桁架跨中进行水平张拉，施加预应力，很好地减小提升过程中主体结构变形与应力。对提升吊装过程中提升架、钢柱及主体结构的变形与应力进行模拟分析，为提升吊装工艺的安全可靠性提供理论支持。

3)提升架及拉索卸载采用分级控制卸载量的方式，逐级减小荷载，临时支撑卸载主要通过切割胎架的方式，为保证卸载过程的同步性，卸载过程中，密切观测变形控制点的变形位移量，确保主体结构在卸载过程中安全可靠。