高层钢结构建筑桁架安装技术研究

茹 幸，郑铭隆，姬永铁，李 波，张 聪

（中国建筑第二工程局有限公司，北京 101121）

在高层钢结构建筑结构设计中使用桁架结构，能够有效地减少工程用钢量，降低工程施工的难度与复杂度。当前传统的桁架安装技术在既有高层钢结构建筑工程应用中，仍然存在部分问题与不足，主要体现在不能较好地对桁架构件安装过程中内力与变形的实际情况做出实时分析，导致桁架安装质量得不到保障，影响了建筑结构的稳定性与安全性。针对以上问题，本文在传统桁架安装技术的基础上，做出了优化设计，以某既有高层钢结构建筑工程为例，开展了建筑桁架安装技术的全方位深入研究。

1 工程概况

选取某既有高层钢结构建筑工程作为本次研究背景，该建筑工程屋顶属于管桁架结构，由次桁架与檩条构成，结构设计使用年限为50 年，钢结构支撑与桁架抗震等级均为四级。该工程中使用的钢桁架参数，如表1 所示。

表1 某既有高层钢结构建筑工程钢桁架参数

该工程建设施工过程中，钢结构建筑桁架制作量较大，包括大量的高空作业，且钢桁架安装中存在构件跨度大、重量较重的特点，均增加了整体工程的施工难度。除此之外，桁架在加工制作阶段，由于节点转换构件截面较为复杂，汇交节点数量较多，在节点焊接时由于热集中，可能引发构件变形问题。在现场安装阶段，桁架安装对空间定位与测量的要求较高，常规的定位与测量方法无法满足桁架安装精度的要求，增加了桁架安装难度。

2 桁架安装技术

2.1 基于BIM技术分段处理桁架

由于既有高层钢结构建筑工程建设规模庞大，桁架构件数量较多，各个桁架构件均存在造型扭曲多变的问题，且具有复杂的空间分布结构。为了控制桁架构件整体结构的稳定性，保证其能够顺利地进入工程施工场地，本文引入BIM 技术对桁架构件进行分段分节处理，保证其运输质量与效率，减少后续安装过程中桁架吊装次数，方便后续现场安装施工操作。

在分段分节处理中，综合考虑桁架构件满足运输与吊装施工需求。在既有高层钢结构建筑桁架构件中，箱体巨柱主要由桁架角部钢柱与圆管交汇组成，箱体由桁架上弦杆、斜腹杆与下弦杆组成，桁架的中弦杆多数为H 型。基于BIM 技术，对桁架构件进行分段分节处理，得出如下所示的桁架分节信息。上弦杆：规格1 200mm×1 200mm×600，最大单重为36.4t，焊缝长度为150.8m；斜腹杆：规 格1 200mm×1 200mm×80mm×40，最大单重为23.6t，焊缝长度为302.4m；下弦杆：规 格1 200mm×1 200mm×600，最大单重为16.5t，焊缝长度为154.8m；中弦杆：规格1 150mm×500mm×30mm×40，最大单重为2.3t，焊缝长度为20.8m；钢柱：异形箱体，最大单重为80.4t，焊缝长度为167.2m。通过对桁架构件进行分段处理，使其结构构造全方位满足运输与吊装的需求，方便现场施工操作，保证了桁架安装施工的稳定性与安全性。

2.2 设计桁架下弦杆预留吊柱对接牛腿

根据桁架分布位置，对桁架下弦杆预留吊柱对接牛腿进行设计，方便后续桁架安装施工过程中及时对桁架与吊柱之间进行对接就位与校正。根据某既有高层钢结构建筑工程的实际施工需求，结合桁架分段分节后空间分布结构，本文设计了如图1所示的桁架下弦杆预留吊柱对接牛腿。

图1 桁架下弦杆预留吊柱对接牛腿

预留吊柱对接牛腿包括两种，分别为桁架预留吊柱牛腿与吊挂层钢结构预留吊柱对接牛腿，通过二者，实现施工过程中对接就位与校正的目标。在吊柱对接牛腿下部位置，安装临时对接固定装置，保证桁架结构的稳固性。

2.3 吊点及吊耳设计

首先，针对桁架吊点进行设计。桁架吊点设计主要负责对吊点的数量与布设位置进行设计。依据桁架吊点布设相关原则可知，桁架吊点可以布设在3 个位置处。第一个，布设在桁架构件结构节点处，能够方便构件结构传力。第二个，布设在桁架吊件重心以上位置，避免被吊构件产生失稳问题。第三个，布设在桁架构件结构支座处，具有较高的稳定性，相对变形较小。吊点的数量尽量控制为偶数，使吊点两侧布设数量保持对称，避免吊点两端力矩出现失衡。结合吊点的布设情况，设计吊耳。本文设计的桁架吊点及吊耳示意图，如图2 所示。

图2 桁架吊点及吊耳布设示意图

如图2 所示，本文设计的桁架吊点与两个端口的距离为H／4，两个桁架吊点之间的距离为H／2，其中H表示桁架分段分节处理后节段的单元长度，保证吊点与吊耳能够布设在桁架构件的中间位置，起到稳定支撑的作用。

2.4 钢结构建筑桁架安装

在上述准备工作结束后，接下来，安装钢结构建筑桁架。首先，根据桁架构件的实际结构构造与吊装设备的性能，计算桁架构件吊装荷载公式为

其中，k1表示桁架构件吊装动载系数，通常情况下取值1.2；k2表示桁架构件吊装不均衡荷载系数，通常情况下在1.1～1.25 范围内取值；dG表示桁架构件吊装的重力荷载分项系数，通常情况下取值1.3；Gk1表示桁架构件荷载标准值。通过计算，得出桁架构件的吊装荷载，综合考虑吊具重量后，得出吊装荷载设计值。在此基础上，分3 段进行桁架流水安装作业，桁架安装顺序为：26～21 轴桁架安装→8～1 轴桁架安装→20～9轴桁架安装。

首先，安装桁架整榀，确认安装无误后，安装2 段次桁架。按已安装次桁架间隔，安装剩余外挑部分桁架与四周侧弦杆。复核无误后点焊，并固定对接焊接。基于超声探伤原理，探测桁架构件各个位置的实际安装情况，并进行质量检测验收，验收合格后，完成既有高层钢结构建筑桁架安装。

3 桁架安装结果对比分析

选取桁架构件位移变形量作为实验的评价指标，在既有高层钢结构建筑桁架安装过程中，对桁架进行位移变形监测，实时获取各个安装施工阶段桁架结构的位移变形情况。将位移变形监测点随机布设在桁架构件上弦杆、下弦杆、中弦杆、斜腹杆以及钢柱上，保证每个结构位置处均含有3 个监测点，分别标号为SXG-#01、SXG-#02、SXG-#03、XXG-#01、XXG-#02、XXG-#03、ZXG-#01、ZXG-#02、ZXG-#03、XFG-#01、XFG-#02、XFG-#03、GZ-#01、GZ-#02、GZ-#03。设定监测周期，在该周期内，使用高精度全站仪，实时读取并记录各个监测点的位移变形值，最后，取监测点位移变形平均值作为最终的监测结果。为了更加客观地得出桁架安装优势与效果，采用对比分析的实验方法，将本文提出的桁架安装技术设置为实验组，将文献[1]提出的桁架安装技术、文献[4]提出的桁架安装技术设置为对照组。采用MATLAB 统计分析软件，对3 种技术应用后，桁架构件的位移变形结果进行统计与对比，结果如表2 所示。

表2 桁架安装后位移变形值对比结果（单位：mm）

根据表2 的桁架位移变形值对比结果可以得知，本文提出的桁架安装技术应用后，桁架构件结构的稳固性得到了显著提升，桁架构件各个结构位置处的位移变形值均小于另外两种安装技术，最大位移变形值为3.24mm，位于桁架斜腹杆处。由此不难看出，本文提出的桁架安装技术具有较高的可行性，安装效果优势显著，适用于既有高层钢结构建筑工程桁架安装。

4 结语

通过本文的研究，提高了钢结构桁架吊装与施工的质量，获取了不同时间变化规律下桁架应变的动态变化，全方位地保证了建筑工程施工安全，降低了既有高层钢结构建筑桁架位移变形的概率，对大跨度钢桁架的深入研究以及既有高层钢结构建筑的建设与发展均具有重要研究意义。