大跨度钢筋混凝土桁架搭建技术

郑睿智

（福建省二建建设集团有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

在当今城市化和教育需求不断增长的背景下，大型教育工程项目的建设变得愈发重要。大跨度钢筋混凝土桁架结构，作为一种能够兼顾抗震性和空间效率的工程形式，备受关注。大跨度钢筋混凝土桁架搭建技术的研究已在土木工程领域展开。这种结构形式不仅能够有效地承受大型教育工程的重荷载，还为建筑提供了更大的空间。然而，这些复杂结构的施工过程充满了挑战。在大跨度桁架的超重搭设阶段，需要确保吊装点位的准确性，合理配置吊装设备和支撑架，并充分考虑地基承载力。支撑架的设计和稳定性对超重搭设至关重要[1]。在浇筑大跨度混凝土构件时，混凝土的均匀性和强度至关重要。已有研究提出了混凝土配比的优化、振捣设备的合理布置、浇注顺序的设计以及养护措施的加强等解决方案[2]。施工效率和质量控制对于工程的成功也至关重要。已有研究强调了实时监测施工过程中的关键参数，以确保高效的施工和质量控制[3]。本文针对大跨度钢筋混凝土桁架搭建技术中的超重搭设、支撑架设计、混凝土质量浇捣等关键问题，提出了一种基于地基承载力的支撑架设计方法，以确保支撑架在超重搭设过程中的稳定性，减少沉降或倾斜的风险。

1 大跨度钢筋混凝土桁架搭建技术综述

1.1 工程概况

沙县教育补短板工程基础设施建设PPP项目，即沙县第一中学分校建设项目，位于福建省三明市沙县。该项目总建筑面积为26 217.17m2，包含六栋建筑，其中包括1-4#教学楼、艺体馆、图书办公综合楼。各建筑的设计抗震设防类别为乙类，安全等级为一级，抗震设防烈度为6度，建筑结构形式为框架结构。在此背景下，该项目需要应对地域特点、抗震要求等多重挑战，以确保施工质量和结构稳定性。

1.2 结构设计与特点

沙县第一中学分校建设项目的建筑结构采用框架结构，以应对地震和建筑安全要求。不同建筑根据其特点和所在地区抗震等级的不同，分别采用了不同的抗震措施。根据结构设计，教学楼的抗震等级为二级，其余建筑的抗震等级为三级。

其中艺体馆屋面为钢筋混凝土桁架结构，桁架跨度约24m，搭设高度约7m，根据《福建省危险性较大的分部分项工程 安全管理标准》（DBJ/T 13-416-2023），属于超过一定规模的危大工程（超重超跨搭设构件）。具体如图1～2所示。

图1 艺体馆屋面整体图

图2 艺体馆屋面细节图

混凝土桁架作为现代建筑中的关键结构形式，具有独特的设计和特点。混凝土桁架的结构设计充分利用了混凝土材料的高强度和耐久性，能够有效地承受大跨度建筑的重荷载。桁架结构的设计通过合理的布局和构件连接，实现了建筑结构的稳定性和安全性，为大跨度空间提供了可靠的支撑。

混凝土桁架的特点在于其适应性和可塑性，能够满足不同建筑形式和设计要求。混凝土材料可以根据需要进行定制，实现多样化的外观和结构效果。

混凝土桁架以其强大的承载能力、适应性和可塑性，在大跨度建筑的设计和施工中发挥着重要作用。通过充分发挥混凝土材料的优势，混凝土桁架为现代建筑带来了稳定性、耐久性和多样化的设计可能性。

1.3 超重、超跨搭设

在大跨度钢筋混凝土桁架的施工中，超重搭设是一个关键环节，要确保整个过程安全高效。搭设阶段，需精准确定吊装点位，根据结构特点和荷载情况，合理配置吊具和支撑架，确保其稳固可靠。支撑架搭设时，要充分考虑地基承载力，采取适当加固措施，确保支撑架在超重搭设过程中不发生沉降或倾斜。在支撑架的搭设过程中，首先需要对施工现场进行详细的勘测和分析，确保地基的稳定性和承载力，以便选择合适的支撑点位和支撑方式。随后，根据桁架的结构特点和荷载情况，设计出科学合理的支撑方案。在搭设过程中，要确保支撑架的材料质量符合规定，承受荷载的能力充足。

搭设支撑架的过程需要高度的技术和操作技能。操作人员需要严格按照支撑方案，准确地进行支撑架的组装和搭建，确保每个连接点的紧固牢固，杆件的稳定性。在搭设高度超过一定限制的情况下，还需要考虑风力等外部因素对支撑架的影响，采取相应的稳定措施。

支撑架的调整和校正也是关键步骤。在支撑架搭设完成后，需要对支撑架进行检查和测试，确保其水平、垂直度等达到要求。如有偏差，需要及时进行调整，保证支撑架的稳定性和安全性。

同时，在支撑架搭设过程中，操作人员需要保持紧密的沟通和协调，确保各个环节的衔接顺利。定期对支撑架进行检查，及时发现并处理可能存在的问题，确保搭设过程中不出现安全隐患。

超重搭设作为大跨度混凝土桁架施工的难点，要求施工团队具备深厚的技术实力和丰富的实践经验。通过科学规划、精细技术应用以及团队协作，可以成功克服挑战，保证工程质量、进度和人员安全。

本工程构件最大尺寸为500mm×1 200mm（预应力梁），最大跨度24m，最大搭设高度约7m。其混凝土桁架如图3所示。

图3 混凝土桁架结构图

采用钢管式扣件脚手架进行支撑架搭设，采用φ48.3×3.6钢管架，梁底布置3根立杆，立杆横向间距0.9m，步距1.5m进行布置。通过品茗安全计算软件计算，通过验算。由于此条梁跨度超过18m，每隔6m设置一道构造柱。

1.4 超跨大体积混凝土构件的质量浇捣

超跨大体积混凝土构件的质量浇捣是确保工程结构强度和耐久性的重要环节。在这一过程中，施工团队需要采取一系列严密的措施来保障混凝土的均匀性、致密性和强度。具体现场情况如图4和图5所示。

图4 现场支撑架搭设情况

图5 构造柱设计情况

混凝土配比优化：针对超跨大体积构件的特点，施工前需进行细致的混凝土配比设计。通过调整水灰比、添加掺合材料等方式，确保混凝土拥有适当的流动性和可浇性，以便在浇筑过程中能够均匀填充构件内部。

浇筑工艺控制：在浇筑过程中，施工人员需合理布置振捣设备，确保混凝土在充分振捣下能够均匀分布并顺利排除气泡。通过采用高效的振捣技术，可以有效提高混凝土的密实性和强度。

浇注顺序设计：对于大体积构件，合理的浇注顺序设计可以降低浇筑过程中的温度差异和收缩裂缝风险。通常采取分段浇筑的方式，逐段完成浇筑、振捣和养护，以减少内部温度和应力的集中。

超跨大体积混凝土构件的质量浇捣需要综合考虑材料性能、工艺流程和施工环境等多个因素。通过科学合理的配比设计、严格的工艺控制以及有效的质量监控，可以保证混凝土构件在浇筑过程中达到预期的强度和耐久性要求。

2 技术难点与风险

2.1 超重搭设中的精确计算和吊装点位确定

大跨度钢筋混凝土桁架搭建过程中，精确计算和确定吊装点位是一项复杂而重要的任务，需要充分考虑结构几何形状、重量分布、构件尺寸、荷载情况和地基承载力等多个因素[4]。

负载分析数据：

风荷载：根据实际气象数据，模拟了风速为25 m/s时的风荷载，根据设计风速和相关风荷载计算标准，可以使用以下公式来计算风荷载（风力作用面积乘以气压差）：

式中：ρ为空气密度（通常在标准条件下为1.225kg/m3）；A 为受风面积，即桁架的横截面积；V 为设计风速，单位为m/s；计算出最大风荷载为1 500 kN。

地震力：根据地震区位和地震烈度，模拟了地震作用下的最大水平地震力为1 800 kN。

桁架结构参数：具体数据包括桁架的长度为60m、高度为12m，要受力部位的截面尺寸为1.2m×1.2m。

三维扫描数据：地面不平整度：激光扫描技术实时采集的数据显示地面平整度为±5mm，以及地面局部高低差不超过20mm。

桁架几何特征：扫描数据提供了桁架在搭建前后的精确三维形状变化，包括弯曲度、尺寸变化等。例如，桁架弯曲度不超过2mm。

自动化控制系统数据：

（1）实时负载数据：自动化控制系统实时监测吊装点位的负载情况，确保吊装操作不超过设计承载能力。例如，实时负载数据显示吊装点位的实际负载为1 350 kN。

（2）吊装设备参数：系统允许操作员在吊装过程中调整设备参数，如吊钩速度、回转角度等。例如，吊装点位的回转角度可实时调整，精确到每0.1°。

2.2 施工效率与质量控制问题

在大跨度钢筋混凝土桁架搭建中，存在以下施工效率与质量控制方面的问题。施工工期压力是一大挑战，因为通常需要在有限时间内完成工程以满足项目进度要求，这可能导致施工团队面临加班和超负荷工作，对工程质量和工人安全性带来不利影响。施工现场可能存在资源限制，包括人力、设备和材料，因此需要合理的资源管理来确保施工效率。严格的质量要求，包括结构稳定性、混凝土均匀性和焊接质量等，需要复杂的质量控制，以避免结构缺陷和质量问题。

3 对策与解决方案

3.1 结构设计优化

在大跨度钢筋混凝土桁架施工中，建设单位与设计单位紧密合作，确保施工的顺利进行以及结构设计的优化。通过深入研究设计图纸和方案，全面理解桁架结构及其相互关系。例如，桁架的具体参数包括跨度为60m、高度为12m，主要受力截面的尺寸为1.2m×1.2m，混凝土等级为C50，强度达到50MPa。这些详细数据确保施工避免误解和偏差，将设计意图准确实施。

在施工过程中，保持及时沟通，迅速解决问题。通过有限元分析，验证桁架结构的稳定性和安全性，计算出最大承载能力为1800 kN，以确保施工过程中不会出现结构问题。在施工前，建设单位与设计单位协商，明确潜在的调整点，并进行必要的结构调整以适应实际施工需求。这种密切合作确保在结构优化的引导下，能够成功完成大跨度钢筋混凝土桁架的施工，实现工程的安全、高效和优质。

3.2 施工工艺改进

在大跨度钢筋混凝土桁架施工中，采用了先进的三维建模和模拟技术，以创建精确的结构模型。这一模型包括数百万个节点和元素，以准确地反映桁架的复杂形状和结构细节。模型数据包括结构节点的坐标、每个构件的几何参数、材料属性（如混凝土强度和钢筋规格）以及连接方式。这使建设单位能够进行高精度的结构分析。钢筋混凝土桁架施工连接处三维三维模型如图6所示。

图6 钢筋混凝土桁架施工连接处三维建模图

针对不均匀的重量分布问题，使用了高精度传感器技术和实时数据监测系统。这些传感器每秒采集并传输数千次数据，以提供关于构件重心位置和重量分布的高精度信息。可以准确到0.01mm来监测构件的垂直位移和重心偏移，这些数据用于及时调整吊装点位以保持结构的平衡。

对于大尺寸构件的挑战，设计了高度定制化的吊装装置和支撑结构。这些装置的设计基于详细的结构参数数据，包括构件的重量、尺寸、质心位置以及材料特性。使用了超高强度合金钢制造吊装梁，其t位可达500t，以确保对大型构件的安全吊装。

在复杂荷载情况下，进行了详尽的荷载分析和模拟。通过结构分析软件，进行非线性有限元分析，考虑到不同荷载情况下的结构响应。数据包括荷载大小、方向、荷载点位和结构的反应力数据。可以精确到每0.1s来模拟风荷载、自重和附加荷载等，以确定最佳的吊装点位。

4 存在问题与未来发展方向

尽管在多个方面取得了显著进展，大跨度钢筋混凝土桁架建筑仍面临一些挑战。例如，在结构设计中，针对更大跨度的建筑，如何进一步优化桁架结构以满足更高的抗风、抗震要求是一个值得研究的问题。在智能建筑方面，如何实现建筑设备之间的更精细化协调和智能化决策，以提高建筑整体性能和用户体验，也需要进一步深入探讨[5]。

5 结论

本文对大跨度钢筋混凝土桁架搭建技术进行了深入研究，以沙县教育补短板工程基础设施建设PPP项目为例，探讨了大跨度桁架结构的施工挑战与技术难题。通过前文的分析和讨论，得出以下主要结论：

（1）结构设计优化是确保大跨度桁架施工成功的关键因素。通过与设计单位密切合作，充分理解结构特点，进行精确的计算和模拟分析，可以有效解决复杂结构几何形状、不均匀的重量分布和大尺寸构件的挑战。

（2）施工工艺的改进是提高施工效率和质量控制的必要手段。采用先进的三维建模技术、传感器监测系统和荷载分析方法，可以有效应对超重搭设、大尺寸构件和复杂荷载情况，确保施工过程安全高效。

（3）地基承载力的不确定性需要引起重视。通过地质勘察、地基测试和实时监测技术，可以更准确地预测和调整地基承载力，降低潜在风险。

综上所述，大跨度钢筋混凝土桁架搭建技术的研究和应用为满足现代城市化和教育基础设施需求提供了有力支持。同时，随着智能建筑技术的不断发展，还需要不断探索更智能、更可持续的大跨度桁架结构，以满足城市发展的不断需求。