大跨度钢结构吊装施工技术研究与应用

郑军委，桑兆龙，孙治民，孙孝蕾，许广胜

（中国建筑第二工程局有限公司，北京 100071）

1 引言

随着大跨度钢结构在国内的使用越来越广泛，外形越来越新颖，尺寸越来越大，对建筑技术的要求也越来越高。大跨度空间建筑的工程技术和工程建设中所出现的诸多力学和技术问题引起了广泛的关注。为了确保结构安全经济，必须制订出合理的施工计划，对工程进行科学的分析。

2 大跨度钢结构工程的特点及应用

钢结构是我国建筑领域新兴的一种建筑形式，很多大型的现代建筑都采用了钢结构。钢结构建筑与钢筋混凝土、砌体、木结构建筑相比优势显著，一般由钢梁、钢管、钢板等钢梁、钢柱、钢桁架等构成。通常采用焊接、螺栓、铆接等方式进行构件的连接，由于材料均匀、机械性能好、重量轻、强度大以及加工方便，施工速度快等特点，在工业厂房、体育馆等大型建筑工程中得到了广泛使用[1]。

3 吊装施工技术保证条件

3.1 钢结构构件的出厂检查及验收

检验内容为：焊接材料、钢构构件、涂装材料、高强螺栓等原材料，对钢材的一次、二次焊缝进行超声检测和表面品质检验，构件的几何形状、螺钉孔的定位和孔洞、焊接槽口、接头夹角和定位、配件的规格和数目等，钢材表面涂层的检验，高强度螺栓摩擦面检验和检验报告。

3.2 钢结构构件的出厂运输

为了确保在工地上正常起重，钢材的供应要与工地的起重进度保持一致，对于异形、大构件运输必须制订运输计划，运输方案应考虑构件的自重，由于城市交通等客观条件的原因，钢铁需放在钢架上进行搬运，使用钢丝绳固定时，应注意对钢结构四角的保护，为了防止钢缆的腐蚀和变形，在运输过程中应确保钢缆稳定，并在装卸时进行平衡作业，确保汽车和部件的稳定性。在搬运时产生的高强度螺钉的摩擦磨损，必须在生产之前用柔软材料将其摩擦表面包裹严实，如平台、次梁等，为了避免在搬运时出现混乱，必须进行分级包装。

3.3 钢结构构件的进场验收

钢构件在进入现场之前要根据出运单进行检验，主要是检验来料钢材的规格、数量、型号等，特别要注意在搬运期间的变化和破损，如果发现有变形或破损，要进行纠正和修理。

3.4 钢结构构件进场后的报验

进场后，对钢材进行自查并填写进场材料、构配件报批，还要上报监督和施工单位，钢材的对接焊接必须经过第三方的目视检查和直角焊的目检[2]。

3.5 安装前准备

在安装钢结构之前，要对建筑物的定位轴线和标高进行检验，并进行地基检验和移交，混凝土强度要满足安装需要。与监理、上一道工序的施工方共同对构件的轴线位置、标高等进行重新测量，并做记录、验收通过后方可进行下一步工艺的建设。

3.6 水准点及定位轴线的复测

按工程主管单位所定标高进行封闭测量，在保证视野正常的情况下，可以将控制点设置在建筑物内或邻近不易破坏的区域，并做好控制点防护。

4 大跨度钢结构常见安装方法

4.1 高空原位单元安装法

高空原位单元安装法是在指定的地点直接对吊钩和杆件进行设计和安装的方法。采用这种方式，可以进行构件的高空放置并保证工作台的安全，但必须事先设置满堂支撑。由于吊钩和杆件重量较轻，该方法不会加重吊装设备的负荷，一般的吊装设备都能达到使用要求。理论上，在任何形式的大跨度钢结构中，高空原位单元安装法都可以使用，但是在大型建筑中，该安装方法需要更多的材料、更大的施工场地、更多的支撑以及更多的高空作业，因此，在工期较短的情况下不适用。

4.2 滑移安装法

4.2.1 结构滑移法

结构滑移技术是指在有条件的地方，将结构构件先安装好，然后通过滑移系统将装配好的结构送到指定地点，再进行组装。结构滑移方法的优点包括：（1）可以将所需机械装置安置在相对固定的场地，所需支撑和操纵平台的数量较少，场地处理费和机器管理费用也会大大降低，从而确保了项目的经济效益。（2）采用结构滑移方法，其结构支撑有利于滑移轨道的铺设，并且滑动路径越长，工作效率也就越高。（3）由于滑移构件在进入工地前就已装配好，属于几何不变系统，在施工中能维持一定的刚性和稳定性。在实际工程中采用结构滑移法时,应注意，滑动过程中有机械损耗和功耗也有可能损伤滑移装置，所以，应尽量减小滑动阻力。

4.2.2 支承滑移法

支承滑移法是将支撑架设于结构的预设部位，提供作业平台及支撑，当完成一部分结构的安装工作后，支架可以滑移至下一段需要安装的钢结构处，如此循环直到完成整个安装。支承滑移与结构滑移有很大的不同，它可以看作是滑动支承结构而非滑动结构[3]，当施工现场没有任何可以利用的空间时，可以采用该方法。不论是结构滑移法还是支承滑移法，其滑行轨迹均非一般直线。在大型项目中，曲线滑行的效果要好于直线滑行，既节省了支撑机构的材料，又可以与其他工种科学搭配交叉作业。

4.3 大跨度悬挑钢结构无支承安装法

大跨度悬挑钢结构无支承安装法是采用悬挑钢结构的刚性和起重设备，逐步延伸、分段安装的方法。大跨悬挑式钢架无支撑的安装方法与高空现场安装有相似之处（二者均在较高的现场进行），但也存在不同。大跨悬挑式钢架不需预设支撑结构，施工措施较少，工艺较简便[4]，因此，在结构刚度大、结构稳定、本体结构高的情况下，具有很好的推广应用价值。但是，在大跨悬挑式钢结构中，由于其自身重量过大，容易引起悬挑段下挠，从而造成构件安装坐标不准确，很有可能无法完成。

4.4 整体提升法

当遇到大跨度钢结构时，如果钢结构形式规整，安装支撑胎架不但烦琐且造价昂贵，这时可采用全吊装安装方法，即将整个吊车安装在地面或者合适的楼层上，然后将其组装起来，借助升降系统将整个结构抬升到设计高度。在大型屋面施工中，普遍采用整体吊装方法。与其他方法相比，整体式提升法具有以下5 个优点：（1）高空作业量大大缩减，工人的高空作业更安全[5]。（2）大大提高了工作效率。（3）减少了施工中使用的临时设施，如胎架、脚手架等。（4）由于安装高度的降低，一般的塔吊就能满足项目的要求，从而节约了使用大型塔吊的成本。（5）可以和其他项目进行交叉操作，大大加快了施工进度。但是，整体提升法不适合提升装置规格小的情况，另外，大跨度钢结构刚度小，边界安装精度高，盲目使用会影响整体精度。

5 工程实例

5.1 工程概况

A 工厂的主体结构包括2 个拱、20 个钢架（包括平面桁架、实腹式工字钢框架和折线钢架），桁架拱形跨度为100 m+49 m，高度为29 m。其中，最大跨径为41 m 的平面桁架最大跨为18 m，梁高为900 mm。3 个横向支承沿房顶纵向排列，在下部的混凝土芯筒顶部由桁架拱支撑，在下部柱顶部采用钢桁架和实腹型工字钢梁铰接。

5.2 施工方案分析

在全屋结构施工中，桁架拱的安装是最困难的，由于跨度达33 m，在实际工程中很难实现整体吊运。而本设计中所使用的空间弧形网架，由于构件规格和形式较多，采用高处散料施工难度大、造价高。经对比，最终选用分段吊运的安装方法[6]。由于本工程中的网拱结构体量较大，在吊运过程中必须充分重视结构的受力和施工经济效益。在吊装过程中，部分结构跨度过大，导致桁架在起重过程中产生很大的下挠，这将会对整个焊缝的焊接和整体的线型产生不良影响，同时，结构太小，会增加吊装作业量，使大件起重机的使用效率下降。经认真比较和分析，确定分段吊装的构件长度限定在25 m 左右，为了方便运输，采用“散件出厂，就地组装”的方法。

5.3 结构施工

5.3.1 主体构件加工

该项目主要钢结构为桁架拱，其横截面为三角形钢管，全长160 m 左右，按照施工方案，采用分段吊装，每根桁架拱单元的吊装长度为26 m，每根桁架的边长都在5 m 以上，超出了运输极限。需要在A 工厂内进行零配件的加工，在到达现场后，将胎架安装在现场进行装配。（1）原材料。在实际应用中，一般采用Q345Bo 钢和H 型钢两种类型。（2）胎座的构造及技术要求。根据施工现场情况，设计了一种由路基箱、H 型钢、千斤顶构成的桁架装配式焊接平台。胎架必须符合强度和安全要求，路基箱体要压实，胎座和路基箱的连接要牢固。（3）组装工艺。首先，将桁架拱上弦杆放入胎架，焊接上弦腹杆和下弦腹杆，然后，将下弦杆的一侧放在胎座上，最后，将腹杆与上弦腹杆和下弦杆焊接在一起。

5.3.2 结构吊装

针对A 工厂的结构特点，结合现场施工情况，采用1 台7150 型150 t 的履带式起重机，分3 个阶段进行吊装，最大起重325 kN（32.5 t）。采用KHl80-2 型50 t 履带起重机，将2 座桁架拱肋间的工字钢和屋顶横向系杆进行吊装。吊运过程中，在桁架拱的节点下面设置了措施桁架，1～3 轴拱段在馆外进行，4～19 轴拱段在馆内进行。在完成其他部件之前，先对桁架拱进行定位。在两个纵拱之间的工字形结构中，1～3 轴工字钢部件在室外用起重机进行单台吊装，4～19 轴工字钢梁在室内进行单台起重[7]。1～3 轴工字钢部件由两个V 形横断面和一个直断面组成，其施工方法是将V 形断面悬挑至网架拱形，然后进行垂直分段吊运。9-18 轴的V 形截面的长度超过3 m，在吊装作业中，在V 形断面与直断面交会处应安装一个临时支撑。利用起重机将平面网架和钢梁的构件沿单臂吊装。

经多轮观测，确认成型后零件连接性能良好，整体结构受力均匀，满足原设计要求，不仅保证了项目的顺利进行，而且保证了项目的顺利进行，从而保证了项目的质量，达到了预期的目的。

6 结论

通过对大跨度钢结构吊装施工技术的研究和应用实例的分析，可以得出以下结论：案例工程采用的吊装施工技术在提高施工效率和安全性方面有良好的效果，并且具有一定的推广价值，未来还可以进一步优化吊装方案，提高施工效率，并加强对施工过程中的各项安全措施的研究与应用。