大跨度屋面钢桁架吊装施工技术

邵建华 刘宸 王振田 王展光 徐鸿轩

摘要：结合台州湾某中学项目体艺中心屋面，针对最大跨度钢桁架的施工，对吊装过程中的吊装顺序、吊机位置和吊机选型进行了优化，并对吊装时钢桁架的强度和变形进行了计算分析，同时验算了吊索强度和地基承载力，为相关钢结构施工和安装提供参考。

关键词：大跨度钢桁架； 施工技术； 吊装方案

中图分类号：TU758.15文献标志码：B

0引言

目前国内大跨度钢桁架的安装方法大致分为跨内吊装和跨外吊装两种，其中包括分段吊装高空拼接、高空散拼成形、高空滑移、整体提升、整体吊装、整体顶升等［1］。在面对跨度较大的屋盖，普通的混凝土支撑结构已经无法满足结构受力以及建筑布局要求。而钢桁架具有刚度大，透风性好，运输方便、施工灵活等优点，因此，钢桁架结构在大跨度空间结构得到广泛的应用［2］。

本文结合台州湾某中学项目体艺中心屋面，针对最大跨度钢桁架的施工，对吊装过程中的吊装顺序、吊机位置和吊机选型进行了优化，并对吊装时钢桁架的强度和变形进行计算分析，同时验算了吊索强度和地基承载力。

1工程概况

本项目为台州湾某中学体艺中心屋面大跨度钢桁架吊装施工工程。由于体艺中心钢桁架的最大跨度超过36 m，达到38.24 m，吊装工艺比较复杂，因此需要编制钢桁架吊装的专项施工方案。本工程的总平面布置如图1所示。

钢桁架跨度大，重量重，建筑物场内施工区域大小有限，且有地下室顶板，吊机只能布置于场外进行钢构件的拼装、吊装，如何合理布置吊机位置是本文施工方案研究的重点。大跨度钢桁架的变形控制涉及到结构外形以及金属屋面安装质量的控制，是体现现场施工质量水平高低的重要标准，这也是本文计算分析的重点。

该项目最大跨度钢桁架弦杆截面翼缘厚度为55 mm，斜腹杆的翼缘厚度为35 mm。钢材材质为Q335B，桁架总重达到了38.9 t。最大跨度钢桁架模型如图2所示。

本文对大跨度钢桁架进行吊装计算分析，对吊装机械进行选型，并通过有限元专业分析软件SAP2000对钢桁架进行精确的建模与数值模拟，从结构挠度、构件应力比等多方面对钢桁架的吊装施工进行变形和强度分析，同时验算了吊索强度和地基承载力。最大跨度钢桁架3位于平面图16、19轴，如图3所示。

2吊装工艺

2.1吊机选型

根据本项目钢结构总体施工安装方案及構件规格、重量、作业半径等，通过经济对比，对吊装位置进行放样分析，最终选用1台SAC4500型450 t汽车吊用作钢桁架安装时的主吊机，1台XCT85型85 t汽车吊用作辅助吊机，负责主要构件装车与倒运、散装构件的安装及吊装单元的拼装。

2.2吊装方案

吊装桁架前应先焊接好屋顶层的钢梁，完成效果如图4所示。

钢梁焊接完成后，采用450 t汽车吊跨外单片桁架整体吊装的施工方案，按照以下各轴顺序进行吊装：15轴—16轴—18轴—17轴—19轴，分别安装钢桁架1—钢桁架3—钢桁架2—钢桁架2—钢桁架3。每片主桁架吊装完成后，要及时用缆风绳临时固定。待两片主桁架吊装就位后，及时安装相互连接的钢梁等构件，再进入下一榀钢桁架的吊装。钢桁架1、钢桁架2和钢桁架3缆风绳固定位置见图5、图6。

首先是第15轴钢桁架1的吊装，其重量约为14.16 t。将450 t汽车吊的中心停靠在距离17轴左边1.5 m、AC轴下方6.55 m的位置。由于汽车吊外伸支腿跨距为9.4 m×9.6 m，为安全考虑，吊装位置放样时支腿跨距取为10 m×10 m，汽车吊的吊装半径设置为30 m。吊装时将吊车主力臂从第15-16轴外框架梁的上方穿过，在桁架吊装到指定位置后立即与钢管混凝土柱进行焊接连接。

吊装结束后立即在钢桁架1的两边各设置两道缆风绳固定，然后焊接第13轴外围钢梁与钢桁架1之间的次梁，以形成稳定的空间结构体系，保证钢桁架的平面外稳定，完成效果如图7所示。

第15轴钢桁架1吊装完毕后，吊机不改变位置，继续吊装第16轴钢桁架3与第18轴钢桁架2，汽车吊的吊装半径设置为28 m。吊装完成效果和汽车吊的中心位置分别如图8和图9所示。

在上述吊装完成后，将450 t汽车吊的中心转移到距离第18轴右边1.5 m、AC轴下方6.55 m的位置，汽车吊的吊装半径设置为28 m。吊装时将吊车主力臂从第17-18轴外框架梁的上方穿过，在桁架吊装到指定位置后立即与钢管混凝土柱焊接连接，并及时在桁架两边各设置三道缆风绳固定。

吊装结束后，将次梁与第17轴钢桁架2和第18轴钢桁架2焊接连接，接着采用类似的方法进行第19轴钢桁架3的吊装，吊装完成后将其与钢管混凝土柱焊接连接，并用缆风绳固定好位置，汽车吊位置与吊装完成效果如图10和图11所示。

2.3吊点位置

根据最大跨度钢桁架3的形状、截面、长度和起重机性能等具体情况确定吊点位置和吊点数。为了保证钢桁架在吊装过程中的稳定性和空中姿态的可调节性，并防止桁架发生过大变形，采用1台450 t的汽车吊进行主吊，共4个吊点，另外1台85 t的汽车吊进行辅助吊装。汽车吊的吊钩位置位于距离钢桁架3上弦杆15 m处，吊点设置于桁架平面中心的正上方。

AC端到AN端四个吊点到AC端部的距离分别为5.3 m、10.67 m、25.87 m和30.87 m，AC端到AN端的钢丝绳长分别为20 m、17 m、16.5 m和19 m。AC端到AN端钢丝绳与上弦杆的水平夹角分别为47°、60°、65°和51°，吊点的具体位置见图12。

3构件参数及验算分析

本文主要对最大跨度钢桁架3进行计算分析。

3.1桁架构件规格和重量

屋顶层第16、19轴的钢桁架3杆件的材料主要为Q355B钢，桁架总重为38.9 t，其截面规格见表1。

3.2计算模型

钢桁架3吊装时所受的荷载为构件的自重作用。计算应力比时，考虑动力放大系数1.1，以考虑起吊时的动力荷载，即分析模型自重荷载约50.57 t。吊装时，汽车吊吊钩对吊索相当于铰接，吊索只承受拉力。在用专业有限元软件进行分析时，设置拉压限值中的压力值为0，桁架的计算模型和边界约束条件如图13所示。

3.3桁架、吊索和吊钩的内力

吊装过程中钢桁架3、吊索和吊点的内力如图14～16所示，桁架下弦杆和中间上弦杆受压、吊索和桁架大部分腹杆受拉。由此可知，屋顶层第16、19轴的钢桁架3吊装时，吊索所受的最大拉力值为183.67 kN，汽车吊吊钩所受的荷载为517.06 kN。

3.4桁架变形

吊装时钢桁架3的变形如图17所示，粗线代表吊装变形后的钢桁架，细线代表吊装前未变形的钢桁架。由图可知，吊装时的最大变形值为向下变形约6.19 mm，占桁架整个跨长的1/6178，相对变形很小，满足GB 50017-2017《钢结构设计标准》的限值要求［3］。

3.5构件的强度

吊装时钢桁架3的应力比如图18所示。由于吊索的最大应力比为0.241，主桁架构件的最大应力比为0.03，且大部分构件的应力比小于0.025，完全满足构件的强度要求。

3.6吊索強度验算

单片钢桁架3吊装时，采用4根直径为60.5 mm的6×37钢丝绳作为钢桁架的吊索。屋顶层第16、19轴的钢桁架3从AC端到AN端4根钢丝绳与上弦杆的水平夹角分别为47°、60°、65°和51°，且屋顶层第16、19轴的钢桁架3吊装时，吊索所受的最大拉力值为183.67 kN。考虑吊装时的最不利工况，取八个值中的最大值183.67 kN，即单根吊索所受的拉力值为F=183.67 kN。

根据JGJ276-2012《建筑施工起重吊装安全技术规范》［4］，可查得单根直径60.5 mm的6×37钢丝绳的破断拉力值为2 115 kN。通过GB/T16762-2020《一般用途钢丝绳吊索特性和技术条件》可查得多肢组装吊索（与垂直方向角度相同且对称分布的单肢吊索组成）的强度计算公式［5］。

由以上可知，钢丝绳最小破断拉力F0=2115 kN，接头形式效能近似系数Ke=0.9，额定工作载荷计算系数K=1.5，安全系数Ku=5，换算系数Km=9.80665，代入公式可得吊索额定工作载荷为：

WLL=F0×Ke×KKm×Ku=2115×0.9×1.55×9.80665=58.23 t

而单根吊索所受的拉力值为：F=183.67 kN=183.67/9.80665=18.73 t

即吊索额定工作载荷WLL=58.2 t>F=18.73 t，满足要求。

3.7地基承载力验算

钢结构进场前需要对廊道内外大型吊机的行走通道及道路进行平整夯实。450 t汽车吊道路承载力达到15 t/m2，即fa=150 kPa。汽车吊工作时四个支腿下部应各垫一块2.8 m×2.8 m大小的钢板，厚度为50 mm，以保证地面受荷均匀。

450 t汽车吊自重60 t，配重142 t，共202 t，即G=2020 kN。桁架的最大受荷为F=517.06 kN。考虑起吊时动载因素，取动力放大系数为α1=1.2；同时，考虑吊装时四脚不平衡因素，取不均匀系数α2=1.3，则地基承载力验算：

f=NA=1.2×1.3×2020+517.06×1034×2.8×2.8=126×103 Pa=126 kPa

满足要求。

4结论

本文对大跨度钢桁架进行吊装施工设计，并用有限元专业软件数值建模分析之后，得到结论：

（1）在跨度较大的钢桁架以及其功能背景之上，考虑吊装顺序、吊机位置、吊机选型、钢桁架强度、变形、吊索强度以及地基承载力等因素，综合设计出大跨度钢桁架吊装方案，满足工程需求、自身安全性能及建筑空间的布局要求。

（2）吊装时最大跨度钢桁架的最大变形值为6.19 mm，是桁架整个跨长的1/6178，相对变形很小，钢桁架变形满足规范要求，吊装方案设计合理。

（3）吊索的最大应力比为0.241，主桁架构件的最大应力比为0.030，吊索所受的最大拉力值小于吊索额定工作载荷，构件和吊索的强度满足要求，可供类似工程借鉴。

参考文献

［1］赵王军. 大跨度钢桁架吊装施工技术应用［J］， 建筑科学与工程，2021.

［2］赵王军. 浅谈72米大跨度钢桁架吊装施工技术应用［J］， 建筑科学与工程，2021.

［3］钢结构设计标准：GB50017-2017［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2017.

［4］建筑施工起重吊装安全技术规范：JGJ276-2012. 北京： 中国建筑工业出版社，2012.

［5］一般用途钢丝绳吊索特性和技术条件：GB/T16762-2020. 北京：中国标准出版社，2020.

［基金项目］贵州省教育厅高等学校科学研究项目（项目编号：黔教技［2022］372号）

［作者简介］邵建华（1979—），男，博士，教授，研究方向为结构抗震。

［通信作者］王振田（1984—），男，本科，高级工程师，研究方向为建筑工程施工。