懸挑大跨度弧形“水滴”狀鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

1、懸挑大跨度弧形“水滴”狀鋼結(jié)構(gòu)安裝施工技術(shù)鐵路總指揮部 江志遠(yuǎn)照片尺寸為20mm*30mm；最好不用紅色背景摘 要 寧波高鐵站工程南北側(cè)外立面整體造型為“水滴”狀，結(jié)構(gòu)形式為懸挑大跨度的弧形鋼結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況明確履帶吊車(chē)上既有樓板吊裝施工方案，為保障在安裝異形鋼結(jié)構(gòu)過(guò)程中做到安全、精確、有序；通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)履帶吊行車(chē)吊裝線路、分段吊裝流程和鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐體系，使其更科學(xué)性、更合理；通過(guò)對(duì)測(cè)量、焊接變形與應(yīng)力施工過(guò)程中的控制，提高了鋼結(jié)構(gòu)施工精度。本工程實(shí)際施工效果的檢驗(yàn)，為類(lèi)似工程提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。關(guān)鍵詞 懸挑 弧形 鋼結(jié)構(gòu) 吊裝 精度控制1 工程概況寧波高鐵站工程站房南北立面中央位置各有一

2、個(gè)水滴造型（見(jiàn)圖1），由懸挑異型鋼結(jié)構(gòu)支撐。懸挑異型鋼結(jié)構(gòu)與整個(gè)站房鋼結(jié)構(gòu)自18.4m標(biāo)高以上為一個(gè)整體大桁架（見(jiàn)圖2），圖1南水滴立面圖圖2水滴鋼結(jié)構(gòu)布局圖水滴鋼結(jié)構(gòu)由三段大弧梁和撐拉桿組成，如圖3所示。下部弧梁底部標(biāo)高為20.61m，懸挑弧梁和上部弧形梁的頂部標(biāo)高分別為31.78m、38.48m，主要構(gòu)件均為Q345B鋼材、矩形截面，拉（撐）桿與弧形梁呈空間90正交連接，各節(jié)點(diǎn)均為焊接，懸挑內(nèi)弧形梁懸挑跨度16.30m，外挑弧形梁挑跨22m，水滴鋼結(jié)構(gòu)東西跨度66.0m，結(jié)構(gòu)總重約102t。為簡(jiǎn)化言語(yǔ)，統(tǒng)一在后面的介紹中將“水滴”狀大跨度弧形鋼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱為“水滴”。圖3水滴鋼結(jié)構(gòu)三維軸側(cè)圖2

3、鋼結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)及難點(diǎn)分析1）單體鋼構(gòu)件節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，加工質(zhì)量控制難度大現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)的安裝進(jìn)度及安裝質(zhì)量受構(gòu)件的加工質(zhì)量影響非常大，鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量必須從鋼結(jié)構(gòu)所用的原材料進(jìn)廠到構(gòu)件成品出廠全過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)控制。鋼構(gòu)件出廠前需要進(jìn)行預(yù)拼裝，預(yù)拼裝結(jié)果符合設(shè)計(jì)、規(guī)范要求后再分段依次出廠。2）圓弧外挑鋼結(jié)構(gòu)跨度大、懸挑長(zhǎng)度長(zhǎng)，需合理分節(jié)圓弧外挑鋼結(jié)構(gòu)如果分節(jié)段數(shù)多了，重量輕，但拼接焊接口多，易扭曲變形，施工工期長(zhǎng)；如果分節(jié)段數(shù)少，重量大，格構(gòu)柱臨時(shí)支撐易失穩(wěn)，安全風(fēng)險(xiǎn)大，拼接焊接口少，施工工期短。3）大型吊裝機(jī)械選擇，吊車(chē)行走路線需加固回頂驗(yàn)算根據(jù)吊重、幅度、吊裝機(jī)械經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，選擇合適的吊機(jī)，結(jié)合樓板

4、結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況通過(guò)樓板加固驗(yàn)算，確定了吊車(chē)行走和吊點(diǎn)的位置，對(duì)行走部位采取有效的保護(hù)及回頂措施。4）鋼結(jié)構(gòu)吊裝順序，施工精度的控制高； 運(yùn)用BIM技術(shù)完善和優(yōu)化安裝順序，通過(guò)通過(guò)對(duì)測(cè)量、焊接變形與應(yīng)力施工過(guò)程中的控制，提高了鋼結(jié)構(gòu)施工精度。格構(gòu)柱臨時(shí)支撐布置設(shè)計(jì)，卸載順序的確定及鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測(cè)、變形監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)。3 吊裝方案選擇為了滿足節(jié)點(diǎn)工期要求，南北邊水滴吊裝時(shí)土建未完成落客平臺(tái)，構(gòu)件吊裝時(shí)吊車(chē)的站位不能選擇于此部位，只能站位于既有結(jié)構(gòu)樓板上進(jìn)行南北“水滴”吊裝。3.1鋼柱吊裝鋼柱吊裝機(jī)械采用履帶吊，履帶吊站位于9.85米樓板上，樓板下方需用鋼管架回頂。樓板上的吊車(chē)路線及站位位置需放置路基

5、箱防止樓板的損壞，吊車(chē)作業(yè)半徑10米，滿足吊裝（見(jiàn)圖4）。 鋼柱吊裝前檢查鋼柱的幾何尺寸，放出柱頂?shù)氖种行木€并作好標(biāo)識(shí)。安裝時(shí)先將鋼柱基本就位，連接耳板安裝好，上、下兩節(jié)柱的十字中心線調(diào)整一致，再將牛腿節(jié)點(diǎn)與軸線關(guān)系復(fù)核，復(fù)核和調(diào)節(jié)完成后張拉攬風(fēng)繩和焊接。圖4鋼柱吊裝吊車(chē)布置圖3.2 弧形水滴吊裝 履帶吊站在A、H軸既有結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)吊裝“水滴”，就必須先施工“水滴”外弧形梁，再施工A、H/1-21-5軸立面結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖5），先吊裝水滴懸挑弧形梁，懸挑弧形梁制作分段為9段（見(jiàn)圖6），吊裝方式采用搭設(shè)8個(gè)支撐架進(jìn)行高空就位吊裝，支撐架搭設(shè)在-0.15m樓板上，其次吊裝下弧梁及支撐，然后吊裝上弧形梁，方

6、法采用搭設(shè)4個(gè)支架分5段吊裝，最后吊裝弧形梁之間上下斜撐等次梁。圖5鋼柱吊裝吊車(chē)布置圖圖6臨時(shí)支撐架平面布置圖4 吊車(chē)選型及部署4.1 吊車(chē)選型為滿足六節(jié)點(diǎn)牛腿柱等大構(gòu)件安裝，南邊水滴吊裝時(shí)采用100t履帶吊，北水滴吊裝時(shí)為滿足站房?jī)蓚?cè)結(jié)構(gòu)梁的吊裝選用160t履帶吊。表1 主要吊裝機(jī)械配備計(jì)劃序號(hào)機(jī)械或設(shè)備名稱型號(hào)規(guī)格數(shù)量用于施工部位1履帶吊100t1南立面水滴2履帶吊160t1北立面水滴4.2 吊車(chē)行車(chē)路線根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)樓板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定了南、北立面、“水滴”吊裝時(shí)吊車(chē)的行走路線（見(jiàn)圖7），南立面履帶吊吊裝時(shí)最大荷載150t，北立面履帶吊吊裝時(shí)最大荷載210t。圖 7 吊車(chē)行走路

7、線圖4.3 樓板上吊車(chē)回頂驗(yàn)算水滴外弧形梁吊裝時(shí)，履帶吊要在高架候車(chē)層結(jié)構(gòu)樓板（9.85m）上進(jìn)行吊裝作業(yè)，9.85m結(jié)構(gòu)支撐架要按照履帶吊施工時(shí)的最大荷載210t進(jìn)行設(shè)計(jì)。履帶吊站位于9.85m樓板前，9.85m樓板預(yù)應(yīng)力必須全部張拉完畢，履帶吊行走及吊裝時(shí)要沿垂直于履帶長(zhǎng)度方向鋪設(shè)路基箱，路基箱尺寸為4000mm1000mm150mm。在結(jié)構(gòu)施工時(shí)，支撐回頂架層（地鐵層）滿鋪碗扣支撐架，履帶吊行走及吊裝位置支撐架立桿間距為600 mm600mm。采用上樓板最大機(jī)械（160t履帶吊）進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算參數(shù)如下：履帶觸地長(zhǎng)度為7.465m，單根履帶寬度為1.1m，履帶外邊緣距離為6.9m。沿垂直

8、履帶方向滿鋪路基箱后，按7.5m8m進(jìn)行受力計(jì)算，則每平米結(jié)構(gòu)樓板所受壓力為：210060=35kn/每平米立桿數(shù)：10.60.6=2.78根根據(jù)本工程高大支模工程施工方案，支撐回頂架層（地鐵層）21m結(jié)構(gòu)梁的受力驗(yàn)算，其單根立桿計(jì)算承載力為23.179kn，每平米最大支撐力為：2.7823.179=64.44kn/安全系數(shù)： 64.4435=1.841,滿足要求。另外考慮到地鐵層頂板已施工完畢，其架體安全穩(wěn)定，由此確定該支撐體系滿足吊裝受力要求。4.4 吊車(chē)上樓板時(shí)對(duì)樓板面的保護(hù)措施1）樓板上的吊車(chē)路線選擇上，遵循趨強(qiáng)避弱方針；2）履帶吊行駛路線需增加路基箱，路基箱規(guī)格是4000mm1000

9、mm150mm，平面布置同履帶吊行駛路線圖，保護(hù)樓板面砼不會(huì)損壞。圖 8 路基板鋪設(shè)示意3）汽車(chē)吊樓板面作業(yè)時(shí)支腿位置墊設(shè)鋼板，鋼板規(guī)格是20*1000*1000，增加支腿與樓板接觸面面積，保護(hù)樓板面砼不會(huì)損壞。5鋼構(gòu)件分段5.1分段原則（1） 滿足現(xiàn)場(chǎng)吊機(jī)性能、且便于安裝；（2） 工廠制作分段的合理性和經(jīng)濟(jì)性；（3） 相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求、設(shè)計(jì)要求等；（4） 最終成形后，構(gòu)件的受力符合設(shè)計(jì)者的意圖5.2屋面弧形拱梁分段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及分段原則，將上下弧梁分為7段，外懸挑弧梁分為9段，見(jiàn)圖9、10、11。圖 9 A、H軸上弧形梁圖 10 A、H軸線下弧形梁圖 11 南北懸挑外弧形梁6“水滴”狀鋼

10、構(gòu)件吊裝及安裝6.1“水滴”狀鋼構(gòu)件吊裝工藝流程流程履帶吊行走路線確定將拆散的履帶吊至作業(yè)面履帶吊組裝并測(cè)試檢驗(yàn)合格“水滴”狀弧形梁由兩端依次向中間段吊裝標(biāo)高18.2m鋼梁安裝支撐、下弧形梁的吊裝上弧形梁、水滴下斜撐吊裝水滴上斜撐吊裝框架次梁、檁條吊裝“水滴”狀懸挑梁吊裝，全部吊裝完成履帶吊拆散下樓板圖12 鋼構(gòu)件吊裝工藝流程圖圖13 水滴弧形梁兩端吊裝圖14 18.2m鋼梁安裝圖15 支撐，下弧形梁兩端第一段吊裝圖16上弧形梁兩端第一段吊裝、水滴下斜撐吊裝圖17上弧形梁兩端第二段吊裝、水滴拉、撐桿吊裝圖18 內(nèi)側(cè)鋼結(jié)構(gòu)吊裝，吊車(chē)下樓板圖19 落客平臺(tái)施工完畢后，水滴外懸挑吊裝7.支撐架的拆除

11、與卸載7.1支持架卸載原則及卸載順序確定卸載過(guò)程是一個(gè)緩慢的受力體系轉(zhuǎn)變、傳力路線轉(zhuǎn)變的過(guò)程，是從施工安裝階段到設(shè)計(jì)階段的轉(zhuǎn)化過(guò)程，拆除過(guò)程要避免結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的破壞，這個(gè)過(guò)程要保證結(jié)構(gòu)的安全、支架的安全。卸載原則：卸載實(shí)際就是荷載轉(zhuǎn)移過(guò)程，在荷載轉(zhuǎn)移過(guò)程中，必須遵循“變形協(xié)調(diào)、卸載均衡”的原則。不然有可能造成臨時(shí)支撐超載失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)局部甚至整體受損。卸載順序：南北“水滴”弧形梁分9段吊裝，分別搭設(shè)8個(gè)支架，待構(gòu)件吊裝完成驗(yàn)收后即可進(jìn)行卸載和支架拆除。先拆除支架ZJ4和ZJ5，由于預(yù)先千斤頂支墊，此時(shí)，只需將千斤頂回落2mm。4小時(shí)后觀測(cè)，無(wú)變化再將支架ZJ4和ZJ5的千斤頂回落20mm，然

12、后拆除支架ZJ4和ZJ5。24小時(shí)后觀測(cè)，如弧梁的下?lián)现禎M足設(shè)計(jì)要求，即可拆除支架ZJ3和ZJ6。以此類(lèi)推，完成8個(gè)支撐架的卸載和拆除。在卸載整個(gè)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)“水滴”鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的應(yīng)力和變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，用于指導(dǎo)卸載工作的實(shí)施。圖20 支撐架卸載順序示意圖圖21 現(xiàn)場(chǎng)支架布置7.2.臨時(shí)支撐架拆除方法支架采用汽車(chē)吊及塔吊拆除，具體拆除步驟：使用千斤頂把支架與鋼梁回頂緊密；使用割槍把支撐馬蹬切除；經(jīng)過(guò)千斤頂軟卸載觀察滿足要求后，將千斤頂取出；先拆除頂部第一節(jié)支架，依次從上往下拆除，下部支架先將吊點(diǎn)掛好，起鉤至鋼絲繩順直，然后拆除支架連接螺栓，使用塔吊及汽車(chē)吊依次拆除；其余支架拆除方法同上。圖2

13、2 千斤頂安裝圖23 臨時(shí)支撐架拆除8 施工質(zhì)量控制8.1測(cè)量精度控制鋼柱測(cè)量質(zhì)量控制垂直度控制：根據(jù)樓面上測(cè)設(shè)的十字相交軸線，把二臺(tái)經(jīng)緯儀分別架設(shè)在相交軸線的延長(zhǎng)線上，對(duì)準(zhǔn)柱底相應(yīng)的線段標(biāo)志，測(cè)量員由柱底自下而上觀測(cè)柱身母線，當(dāng)十字絲的豎絲與鋼管（特別是柱頂母線）的外輪廓線相吻合，即符合要求。標(biāo)高控制：利用高程控制點(diǎn)，用水平儀和鋼尺測(cè)量標(biāo)高，安裝一節(jié)鋼柱后，引測(cè)一次實(shí)際標(biāo)高用復(fù)合設(shè)計(jì)標(biāo)高，一般控制在誤差3mm內(nèi) ，可通過(guò)鋼柱節(jié)點(diǎn)間隙予以調(diào)整。柱頂位移測(cè)量：利用傳遞上來(lái)的投測(cè)點(diǎn)，運(yùn)用全站儀進(jìn)行排尺放線，把軸線放樣到柱頂，作出柱頂平面放線，測(cè)量柱頂位移。2）弧形梁測(cè)量精度控制 將弧形梁上的每個(gè)支

14、撐點(diǎn)由空間位置水平投影到地面上，并將其空間三維坐標(biāo)在Z軸方向上轉(zhuǎn)換到地面。采用全站儀在地面上分別測(cè)量出每個(gè)支撐架的位置。懸挑內(nèi)弧形梁在水平面上投影為一弧線，上弧形梁、下弧形梁中心線在水平面上投影為一直線，安裝前在分段位置先搭設(shè)支撐架，將鋼梁的中心線用經(jīng)緯儀投測(cè)到各個(gè)支撐架頂部拼裝平臺(tái)面，作標(biāo)記。將標(biāo)高用水準(zhǔn)儀和鋼卷尺引測(cè)到胎架頂部作標(biāo)記。鋼梁吊裝就位時(shí)，吊機(jī)松鉤前應(yīng)仔細(xì)對(duì)中，使中心線與定位線重合。每段鋼梁支撐下兩端各放置2個(gè)千斤頂，用于調(diào)整拱的就位高度。8.2焊接變形與應(yīng)力控制減少收縮量。a、在保證焊透的前提下采用小角度、窄間隙焊接坡口，以減少收縮量。b、采用小熱輸入量、小焊道、多道多層焊接方

15、法以減少收縮量。預(yù)留收縮余量措施。a.各焊縫應(yīng)考慮收縮量。b.弧形梁段沿其中心軸向長(zhǎng)度，考慮其每道安裝接縫的收縮余量23mm及其總和。嚴(yán)格控制焊接順序，控制不當(dāng)易產(chǎn)生變形和應(yīng)力集中，因此在焊接時(shí)采取以下技術(shù)措施來(lái)控制焊接變形:a.上下弧形梁與懸挑弧形梁拉桿、撐桿應(yīng)從中間向兩邊焊。b.分段焊接鋼構(gòu)件，待焊縫收縮后再焊另一端。c.鋼梁的焊接，先焊受力大的桿件再焊受力小的桿件，先焊受拉桿件再焊受壓桿件，先焊焊縫少的部位再焊焊縫多的部位。d.以對(duì)稱焊口為基準(zhǔn)，從控制應(yīng)力應(yīng)變?yōu)闇?zhǔn)則，詳細(xì)制定焊接順序，嚴(yán)禁將合攏焊口布置在構(gòu)件應(yīng)力集中的地方。e.焊接時(shí)應(yīng)根據(jù)桿件對(duì)稱布置的特點(diǎn)，選好自由端，避免焊接誤差的積累。9 結(jié)語(yǔ)本工程懸挑“水滴”鋼結(jié)構(gòu)造型采用BIM技術(shù)進(jìn)行施工模擬，確定吊車(chē)行走線路、支架數(shù)量及規(guī)格、分段吊裝流程、支架卸載程序、樓面保護(hù)措施等，通過(guò)對(duì)測(cè)量、焊接變形與應(yīng)力施工過(guò)程中的控制，提高了鋼結(jié)構(gòu)施工精度，施工完成后鋼結(jié)構(gòu)體系各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，該施工技術(shù)可為同類(lèi)大型