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大跨度钢桁架高空散拼技术

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-22 20:26:20 [收藏]

    摘 要：本文介绍大跨度钢桁架高空散拼安装技术的应用，以及工程在质量、安全、工期等各个环节取得明显的成效。
    关键词：钢桁架 高空散拼

    一、概述
    锦州万博国际文化体育会展中心是一座集展览、文化交流、体育比赛呵大型会议于一体的多功能建筑，结构形式为框架结构，结构设计有12榀大跨度钢桁架，分布在三层承重结构及屋顶结构。其中三层钢桁架2榀，屋顶钢桁架10榀，单榀钢桁架最重达400t（三层24轴钢桁架），单榀钢桁架最大跨度达70m、最小跨度63m。钢桁架距离下层结构楼板最小高度为9m，受现场塔吊吊重、构件运输、施工场地等因素限制，所有钢桁架最终采用高空散技术进行安装。


    二、高空散拼技术简介
    1、高空散拼技术施工流程
    ①综合现场塔吊吊装能力、运输情况、钢桁架受力特点、桁架现场焊接等因素，将钢桁架进行制作分段；
    ②分段制作完成后钢桁架在工厂进行预拼装，确保钢桁架制作精度；
    ③利用钢桁架结构设计图纸，通过建模计算设计出合理的临时支撑体系；
    ④根据结构自身的设计承载能力，对桁架下方结构进行加固；
    ⑤在桁架下方搭设临时支撑体系，支撑体系自钢桁架安装就位直至桁架卸载结束承担钢桁架所有结构自重及施工荷载，支撑体系安装校正后在桁架下弦标高处形成拼装平台；
    ⑥利用现场吊装机具吊装桁架构件，在拼装平台上开始钢桁架的高空散拼安装工作；
    ⑦对就位钢桁架进行测量校正；
    ⑧使用CO2气体保护焊进行钢桁架现场对接焊接；
    ⑨永远螺旋千斤顶进行钢桁架整体卸载。

    2、高空散拼技术的特点
    ①通过建模计算合理设计临时支撑体系，合理选用型材规格以降低成本。
    ②合理安排临时支撑体系的循环使用，节约成本加快施工进度。
    ③采用合理的加固措施、防护措施确保桁架的施工安全。
    ④桁架合理的进行分段，避免增加其他吊装机具。
    ⑤吊装工艺简单，方便现场施工作业。


    三、高空散拼技术组织计划



    四、大跨度钢桁架高空散拼技术控制要点分析
    1、钢桁架制作分段
    对大跨钢桁架进行深化设计，将桁架分为若干段加工制作，分段时要综合考虑现场吊装机具吊重能力、交通运输能力、桁架受力特点、桁架现场焊接等因素。制作过程中要严格控制制作精度，确保现场拼接质量。
    三层23轴钢桁架分段图如下：

    2、钢桁架预拼装
    针对桁架设计尺寸、桁架设计起拱值对桁架进行工厂预拼装，根据预拼装的值确定每个构件的端部起拱标高，以便现场安装就位。


    3、临时支撑体系设计制作
    利用钢桁架结构设计图纸，通过建模计算设计出合理的格构式临时支撑体系，临时支撑体系采用角钢焊接制作。


    临时支撑体系可以分为埋件地锚、支撑体系格构柱、临时拼装平台、平台间连梁、格构柱间支撑五部分。

    ①埋件地锚
    下层楼板浇筑前在楼板预埋埋件、地锚，埋件下设置弯钩锚筋。埋件作用有两点：其一是增大楼板的受力面积，扩散临时支撑体系传递的荷载；其二是通过与临时支撑体系焊接固定临时支撑体系，确保临时支撑体系的侧向稳定性。地地锚使用现场废钢筋头弯制而成，预埋在支撑体系两侧，用于缆风绳的拉结。
    ②临时支撑体系格构柱
    临时支撑体系格构柱由角钢焊接而成，其各杆件通过连接板连接成格构形式，格构支撑横杆间距、型钢截面、及支撑体系截面大小可根据桁架自重及施工荷载确定。
    临时支撑体系格构柱主要用于竖向荷载的传递。
    ③临时支撑体系拼装平台
    临时支撑体系拼装平台由热轧H型钢焊接而成，型钢截面根据桁架荷载确定。
    临时支撑体系拼装平台用于均匀承受桁架荷载，并通过支撑体系格构柱将荷载向下传递，同时临时拼装平台为桁架的安装提供作业平台。
    ④临时支撑体系平台间连梁
    临时支撑体系平台间连梁由热轧工字钢焊接而成，通过螺栓与拼装平台梁进行连接。因平台间连梁主要用于平台梁之间的连接，在施工过程中只承受施工荷载，所以热轧工字钢不必选用过大截面。可选用I20以上工字钢即可。
    临时支撑体系平台间连梁用于连接拼装平台，方便施工人员行走作业。
    ⑤临时支撑体系格构柱间支撑
    临时支撑体系格构柱间支撑由角钢通过连接板焊接而成，用于连接相邻两个支撑体系格构柱，以便将多个格构柱连接成整体，增加支撑体系的侧向稳定性。
    4、桁架下方结构加固
    ①钢管支撑整体加固
    如果桁架自重较大，桁架下层楼板不足以承受桁架自重荷载及桁架施工过程中的施工荷载，可采用钢管脚手架对桁架下层楼板进行加固，脚手架规格可根据楼板上部格构柱最大支座反力荷载计算得出。如：本项目3层23轴24轴两榀钢桁架下方为会展中心标高14m楼板面，楼板厚度120mm，为保证14m楼板在安装过程中能够承受上方荷载，在14m及以下各层楼板模板支设前对支撑脚手架进行加密加固。
    加密脚手架规格:钢管规格规格Φ48×3.5，立杆间距300mm，横杆步距600mm。
    钢管脚手架加固与下层楼板模板支撑架同步搭设，在楼板达到设计强度后对加固脚手架进行复查回顶，所有楼板加固钢管均待桁架整体卸载结束后方可拆除。
    ②楼板抗冲切加固
    如果桁架自重较大，支撑体系与下层楼板接触面较小，则下层楼板承载能力可能超过其设计值，此时，可使用弯起钢筋对支撑体系下埋件部位楼板进行加固。
    弯起钢筋直径不应小于12mm，且每一方向不应少于三根，钢筋弯起角度可根据楼板的厚度在300～450之间选取。弯起钢筋的倾斜段应与冲切破坏斜截面相交，其交点应在离局部荷载或集中反力作用面积周边以外1/2h～2/3h的范围内。

    5、临时支撑体系安装
    支撑体系安装顺序为自下而上，其详细安装工序如下:

    临时支撑体系就位后立即采取有效的固定措施临时固定，可根据支撑体系的高度采用缆风绳临时固定；
    支撑体系校正完成后通过焊接与预埋埋件进行连接；
    支撑体系设计应充分考虑桁架自身标高、起拱设计值、卸载方式等因素，如采用千斤顶卸载则应预留千斤顶自由顶升空间。
    6、钢桁架高空散拼安装
    ①安装准备
    拼装平台顶标高距钢桁架下弦杆底标高50cm（千斤顶自由顶升高度）左右，为钢桁架卸载用千斤顶的放置留出空间。所以在钢桁架吊装前需要在拼接平台上垫放热轧H型钢，用以预调钢桁架安装标高。
    钢桁架采用塔吊进行“原位安装”，构件吊装就位后使用临时连接板及缆风绳进行临时固定。所谓的“原位安装”即钢桁架的安装就位标高即为钢桁架的设计标高，应当注意钢桁架的设计标高应包含桁架的设计起拱值。
    钢桁架安装应具备以下安装条件：

    ②钢桁架散拼顺序
    受塔吊吊重的限制，钢桁架进行大量的分段加工制作，采用合理的吊装顺序也是一个关键环节。根据会展中心钢桁架自身结构形式及结构特点，钢桁架的高空散拼遵循“下弦杆→腹杆→上弦杆”、 “从中间向两边延伸”的原则。其单榀桁架散拼顺序图如下：

    ③钢桁架构件散拼就位后的固定措施

    ④散拼过程中的注意事项
    支撑体系安装就位后在拼装平台顶面垫放H200*200热轧型钢，型钢顶面标高距桁架下弦设计标高（含起拱高度）10cm以内，再使用2cm、1cm、5mm、2mm、1mm钢板组合垫放至下弦设计标高（含起拱高度）。
    使用多层钢板垫置其目的在于桁架焊接完成后的整体分级卸载，届时可根据分节卸载参数抽离相应的钢板。
    钢桁架在品拼装过程中要充分考虑钢桁架的现场焊接收缩量，根据钢桁架的计算焊接收缩量对钢桁架构件进行“主动偏移”安装。
    7、钢桁架测量校正
    桁架吊装前根据施工图纸放样，做出中国建筑金属结构信息网测量控制线，用来测量校正桁架每根杆件标高、偏移以及垂直度等。
    桁架测量控制的要点是桁架的起拱值、垂直度及桁架偏移度，所以控制点的选择要兼顾桁架的测量控制要点，同时考虑本桁架采用折线式起拱，本工程拟在每榀桁架选取五个测量控制点进行监控，测量控制点分布图如下：

    钢桁架焊接完成后进行复测，确保焊接收缩量对钢桁架安装精度影响在规范允许范围内。
    8、钢桁架现场焊接
    结合本项目钢桁架的材质特点及现场施工进度要求，钢桁架采用CO2气体保护焊进行现场焊接，焊接参数根据相关规范及现场焊接工艺评定制定。
    钢桁架焊接为高空做业，所以在焊接过程中要特别注意人员及机具的防坠保护，同时做好防火防风措施。
    焊接完成后对所有现场焊缝进行超声波探伤检测。

    9、钢桁架整体卸载
    钢桁架焊接并探伤检测完成后进行整体卸载，本项目钢桁架采用螺旋千斤顶进行分级卸载。相邻两榀桁架焊接完成后使用千斤顶在支撑体系顶端进行同步逐级卸载。“同步”是指相邻两榀桁架的每个支撑点同时卸载，统一指挥，统一行动，统一要求；“逐级”是指分4次进行卸载：第一次是整体启动，第2、3次为正式卸载，第4次全部卸载。

    10、安全保证措施
    大跨度钢桁架高空散拼法整个安装过程中均为高空作业，所以在桁架施工过程中安全保证措施一定要实施到位，特别是要做好桁架安装过程中高空防坠的防护措施。
    桁架安装安全保证大体可以从以下四点着手：
    ①临时支撑体系固定
    临时支撑体系主要采用埋件连接固定和缆风绳固定两种方式。
    a．埋件连接固定
    临时支撑体系安装就位后通过焊接与预埋埋件连接，防止支撑体系在桁架安装过程中发生移位。

    b．缆风绳固定
    如果临时支撑体系搭设高度过高且支撑体系截面设计较小，通过缆风绳将临时支撑体系与预埋地锚连接固定，增加临时支撑体系的侧向稳定性。
    ②垫放热轧型钢的固定
    由于在桁架安装前需要在拼装平台顶垫放热轧型钢进行标高预调，而热轧型钢垫放高度需在临时支撑体系安装完成后实际测量得出，因此热轧型钢不能提前焊接于拼装平台梁顶，这就需要在垫放完成后对其进固定。垫放热轧型钢的固定方式主要有两种：螺栓固定、焊接固定。
    a．螺栓固定
    在热轧H型钢及拼装平台梁翼缘开孔，通过螺栓连接固定。
    b．焊接固定
    将热轧H型钢与平台梁搭接部分进行三面围焊固定。
    注意：无论采取哪种固定方式，在平台梁与热轧型钢对应位置需要补充加劲板，增加平台梁的承载能力。
    ③拼装平台围护
    桁架的整合安装过程均需要在拼装平台上完成，因此需要对拼装平台进行作业面围护。围护结构采用钢管脚手架搭设，后使用密目网进行围护。需注意：因为拼装平台梁翼缘较窄，如围护脚手架自拼装平台梁顶搭起，则首根立杆宜通过焊接与平台梁上翼缘连接。同时在拼装平台和连梁下方拉设水平安全网，防止高空坠物。现场采用钢管脚手架搭设作业面防护，钢管规格为Φ48×3.5，立杆间距1.2m，横杆步距1.2m，脚手架随桁架安装高度搭设且总高出作业面1.2m，拼装平台顶及平台连梁使用脚手板满铺。


    五、技术经济效益分析
    大跨度钢桁架高空散拼技术在锦州万博国际文化体育会展中心项目钢桁架施工过程中的使用取得了良好的效果，现场拼装过程中未增加其他吊装机具及专业工种，仅通过现场布置的塔吊进行安装作业，单榀桁架安装时间不足10天且安装一次就位合格率100％。由于该项技术的应用大大降低了安装成本、加快了大跨度钢桁架的安装时间，进而取得了业主、监理的一直认可。
    大跨度钢桁架高空散拼法从“人”“材”“机”三个方面均可以降低安装成本，具体分析如下：

    同时本项目大跨度钢桁架由于采用高空散拼技术进行安装，大大加快了施工进度，同时保证在水平流水作业方面与土建施工形成统一，缩短了结构施工工期。


    参考文献
    1．《中国建筑金属结构信息网工程施工质量验收规范》中国计划出版社.2001.
    2．《中国建筑金属结构信息网设计规范》中国计划出版社.2003.
    3．鲍广?《中国建筑金属结构信息网施工技术及实例》中国建筑工业出版社. 2005.
    4．《建筑中国建筑金属结构信息网施工手册》中国计划出版社.2002.
    5．《建筑施工手册》中国建筑工业出版社.2003.
    6．《中国建筑金属结构信息网工程施工工艺标准》中国建筑工业出版社.2003.
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