钢结构安装技术探讨

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  摘要:节能环保,是国际社会共同提倡的口号。而钢结构成本低,可回收利用等特点受到建筑行业广泛应用。本文根据笔者多年钢结构安装施工经验,对大跨度复杂空间钢结构的安装施工技术进行探讨。
  关键词:钢结构;安装技术
  中图分类号: TU391 文献标识码: A 文章编号:
   1、工程特点及难点概述
  某建筑项目结构为大跨度复杂空间结构,地上四层,建筑高度为58米,为钢结构工程。工程结构形式复杂多样,主体结构形式为多支撑筒体大悬挑大跨度复杂空间结构体系,钢结构系统包括竖向型钢框架钢骨结构与独立钢柱、楼层桁架结构、外围幕墙弯扭结构屋盖空间网格结构和空中连廊等部分。每一部分的结构特点不同,有的构件尺寸很大、重量重,有的悬挑很长,有的跨度很大,而且现场施工条件复杂,施工难度很大。见图1:
  
  图1建筑效果图
  二、主要施工技术
  确定施工方案必须综合考虑结构特点、现场施工条件和施工工期等各种因 素,并进行施工全过程计算机仿真分析,确保施工过程安全可靠。钢结构施工主要包括竖向筒体型钢框架钢骨结构与独立钢柱、楼层桁架结构、外围幕墙结构、空中连廊和屋盖结构等5部分,采用的主要施工技术如下。
  (一)竖向筒体型钢框架钢骨结构支撑架安装技术
  竖向筒体型钢框架钢骨结构和独立钢柱如图2所示,型钢框架钢骨结构的4个角各有一个700×700×30×30(mm),的箱型钢柱中间分布350×350×12×19(mm)的型H钢柱连接箱型钢柱和型钢柱的水平及斜向杆件为的型钢,如图3所示。根据钢骨结构的特点和现场的施工设备,竖向型鋼框架钢骨结构采用分节分段吊装的方法进行施工。
  
  图2筒体钢骨和独立钢柱图3首节型钢框架钢骨结构及支承架
  (1)施工重点和难点分析
  ①型钢框架钢骨结构底部设计标高为-9.1m,但现场施工情况是基坑底标高为-13.1m,相当于首节钢骨结构的安装要悬在半空,中因此首节型钢框架钢骨结构的安装是施工的重点和难点。
  ②为了安装型钢框架钢骨结构,必须在深基坑内设计4.0m高的支撑 架系 统,用以支撑首节型钢框架钢骨结构。合理设计支承架系统,保证施工阶段支承体系和型钢框架钢骨结构整体稳定性和安全是施工的重点。
  ③吊装构件重,安装就位难,焊接量大,控制好安装精度,保证钢骨柱垂直度、各层牛腿标高及对接焊缝的焊接质量是施工的重点。
  (2)主要施工技术措施
  ①为了解决首节钢骨结构的安装难题,在深基坑内设计4.0m高的支撑架系统,首节型钢框架钢骨结构安装在支承架上。首节钢骨结构安装完成后支承架不拆除,与钢骨结构一起浇筑于大体积底板混凝土内。
  ②通过对施工过程中各工况下的计算分析支,承架设计为格构柱形式,如 图3所示支承架柱肢采用12#槽钢,横梁采用14#工字钢,斜撑采用∟90×6和∟100×8角钢。支承架整体安装完成后,下端横梁与锚杆焊接牢固并且将各支承架相互间使用∟100×8角钢作斜支撑连接并焊接牢固,使支承架整体形成一个稳固的支承体 系。
  ③每节型钢框架钢骨结构采用的吊装顺序为:先吊装一端的2个箱型钢柱→型钢柱安装水平支撑→斜支撑;完成后吊装另一端的2个箱型钢柱→H型钢 柱→水平支撑→斜支撑;然后吊装两侧H型钢柱→安装水平支撑→斜→支撑整 体检测→高强螺栓紧固焊接。
  ④钢骨柱安装精度控制措施。A.钢骨柱吊装前在钢柱4个立面画中心线,作为钢柱安装时垂直度的控制线,即从钢柱地脚板下端面上返2000mm,在钢柱4个立面画水平线、作为钢柱安装时的标高控制线。下节钢柱所画中心线、标高线既可作为本节钢柱的控制线又可给上节钢柱安装提供基准点。B.钢柱校正。使用水准仪检测钢柱标高调整时以钢柱柱脚底标高为准动调整螺母以调整钢柱标高,允许偏差≤2mm。使用两台经纬仪从钢柱的两个相互垂直方向对准预先画好的中心线进行 测 量,旋动调整螺母调整垂直度,允许偏差≤10mm(图4)。大悬挑大面积楼层桁架群塔安装技术楼层桁架投影面积近 万 主要包括 标高平台桁架 标高平台桁架和大中型会议厅桁架 楼层桁架周边均为悬挑结构最大悬挑长度达桁架厚度约 采用的主要型钢规格有HW200×200×8×12、HW2500×9×14、HW300×10×15、HW400×400×13×21、HW350×10×16等。
  
  
  图4钢柱定位调整图
  (3)施工方案选择
  针对楼层桁架的特点及现场施工条件,楼层桁架采用工厂分段拼装好后,运至现场进行分段吊装的方案进行施工(图5)。由于楼层桁架投影面积大、桁架下有地下室顶板影响,使得吊机无法进入到平台桁架下进行吊装,所以现场采用6台大型塔吊进行桁架吊装施工。考虑到塔吊配合施工,边台塔吊采用平衡臂式塔吊,中心区域3台塔吊采用动臂式塔吊。
  
  图5楼层桁架施工照片
  (4)施工重点和难点分析
  楼层桁架投影面积近2.5m²万最大悬挑长度达40m,为大悬挑大面积楼层桁架结构,在施工中需重点考虑以下几点:
  (1)做好现场施工的组织和协调。楼层桁架面积大,包括10.20m标高平台桁架、15.3m标高平台桁架和15.3~28.5m大中型会议厅桁架等复杂结构施工中涉的工种和专业施工人员多,必须制定科学合理的施工组织、做好协调工作,才能保证施工的有效、有序行。
  (2)划分合理的施工分区,保证施工进度,同时尽量减少安装误差,避免安装误差累积。
  (3)确定科学合理的吊装顺序,确保承力点和支撑系统稳定,尽快形成稳定的结构体系,确保施工安全可靠。
  (4)焊接量大,有近3万道H型钢对接焊缝,需严格控制焊接质量。
  (5)选择合理的卸载方案,施工完成后,使结构安全顺利的转变为自承重状态。
  (二)主要施工技术措施
  (1)施工分区和施工合拢。为了加快施工进度,便多个作业面同时展开施工,把楼层桁架划分为A、B、C、D4个分区,每一分区再分为5~7个小区,如图6所示,4个分区同时进行施工。由于总投影面积近2.5m²万楼 层桁架,设计上并未设置温度缝,为了减少施工过程温度变形、焊接 变 形、安装误差等,在楼层平台桁架的4个分区交界处设置4条施工合拢缝(图6在 进行合珑施工,时应选择适宜的合拢温度同时尽量避免阳光、差等带来的影响根据工程设计的平均使用温度合温度选在10~15℃之 间根 据大连市9月底至10月初气 候温度,选择在早上太阳还没有出来前进行合拢施工,并在太阳出来前全部合拢施工完毕。施 工合拢时,先接安装10.20m标高平台桁架杆件,再焊接安装15.3m标高平台桁架杆件
  (2)吊装顺序。根据确保承力点和支撑系统稳定,尽快形成稳定的结构体系,确保施工安全的原则,楼层桁架施工按照先核心区后悬挑区,从下往上的顺序依次进行安 装;吊装施工按照先吊装以核心筒为支承力的主桁架,再吊装核心筒与独立钢柱之间的主桁架,让主桁架与核心筒及钢柱尽快形成一个稳定的空间框架体系,然后吊装主桁架之间的次桁架和连梁,形成稳定的局部整体区域,最后再向外延伸吊装其它桁架。
  (3)支撑架卸载。楼层平台桁架周边均为悬挑结构,悬挑大,施工过程中设置了大量的支撑架,安装完成后,需要对支撑架进行卸载,以使结构安全顺利地转变为自承重状态。
  
  图6施工分区和合拢缝设置
  由于在支撑架卸载过程中,结构受力体系将发生转化,为确保支撑架卸载时结构和支撑架的安全,利用结构分析软件SAP2000对支撑架卸载全过程进行了计算机仿真分析。根据“结构计算为依据以结构及支撑架安全为宗旨,以变形协调为核心,以实时监控为手段”的原则,楼层平台桁架采用“等距,分区、循环”的方 进行支撑架卸载按照A区→B区→C区D区→A区的顺序,每次同步下降5mm,直至桁架底面与千斤顶完全脱离。
  由于在桁架安装时,顶部采用垫铁进行支撑(图7),在支撑架卸载时首先采用两个螺旋千斤顶两侧同时顶紧,将桁架下的垫铁抽去,并拆除撑杆,然后两个千斤顶按指令同步进行卸载。
  
  图7支撑架卸载点示意图
  三、大跨度空间网格结构安装技术
  屋盖结构呈双曲面南北向长204m,东西向长178m,水平投影面积约2.5m²万采用正放四角锥空间网格结构,下弦多点支撑,最大跨 度102.5m,网格投影尺寸8.2×8.2m,最大厚度4.70m。节点形式主要 采 用“十 字节 点”(图8)局部采用焊接球节点。“十 字节点”外形尺1000×1000(mm),为由主管和次管相贯而成,主管中部设有两 块加劲板,为直线段,次管相贯焊于主管上,有角度变化,焊接球最大规格为WSR1000×40。
  
  圖8 十字节点
  (一)施工方案选择
  屋盖结构下部情况复杂,设有为数众多的会议厅、剧院、宴会厅等,屋盖形状又呈双曲面型,高大。根据施工现场的这些实际情况和结构自身的特点,屋盖结构的安装采用搭设支撑架在高空原位拼装的方法进行施工,该方法安全可靠,安装质量易保证。
  屋盖结构有近1000个节点,约10000个对接口,而且角度变化多,“十字节 点”的位置和方向性强,加之是 高空作业,安装定 难度大。由于节点和杆件之间均为焊接连接,焊接工作量大,同一节点处交汇的杆件多,焊接质量要求高,焊接难度大。
  (二)主要技术措施
  (1)施工分区。为加快施工速度,便于多个作业面同时展开施工,屋盖结构划分为A、B两 个施工区域,同时进行施工。其中A、B两区又分别划分为9个和7个施工段,如图9所示。具体施工顺序如下:
  
  图9屋盖结构施工分区平面图
  (2)安装方法。屋盖空间网格结构安装时,遵照先安装支座、从下往上、宜对称同步、尽早形成局部稳定的安装区域的原则进行。拼装顺序按照先下弦杆腹杆→上弦杆的顺序依次进行,如图10所 示。首先安装下弦十字节点和下弦杆件,使下弦杆件形成矩形网格,安装时利用全站仪对十字节点的坐标进行测量,使用螺旋千斤顶对节点进行调整,使十字节点端口坐标与设计坐标相符,件与字节点,利用连接夹板临时点焊固定;然后安装腹杆和 上弦十字节点,安装前搭设井字架,使用倒链将 腹杆吊起、将节点吊装到就位高度,使用全站仪对节点进行测量定位,位置准确后将腹杆和节点点焊固定;然后安装下一网格的腹杆和上弦杆,如此类推安装其它网格。在安装往前推进的同时,焊接工人对定位拼装完毕的网格进行焊接
  (3)安装精度控制措施
  屋盖结构杆件和节点数量众多,对接口多,在高空散装时存在初始几何偏差、焊接收缩变形、结构温差变形等,因此在安装过程中会产生安装误差,为此,每安装完一片网格后,需立即进行复测,一旦有某项指标超出控制范围,在安装下一片网格时,采用反误差的方式来消除前一片网格的安装误差。即逐段调整,消除安装误差,不使安装误差累积。
  (4)支撑架卸载。屋盖结构采用搭设支撑架在高空原位拼装的方法进行施工,安装过程中下弦每一节点处均设置了支撑点,安装完成后,需要对支撑架进行卸载并拆 除。按照确保结构自身的受力转换合理和支撑架的受力不超出预定要求的原则,经过计算机模拟分析和对比,屋盖结构同楼层平台桁架类似,也采 用“等距、分区、循环”的方案进行支撑架卸载。
  (三)空间弯扭幕墙结构安装技术
  幕墙结构为多曲面空间弯扭结构(图11),幕墙柱从顶到下贯穿形成整体效果,由于建筑外形凸凹不规则,建筑物北低南高,幕墙柱不但长短不一,而且倾 斜角度变化无规律,有的部位与地面夹角接近30°。幕墙钢柱均为双向弯扭 箱 型构件,柱间每5m高左右设有一道横梁和斜支撑,钢柱最大截面尺寸为5000×400×30×30(mm),柱长大部分在30×45m左右最长达65m。
  
  图10拼装顺序图
  
  图11幕墙结构
  根据幕墙结构特点和幕墙位于结构外围、吊车行走方便的现场情况,幕墙结构采用分段吊装的方法进行施工(图12)。由于幕墙柱为双向弯扭箱型斜柱,安 装时 既需要保证一定的倾斜角度,又需要对弯扭构件进行空中定 位。因此每节幕墙柱安装时先安装专用的支撑架,支撑架安装至离每节斜柱上端约1.2m处,用于支撑 固定各节斜柱的上端,施工时利用全站仪对弯扭构件每个角点进行测量定位。幕墙结构的分段吊装主要使用塔吊和外围250t履带吊,吊装从一边开始,先完2个节间的安装(包括柱间支、横梁安装),使其尽快形成稳 定的 结构体系,然后以此为基础向两侧和上方进行吊装。
  
  图12幕墙结构施工
  (四)空中连廊安装技术
  空中连廊底面标高28.5m,通过钢拉杆吊挂在屋盖结构下,用于连系各使用空间图(13图)。考虑钢构件吊装方便,连廊钢结构采用在屋面操作架搭设时先安装在架体上,待屋盖结构安装完成后再将钢拉杆与屋盖结构连接。
  
  图13空中连廊
  搭设屋面满堂操作架时,设置临时支撑至连廊底标高处,利用现场布置的塔吊将连廊分段吊至临时支撑系统上就位安装。操作架继续往上搭设,立杆碰到连廊桥面时断开水平杆则一直往上搭设,如图14所示。由于连廊宽度较小,对整体操作架影响不大,待屋盖结构安装完成后,拆除操作架至连廊标高处,安装好钢拉杆,完成空中连廊的安装。
  
  图14连廊安装示意图
  四、结束语
  本工程根据工程特点布置了主要安装施工技术措施,这些措施有效保证了工程的顺利实施和施工质量,取得了较好的经济效益。
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