基于公共建筑大跨度空间的钢结构安装施工技术.pdf

第 22 卷 第 7 期2023 年 7 月中国建筑金属结构CHINA CONSTRUCTION METAL STRUCTUREVol22 No7Jul202340 引言为了适应物质生活发展需求，建筑物需要越来越大的空间。大跨度建筑工程具有跨度、自重、刚度等优势，更容易展现建筑物外形轮廓的美感，使建筑物同时具备稳定性与美观性，满足人们对公共建筑的要求，故其经过长时间的发展，已经成为城市标志性建筑1。近代大跨度钢结构主要包括网架结构、网壳结构、空间桁架结构等。目前关于大跨度钢结构施工的研究越来越多。商凯光等2针对公共建筑高大空间钢结构独立柱的安装施工进行优化设计。该方法先通过施工模拟计算，确定了施工过程中超高独立柱的变形量，并在安装时预留了相应的变形量。然后为增加自身抵抗变形的刚度，采用了铰接外框柱及V形撑设置临时约束措施。最后，通过自主研发的超高独立钢柱焊接过程同步观测专利技术，实现了焊接变形的实时监测与垂偏修正，以保证超高独立柱的施工精度。范锐钊等3提出了一种高耸超大跨度双环试验塔架钢结构施工技术。该方法验证了采用超高塔架钢结构安装技术和超高大跨度双环桁架提升技术可有效减少高空作业量，并使其满足安装精度和安全防护的要求成功完成塔架钢结构安装任务。以上两种方法虽可实现优化施工，但其施工仅针对一部分，无法全面优化钢结构施工效果。我国研究学者不仅进行关于施工技术的研究，还对其施工全过程的管控进行研究。翟雷等4提出了一种大跨度钢结构空间张弦桁架施工全过程监测与分析方法。其先在工程施工前期，建立钢结构模型，然后结合现场施工工艺，模拟不同工况下关键节点受力情况。最后在施工过程中对关键节点进行应力实时监测，同时与前期模拟计算结果进行比对分析，并结合设计参数设立了三级应力预警系统。该方法可对其进行良好监测，并且优化施工，但其施工效果仍然不佳，故本次研究提出了一种基于公共建筑大跨度空间的钢结构安装施工技术研究。本次研究的创新之处在于对建筑结构中大跨度钢结构安装整体施工流程进行设计，通过搭设建筑工程大跨度钢结构临时支撑、吊装大跨度连廊钢网架、安装大跨度钢结构空间桁架三部分完成施工优化，提升施工效果。1 建筑工程大跨度钢结构安装施工技术设计1.1 搭设建筑工程大跨度钢结构临时支撑在建筑工程施工的过程中，本文根据钢结构的施工状态，设置了临时支撑结构，承担施工期间的各种荷载作用，在结构安装完毕之后，将临时支撑卸载，确保钢结构能够达到预期状态5。本次工程则根据建筑工程网壳的结构形式，确定临时承受钢结构的支撑位置。建筑工程大跨度钢结构形式较为复杂，在吊装单元处内设临时承重支承架，根据临时支撑的安装高度与承重要求，确定钢结构管柱承重体系。临时支撑体系采用吊装的形式进行搭设，将网壳的钢结构划分，在不破坏下方建筑土建结构的基础上，增加临时支撑的底部强度。临时支撑的平面尺寸根据钢桁架的长度而定，长度约为2.0m，临时支撑、横杆、斜杆采用不同的钢管。在临时支撑底座采用 H400200813的构件。将临时支撑与钢结构杆件相互连接，保证临时支撑的整体稳定性。临时支撑与钢结构杆件连接情况如图 1 所示。埋件埋件钢柱撑杆钢梁图 1 临时支撑与钢结构连接示意图如图 1 所示，本文将临时支撑进行工况编号，在不同的施工环境与施工条件下，将临时支撑搭设完成。钢结构施工部分的临时支撑为 LS_1 LS_6，钢结构支撑卸载部分为 LS_8，保留下 LS_7 的中间支撑部分，确保施工稳定性6。通过临时支撑承载情况，计算出支撑底部的反力，从而得到钢结构柱、梁的作者简介：张艳平（1978-），女，工程师，研究方向：建筑工程。基于公共建筑大跨度空间的钢结构安装施工技术张艳平（临朐县建筑业发展中心，山东 潍坊 262600）摘 要：针对钢结构安装施工吊点应力较低，影响建筑工程结构安装施工质量的问题，本文研究建筑工程大跨度钢结构安装施工技术这一课题。搭设建筑工程大跨度钢结构临时支撑，根据建筑工程网壳的结构形式，确定临时承受钢结构的支撑位置。吊装大跨度连廊钢网架，将网架拼装成连续的单元格，由吊车吊到网架安装的位置，确保网架结构的安装稳定性。安装大跨度钢结构空间桁架，将空间桁架支座与结构柱连接固定，避免桁架吊装脱钩的问题。采用实例分析，验证了该施工技术的应力较高，能够确保建筑工程结构安装施工质量，具有较高的推广价值。关键词：建筑工程；大跨度钢结构；安装施工技术中图分类号：TU758.11 文献标识码：ADOI：10.20080/ki.ISSN1671-3362.2023.07.003创 新5第 7 期中国建筑金属结构设计承载力。在钢结构梁的自重与支撑底部反力的作用下，临时支撑的最大变形为 0.5mm，最小应力比为 0.567 1，满足此要求的条件下，才能将临时支撑卸载。为了确保钢结构梁临时支撑的同样支撑效果，本文采用 Q235 钢，壁厚 16mm，抗拉强度约为 220MPa。钢结构柱采用 Q345 钢，壁厚 16mm，抗拉强度约为 300MPa。在该结构下，钢结构梁的最大应力 220MPa，钢结构柱的最大应力 300MPa，则可以满足钢结构支撑需求。1.2 吊装大跨度连廊钢网架在临时支撑搭建完成之后，本文对网架结构进行高空吊装。吊装的流程为构件分拣地面拼装吊装高空安装。本文将网架拼装成连续的单元格，由吊车吊到网架安装的位置，确保网架结构的安装稳定性。在进行高空安装的过程中，本文将施工人员分为两个部分，一部分负责单元格拼装，一部分负责高空安装7。吊装的网架结构为三根绳系到网架端上弦杆与下弦杆，三根系绳的长短与吊起三脚架长度保持一致，偏转角度较低，确保高空安装人员能够顺利接应。被吊装的网架重量约为 12.42t，最高点约为 12.550m。结合网架重量的实际情况，选用 50t 的汽车吊，主臂长度约为 21m，工作半径约为 7m，其重量约为15.75t。汽车吊的外形尺寸为 13 300mm2 750mm3 670mm，功率/转速为 213.3kW/2200r/min，能够满足网架吊装重量需求。网架吊装的平面图如图 2 所示。abcd汽车吊图 2 网架吊装平面示意图如图2所示，本文在网架上设置四个吊点，分别为a、b、c、d。在第一单元的吊装时，作为试吊模块，按照要求将钢丝绳拴到网架指定吊点处。检查钢丝绳、卸扣等构件是否安装合格。合格之后，在四个吊点处拴上麻绳，将其吊到预定高度 20 30cm8。将此处的临时支撑卸载后等待 10min，观察网架受力形变情况。根据网架形变尺寸，及时增加或减少钢结构柱的承载力。在网架尺寸完好，不发生形变的条件下，完成试吊。试吊后继续起钩，网架下弦高度超过钢结构柱中间部位时，固定钢结构柱的缆绳，使网架超过钢结构柱的顶端。网架起吊之前设置了溜绳，安排专人观察绳索变化情况，确保网架吊装的安全性。网架安装完成之后，对其进行偏差分析，允许偏差如表 1 所示。表 1 网架安装允许偏差表项目允许偏差（mm）检验方法纵向、横向长度L/2000，L 30.0-L/2000，-L -30.0钢尺实测支座中心偏移L/3000，L 30.0钢尺、经纬仪实测周边支承网架相邻支座高差L/400，L 15.0钢尺、水准仪实测支座最大高差30.0多点支承网架相邻支座高差L1/800，L1 30.0注：L 为纵、横向长度；L1 为相邻支座间距如表 1 所示，网架的纵横长度、中心偏移、支承支座高差、最大高差等项目均需要进行偏差分析，在偏差的范围内，即可确保网架安装的安全性。网架安装完毕之后，每一个支座的受力均存在不同的要求。小拼单元、中拼单元的允许偏差均在实际需求之内9。在网架支座满足垫板、限位板的安装施工要求之后，采用相应的水平仪器测量平整度，确保钢结构网架的安全质量。1.3 安装大跨度钢结构空间桁架本文将空间桁架支座与结构柱连接固定，避免桁架吊装脱钩的问题。在制作与钢结构柱就位之后，马上将二者固定。胎架上的空间桁架与吊车绳索连接，并绑好牵引绳。将空间桁架吊起，但不脱离平台，检查安装设施的固定与安全。利用吊车在空间桁架的跨中位置翻身，并布置 4 个吊点，确保空间桁架的安装均衡性。空间桁架吊装情况如图 3 所示。1234图 3 空间桁架吊点示意图如图 3 所示，1 4 为空间桁架的吊点，利用牵引绳控制任意吊点旋转。在大跨度空间桁架就位之后，将其与钢结构柱连接固定。吊车前行，控制空间桁架的移动安装。安装位置与吊点位置一一对应，确保空间桁架安装施工质量。计算吊点处的剪力值，公式如下：sin45/2ssFF=（1）式（1）中，Fs 为剪力值；Fs 为抗剪强度。当 Fs Fs 时，吊装吊点的刚才抗剪强度符合要求，吊点处不会发生破坏。在此条件下，对空间桁架进行稳定性验算，公式如下：xscMWfF=（2）式（2）中，W 为空间桁架的稳定度；Mx为吊点；c为吊耳接触周长；f 为空间桁架的自重。在 Fs、W 均满足桁架安装施工需求之后，完成空间桁架的安装，此时钢结构的安装施工质量可以满足实际需求。2 实例分析2.1 工程概况为了验证本文设计的大跨度钢结构安装施工技术是否具有稳定价值，本文以 X 企业二期工业厂房建筑工程为例，对该工程的大跨度钢结构车间进行安装施工。X 企业二期工业厂房建筑工程是一个柴油泵车间，结构总长度约为 120m，总宽度约为 90m，檐口高度约为 13m，最大跨度约为 70m，总建筑面积约为 1.02104m2。主厂房采用现浇钢筋混凝土架柱、钢梁、屋面钢结构，桩基础与预制钢筋柱通过承台连接。办公室辅房的长约 40m，宽约 10m，钢板、型钢、钢管的钢材型号均为 Q235B；隔板、缀条、节点板等材质均为 Z 型钢；墙面、墙梁均为 C 型钢 Q345B。钢结构在安装的过程中，每跨度均需要在中间按1/500起拱，最大跨度为24m的钢架结构，可以确保钢结构的稳定性。本文将预制柱进行吊装，吊点截面如图 4 所示。6中国建筑金属结构2023 年A图 4 吊点截面示意图如图 4 所示，吊点截面为 800mm400mm，该构件的最大弯矩与最大剪力均在吊点处。在点 A 处为吊装最大剪力 58.08kN，弯矩为 71.16kNm。本文将全长为 18.11m，宽度为 250mm 的钢梁进行吊装，钢梁腹板高度从左至右依次为1000mm、850mm、750mm，左端集中荷载约为 320N，支座集中荷载约为 730N，右端集中荷载约为 200N。钢梁吊装情况如图 5 所示。吊点图 5 钢梁吊装示意图如图 5 所示，钢梁吊装的位置设置在梁左端 2.25m，其 弯 矩 为 3 069.44Nm，剪 力 为 3 479.32N。梁 右 端 2.25m处，其弯矩为 3 069.44Nm，剪力为 3 479N。截面尺寸为750mm250mm8mm14mm。在吊装的过程中，本文利用吊装应力，确定钢结构安装的稳定性。应力越大，应力比越高，钢结构安装施工越稳定。2.2 应用结果在上述施工条件下，本文选用应变计测试网壳结构的应力变化，并将其以应力比的形式呈现。应力比越高，网壳结构的稳定性越高。在其他条件均一致的情况下，随机选取出83mm3.5mm 133mm7.5mm 共 8 种构件的规格，分析其实际应力比。应用结果如表 2 所示。表 2 应用结果构件规格（mm）杆件质量（T）网壳验算指标应力比最大轴压力（kN）最大轴拉力（kN）最小实际833.515.57192.925188.4210.7420.896893.512.65681.743260.3750.7920.947895.524.251162.325337.2160.6680.912953.511.88590.631220.9480.6040.9601027.0207.592263.126535.1890.7410.9961148.0248.934374.772681.3280.6930.8081217.025.123377.029497.4280.6660.8961337.5135.646505.742691.6060.6720.943如表 2 所示，本文选取的 8 种构件中，构件的数量各不相同，杆件质量也随之变化。其中，规格为 102mm7.0mm、114mm8.0mm、133mm7.5mm 的杆件质量较大，其产生的轴压力、轴拉力也相应增加。由于大跨度钢结构施工环境复杂，荷载种类与工况组合较多，将恒载、活载、风载、雪载、温度荷载等因素考虑在内，确定最终结构安装的应力比。恒载设定为 0.7kN/m2，活载设定为 0.5kN/m2，雪载设定为 0.7kN/m2，风载设定为 0.6 kN/m2。在此不利条件下，将规格较大的构件、质量较高的构件进行压力、拉力、应力分析。在网壳施工验收的过程中，存在最小应力比，超出该应力比的基础上，应力比越大，钢结构安全施工的安全性越高，稳定性越强。在最大轴压力、轴拉力一致的条件下，使用本文设计的大跨度钢结构安装施工技术之后，应力比在 0.80 以上，均超过了最小应力比，并无限趋近于 1，可以确保钢结构安装施工的稳定性，符合本文研究目的。3 结论近些年来，人们对建筑物的功能与结构提出了更高的要求，类似体育馆、游泳馆、展览馆、会堂等公共建筑中，均需要大跨度的空间。大跨度结构需要的是足够的强度、足够的稳定度，以及足够的承载力，故本文研究了建筑工程大跨度钢结构安装施工技术这一课题，通过优化施工技术提升施工效果，并用实验证明所提方法的先进性，得到结论如下：（1）在最大轴压力、轴拉力一致的条件下，应用所提技术应力比在 0.80 以上，可确保钢结构安装施工的稳定性。（2）所提方法分别从临时支撑、网架、空间桁架等方面进行优化，将钢结构安装得更加稳定，可确保建筑工程的施工质量。参考文献1 陶云德,骆成生.新型钢砂筒临时支座在连续梁体系转换施工中的应用以某大跨度钢结构连续梁桥工程为例 J.工程技术研究,2022,7(20):56-58.2 商凯光,高刚,俞宏,等.高大空间钢结构超高独立柱施工技术 J.建筑技术,2022(08):982-984.3 范锐钊,邢伟,赵东生,等.高耸超大跨度双环试验塔架钢结构施工技术 J.施工技术(中英文),2022(14):72-76.4 翟雷,李文涛,王永生,等.大跨度钢结构空间张弦桁架施工全过程监测与分析 J.施工技术(中英文),2022(14):77-82.5 陈立军,李超群,陈统,等.钢结构数字化建造技术在湖北鄂州民用机场转运中心工程中的应用 J.建筑施工,2022(10):2466-2469.6 胡韫频,李超,李宗亮,等.大跨度钢结构施工安全风险评价IHFACS-BN 模型及应用 J.中国安全科学学报,2021(08):147-154.7 郭晖,安毅,程欣,等.多工况激励下大跨度钢结构高铁站房振动响应的现场实测研究 J.太原理工大学学报,2021(02):247-255.8 张爱林,王小青,刘学春,等.北京大兴国际机场航站楼大跨度钢结构整体缩尺模型振动台试验研究 J.建筑结构学报,2021(03):1-13.9 姜慧,马仁伟,李学田,等.建筑产业化背景下徐州本土钢结构企业发展制约因素研究 J.徐州工程学院学报(自然科学版),2022(03):72-78.