大型悬挑钢结构施工技术

大型悬挑钢结构施工技术

赵福成

珠海华发景龙建设有限公司广东珠海519000

【摘要】钢结构建筑具有强度高、抗震性能好、节能环保等特点，近年来在我国建筑行业中得到了广泛使用。为满足建筑外观的要求，大跨度的悬挑结构也时常出现，但由于其结构特殊性，施工过程中有较大的难度。为此，本文以某会所工程悬挑钢结构安装为例，根据工程特点制定施工顺序，从设定安装施工控制目标、建立模拟计算模型、安装过程主要构件内力分析、支撑胎架设计及卸载等方面，讲述该结构安装技术，可为此类工程提供技术指导。

【关键词】钢结构；施工顺序；控制目标；模型；卸载

随着城市建筑业的迅速发展，高层钢结构工程应用越来越多，各种复杂的异型的空间结构也被广泛应用于各地建筑。其中大悬挑钢结构应用最为广泛，该结构因其复杂的结构体系和建造难度，使得结构施工周期长，影响因素多，加大了施工难度。且在施工过程中的受力情况与传统结构体系不同，不能按传统施工技术进行施工，因此研究该施工技术具有非常重要的意义。下文就以某会所工程为例，探讨一下大跨度悬挑钢结构安装技术。

1工程特点和施工顺序

某会所工程异型大跨度悬挑钢结构外挑长度大，钢构件悬空布置，无任何支撑，需要利用临时支撑胎架保证施工。异型大跨度悬挑钢结构的起拱值精度控制困难，利用支撑胎架上的钢支座和千斤顶可很好地控制起拱值。整个钢结构安装完之后，利用卸载技术完成结构卸载和胎架拆除。异型结构空间状态复杂，空间尺寸精度要求高，利用软件建立等比例三维实体模型，通过模型实现空间尺寸的定位。

根据该工程的特点，该工程分为两大施工步骤:第一步，主体内框架安装，该部分为一般多层钢结构框架结构，按照从下至上的顺序依次安装各层平台(图1)；第二步，主体内框架安装完之后，开始搭设临时支撑胎架，按照设定的顺序安装悬挑部分框架(图2)。本文主要探讨第二步悬挑结构的安装技术。

2设定安装施工控制目标

本工程在形成主体内钢框架，架设好悬挑部分临时支撑胎架之后，开始按照一定的顺序安装悬挑部分框架，直到主要构件全部吊装完成。采用整体构件拼装、吊装与散件吊装结合方法，对无法拼成整体的构件增加临时构件。在这个过程中，需要控制每一步吊装的散件或整体拼装桁架在结构构件自重及施工荷载下的位移与内力是否超限。

2.1位移控制目标

对每个安装步骤完成吊装的散件或整体拼装桁架，严格控制位移，在安装关键控制点处，要求其侧移不超过5mm。对位移限值超过这一目标的关键点，需加相应的临时支撑，加上支撑后重新验算控制点位移，修改支撑刚度、支撑点位置，直到控制点位移满足要求。

2.2内力控制目标

本工程±0.000以上钢结构采用的钢材标号为Q345Ｂ和Q420GJ-C两种，在安装过程中和安装完成后临时胎架的卸载过程中，严格监控每个安装子步和卸载子步下，结构构件的轴力、弯矩和剪力，并计算应力比是否超限。

另外，在散件或整体拼装桁架安装过程中，须有效地固定构件活动端，防止构件屈曲失稳。

3建立模拟计算模型

本工程采用SAP2000计算软件进行建模计算，其在三维结构整体性能分析，结构弹性静力及时程分析功能相当不错，后处理方便。另外，SAP2000v14.0汉化版引入了中国规范，具备一定的钢框架设计/校核功能，用以检查校核安装过程中和胎架卸载过程中钢构件的内力信息。

3.1输入截面及材料属性建立模型

利用AUTOCAD的的分图层导入功能，可以很方便的搭建起模型。在各图层指定组和截面属性，可以将不同截面和材料的构件定义属性，建立计算模型。

(1)将地下室混凝土强度等级及上部钢结构钢材强度等级分别输入计算程序中，如表1所示。

(2)将180种各种混凝土土截面和钢结构箱型截面、工字形截面及异性截面进行截面属性定义。在上部钢结构施工过程中，楼层板尚未安装，因此，在计算模型中将板定义为没有质量、刚度的虚面，除了传递竖向荷载外，不参与结构整体计算分析。

3.2荷载信息

根据建筑设计院设计的会所结构施工图，给出的基本荷载信息如表2所示。

3.3计算模型对比验算

为了保证钢结构安装过程分析的准确性，应把本次分析在结构正常使用状态下的结果与主体设计的要求进行对比。根据建筑设计院图纸给定的8个控制点在恒载和活载作用下的位移与本次模型计算结果进行对比如表3所示。

从各控制点位移对比结果可知，各控制点位移计算值与设计要求值差异在10%内，可以判定建立的SAP模型能正确反映结构的受力状态，能过对钢构安装过程进行内力分析。

4设计制作支撑胎架

结构施工未形成整体之前不能完全靠自身承载或保持稳定，因此在其建造过程中总是需要支撑。本工程涉及到的胎架均为安装支撑胎架。

根据悬挑结构的结构形式和连接特点，在外框连接部位设置支撑胎架，图3所示为会所下球面在XY平面上的投影图，其框架四周共布置了12个临时支撑点，即图中T1～T12。

5确定安装方法及安装顺序

根据悬挑部分钢结构初步确定的安装顺序确定吊装构件重量，并结合现场布置及吊车吊装半径，吊装选用150吨履带吊作为主吊机，就此编制了《钢结构工程安装顺序说明》文件，依据该说明文件确定了悬挑部分吊装，采用整体吊装与散件吊装结合的方式。整体构件的吊装顺序运用SAP2000的施工分析功能，进行分析计算。依据尽可能少的添加临时侧向支撑和尽可能早的让支撑胎架参与进来的原则，通过反复尝试、计算和对比，调整安装顺序，得到最优的安装顺序。安装完成后如图4所示。

6安装过程主要构件内力分析

整个钢结构安装过程共分16个安装步骤，包含了22个安装子步。在SAP模型中设置包含所有22个安装子步的施工工况，运行分析后可以得到每个安装子步完成后结构的内力信息，输出结构主要构件的内力峰值。主体框架也参与了整个过程的内力分析计算，主体框架在安装和卸载过程中所有构件是满足要求的。分析每个安装子步的内力信息，提取结构主要构件的内力最大值，计算表明，在整个安装施工过程中，钢梁始终维持着较低水平的应力比，钢梁在安装全过程是安全的。举例:1-K轴立面布置图中，左边部分钢梁内力如表4所示。

7支撑胎架卸载

7.1支撑胎架卸载方案计算

钢结构施工过程中支撑胎架与主体结构是作为一个临时整体共同作用的，故需要有较高的刚度、承载力和稳定性。会所悬挑部分共有12个临时支撑胎架，其布置位置与编号见图5。依据胎架卸载优化顺序，将胎架位置按反力大小排序，最大反力处胎架为最优卸载路径，反力值见表5。每次选取出最大反力处胎架后，都采取一次充分卸载至胎架与主体结构脱离，即一次性撤出胎架支撑。通过计算分析得出的卸载顺序如下:

开始→T3→T5→T4→T10→T7→T8→T９→T11→T1→T2→T6→T12→完成。

卸载过程中各胎架反力变化趋势如图6所示。

7.2卸载方法和验证措施

各胎架卸载完成后，胎架支撑点的计算下扰值和卸载后实际下挠值见表6。

卸载时利用千斤顶将支撑点部位的杆件支撑住，将支撑点部位的临时支撑切割掉，支撑点部位的重量靠千斤顶进行支撑。将千斤顶缓慢回落，千斤顶脱开后测量该部位的下扰值，与计算值进行对比，实际值都小于理论计算值，说明在整个卸载过程构件是安全的。

8结语

综上所述，钢结构的造型及结构形式越来越复杂，钢结构的方案设计及工程质量直接影响着建筑结构及使用安全。因此研究和掌握各种钢结构工程施工技术和相关知识，并运用到实际工程建设中，对整个建筑业的发展和壮大，都起到了极为重要的推动作用。本文以某会所钢结构工程为例，通过采用计算主要构件在安装过程中的内力情况、支撑胎架设计、支撑胎架卸载等关键技术，保证了结构吊装以及卸载过程中的施工安全，结果表明该工程取得了良好的效果，维护了施工企业的信誉和社会地位，并推动着大跨度悬挑钢结构工程的发展。

参考文献：

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[2]张季超，马旭，周观根.广东科学中心大跨度悬挑钢结构安装技术[J].施工技术.2011

[3]耿俊峰.大吨位大跨度悬挑钢结构整体提升施工技术[J].建筑施工.2014.36(5):543-545