异型大跨度屋面钢桁架施工技术浅析

异型大跨度屋面钢桁架施工技术浅析

张俊杰,陆俊杰

上海建工七建集团有限公司   上海   200050

摘要：金华第二生活垃圾焚烧发电厂主厂房屋盖钢桁架工程主桁架长度较长、线型变化大，桁架在没有形成整体前，平面的桁架其平面外稳定性较差，对钢结构施工质量提出了较高要求。结合工程实践，针对锅炉间烟气间钢结构从钢结构难点、特点分析、吊装设备选型、施工部署、吊装施工、桁架体系计算分析等几个方面进行了总结，以期对类似工程提供参考。

关键词：异型；大跨度；钢结构施工；吊装技术

1 工程概况

1.1 建筑概况

金华市第二生活垃圾焚烧发电和金华市飞灰（含其它危废）填埋项目位于位于金华市雅畈六部寺金华市固废处置中心东南。该工程为垃圾焚烧发电项目，包括主厂房、主厂房附屋、烟囱、综合水泵房、冷却塔、渗滤液处理站、宿舍、食堂、办公室等组成，总占地面积39159.3㎡。建筑面积59619.1㎡。

主厂房结构为现浇钢筋混凝土框架剪力墙-框排架，地下1层地上局部5层，结构主体高度为58m。

图1 工程效果图

1.2 钢结构概况

本工程钢结构主要位于主厂房：主要包括4个区域：卸料间钢结构、垃圾坑钢结构、锅炉间烟气间钢结构、汽机间钢结构。其中锅炉间烟气间钢结构，平面尺寸为67.050m×126.900m，钢结构包括下部格构柱钢结构和上部屋盖造型钢结构。锅炉间和烟气间下部钢管格构柱共计37处，截面为2.0×2.0m，主要杆件规格为∅325×25、∅180×10、∅325×16、∅159×8、∅325×20、∅140×6、∅245×12、H400×400×10×16等。

图2 锅炉间烟气间钢结构示意图

图3 锅炉间烟气间钢结构三维图

2、钢结构施工重点、难点

1）本工程主厂房屋盖为通长的正交钢管桁架结构，主桁架均采用了平面桁架，且每榀主桁架长度较长、线型变化较大，桁架在没有形成整体前，平面的桁架其平面外稳定性较差，在桁架吊装时易产生侧向变形，会影响安装精度和施工安全，因此如何控制桁架在吊装阶段的变形是安装实施过程中的一个重点。

2）由于整个工程钢结构部分需深化设计、制作、安装，工程工期短，构件多，给制作和安装工期带来了很大的困难，为保证在有限的工期内完成任务，必须采取很多有利的保障措施，确保工程按照工期顺利完成。

3、关键施工技术

3.1 吊装设备选型

锅炉间烟气间钢结构面积达到8500㎡，屋盖钢桁架单跨跨度57.1m，重量24.1t，下部钢格构柱长度40.231m、55.328m，单根重量达到67t，分段重量为20.636t。由于锅炉间烟气间钢结构面积大，考虑到现场吊装机械选型的经济性，采用跨内吊装形式，下部钢框架结构采用1台220t汽车吊场内吊装。屋面桁架的安装采用1台650t履带吊分片吊装的施工方法。外立面造型钢结构和屋面次构件吊装采用2台110t汽车吊。

1）下部钢框架吊装设备分析

格构柱最重分段为低跨1-17轴的第二段，长20.231米，重达20.636吨，吊钩+钢丝绳约1.5吨，合计重量为22.136吨，采用220吨履带（52.9m主臂工况）进行吊装，工作半径14米，额定起重量24.4吨>22.136吨，因此满足要求。

2）上部屋盖桁架吊装设备分析

（1）最远位置桁架分析

锅炉间烟气间屋面桁架内侧吊装时，650t履带吊（48米主臂，66米副臂）主要站位于两台炉之间的通道上，通道宽度约为12m。此时最远距离吊装桁架为CHJ01-2，长度约为27.5m，重量约为6.5t。吊车的吊钩和索具等重量考虑2.5t，合计吊重为9t，履带吊作业半径为59m，吊车起重能力为22.9t，满足吊装要求。

（2）吊装最重单元分析

650t履带吊（48米主臂，66米副臂）主要站位于两台炉之间的通道上，通道宽度约为12m。此时最重吊装桁架为ZHJ02-3，长度约为57.1m，重量约为24.1t。吊车的吊钩和索具等重量考虑2.5t，扁担梁重约3.5t，合计吊重为30.1t，履带吊作业半径为46m，吊车起重能力为36.6t，满足吊装要求。

3.2 钢结构总体部署及施工流程

锅炉间和烟气间内主要有很多大型设备及设备钢架布置，局部区域有混凝土结构楼层，施工过程中涉及多专业的交叉作业。考虑土建结构施工完成，大型设备吊装完成后，再进行钢结构施工。

锅炉间烟气间钢结构施工主要划分为三个施工区域。整体顺序为施工区域一（1-U轴至1-N轴）→施工区域二（1-N轴至1-F轴）→施工区域三（1-F轴至1-A轴）。每个施工区域内安装的顺序为自西向东进行。

图4钢结构施工平面划分图

施工流程：格构钢柱与联系桁架逐跨吊装→屋盖桁架与联系桁架、构件吊装→外立面造型钢结构吊装→相同施工方法进行下个施工区域施工。

图5：流程一：一区下部钢柱吊装

图6：流程二：一区屋盖钢桁架施工

图7：流程三：二区下部钢柱吊装

图8：流程四：二区屋盖钢桁架施工

图9：流程五：三区下部钢柱吊装

图10：流程六：三区屋盖钢桁架施工

3.3 下部钢框架施工

1）格构柱分低跨和高跨两部分，低跨钢柱长度40.231米，高跨钢柱长度55.328米，单根重量达到67t，考虑到现场吊装机械选型的经济性、现场安装的便利性，高跨部分格构柱分成三段进行吊装，低跨部分格构柱分成两段进行吊装，分段吊重最重为20.636t。

图11：格构柱分段立面示意图

2）整体施工顺序遵循先高跨后低跨的顺序。格构柱的下段吊装完成后，安装格构柱之间连接的桁架梁，使结构形成稳定的空间单元。

3）吊点设置在预先焊好的连接耳板处。为防止吊耳起吊时的变形，采用专用吊具装卡，采用单机回转法起吊。起吊前，格构柱应垫上枕木以避免起吊时柱底与地面的接触，起吊时，不得使柱端在地面上有拖拉现象。

3.4 屋盖桁架施工

1）拼装胎架设置

考虑本工程中的分段桁架的形状基本相同，为充分利用胎架，同时结合施工工期要求，在拼装场地平面桁架设置4组拼装胎架，1组平面桁架拼装胎架至少由8个独立的胎架组成，确保面外稳定。同时胎架下方铺设16mm的钢板以提高拼装的精度。拼装胎架采用HM194×150×6×9工字钢，长4.5米，高1.2米。

胎架设置时应先根据坐标转化后的X、Y投影点铺设钢路基箱板，相互连接形成一刚性平台，平台铺设后，进行放X、Y的投影线、放标高线、检验线及支点位置，形成田字形控制网，并提交验收，然后竖胎架直杆，根据支点处的标高设置胎架模板及斜撑。胎架设置应与相应的屋盖设计、分段重量及高度进行全方位优化选择，另外胎架高度最低处应能满足全位置焊接所需的高度，胎架搭设后不得有明显的晃动状，并经验收合格后方可使用。

2）桁架地面拼装

桁架现场拼接时，胎架根据桁架轴线及对接位置进行布置，并在桁架端口焊接定位耳板，作为对接时临时固定措施，对接后将耳板割除磨平。

在现场对接过程中，使用全站仪和线锤对钢桁架的轴线位置进行精确校核。

3）桁架吊装单元划分

根据吊装机械选型的经济型，吊装先后施工顺序，针对主要桁架进行吊装划分，共分为50片，分段最重24.1t，采用650t履带吊进行吊装。

图12：主桁架分段示意图（3段）

桁架采用捆绑吊装，吊装受力点均设置在桁架腹杆与弦杆的节点处，吊装钢丝绳与桁架弦杆平面夹角应为30°~60°。图中编号1为HQGK1-20单轮开口滑轮，共2个；编号2为手拉葫芦,共1个；编号3为Φ48吊装钢丝绳。

图13：典型吊装方式图

3.5 钢桁架计算分析

1）施工过程计算分析

为了保证结构施工安全，我们采用了有限元分析软件Midas Gen v8.75，对桁架进行了计算分析，考虑荷载仅为自重，考虑动荷载系数1.4。通过计算得知，桁架屋面随着吊装进度的推进应力比、结构位移将逐步扩大，锅炉间和烟气间钢桁架全部吊装完成后，达到最大值，应力比最大值0.54，结构最大位移112mm，方向向下，跨度与挠度之比为1/493，结构的变形和杆件应力比均较小，可以满足施工要求。

2）桁架吊装工况验算

对吊装过程采用静力结构分析，在对各吊装单元的内力分布分析时，采用将静载荷乘以1.4倍的动力放大系数，而变形分析仍采用静载荷作用下的变形。

验算采用有限元分析软件Midas Gen v8.75，验算选用的桁架模型为单榀桁架的左右两部分，此榀桁架跨度、质量、杆件形式都具有代表性。吊装时桁架位移最大值-22mm，桁架挠度与跨度之比为1/566；桁架杆件应力比最大为0.2＜0.85，可以保证施工安全要求。

4、实施效果

金华第二生活垃圾焚烧发电厂主厂房钢结构目前已施工完成，采取的技术方案及措施可行，同时也加快了施工进度，获得了业主、监理等参建单位的好评，为同类项目积累了宝贵经验。

参考文献

[1]李志宏.大型主题乐园钢结构施工技术浅析[A].建筑施工,2019.12:2137-2140.

[2]罗松，张双龙，宋修平，罗建鹏，董涛.阿尔及尔机场新航站楼建造中的钢结构分区卸载技术 [A].建筑施工，2019.04：624-628.