关于大跨度悬挑钢结构安装技术的探讨

关于大跨度悬挑钢结构安装技术的探讨

李文华

上海建浩工程顾问有限公司上海200030

摘要：建筑行业的发展，让建筑结构体系日益复杂，大跨度悬挑钢结构作为工程结构设计中的一种，在现代建筑工程施工中的应用次数日益增加，加强对这项技术的分析，可以有效提高施工安全性。本文以某建筑工程为例，在简单了解工程概况的基础上，从工程的前期准备环节、制作环节入手针对大跨度悬挑钢结构安装技术进行分析。

关键词：大跨度悬挑钢结构安装技术；模拟计算；支撑胎架；安装顺序

引言：科学技术的发展，让建筑工程行业取得了全新的发展，大跨度悬挑钢结构安装技术在工程结构设计中成为一种常见的技术。这种技术运用有限元理论和静力加载方法，可以将施工过程细化成具体的施工步骤，对应具体施工时间节点，最终实现工程结构安装。在一些复杂结构中运用这种施工技术，可以保证结构受力均衡、避免变形问题，有效保证施工安全。

一、工程概况

某大剧院工程就使用了大跨度悬挑钢结构安装技术，这种工程结构的质量较大，在吊装过程中，受力状态变化较为复杂频繁。想要保证结构安全，就要对该结构的施工安装进行分析，为该工程结构安装过程和变形监测提供参考。该大剧院主体结构长235.2m宽159.6m结构最低标高-16m，钢结构顶点标高为43.3m。主体结构由钢筋混凝土--剪力墙以及吊挂结构，屋盖钢桁架组合而成。钢结构主要由30.85米、36.8米、43.3米标高钢梁，15.9米、20.9米悬挂钢梁以及30.85米标高屋盖桁架组成。屋盖结构为双向正交双向受力结构。钢桁架的最大跨度为66.7m高度6m，整个屋盖主结构由纵向28榀横向主桁架与50榀径向次桁架及桁架间联系钢梁、支撑组成。屋盖桁架四周均为悬挑钢架，最大悬挑达33.6m。

横向主桁架的弦杆及腹杆分别采用箱型、H型钢截面，桁架下弦主要通过剪刀墙，顶部固定铰支座及单向、双向滑动支座连接。径向次桁架分布于横向桁架间并采用四周悬挑形式，次桁架的弦杆及腹杆分别采用箱型、H型钢截面。单根杆件长度为8.4m。

因此，在安装过程中需要利用到大跨度悬挑钢结构安装技术，设计结构安装控制目标、确定具体的安装顺序和安全方法，明确安装过程中的内力情况、支撑胎架情况，确保施工过程安全。

二、工程前期准备环节

（一）工程特点

从该工程概况以及相关数据可以看出，该工程没有任何支撑，属于异型大跨度悬挑钢结构，从整体上看，外挑长度大、钢构件悬空布置，因此，需要利用支撑胎架进行施工。不仅如此，想要保证结构精度，就要对结构的起拱值、空间尺寸精度进行控制的，以此让异型结构状态稳定安全。在这样的工程特点下，施工过程中临时支撑胎架安装、卸载环节的重要性就凸现出来，可以利用软件建立三维试题模型，模拟建筑空间结构，确定具体的参数数值。

（二）控制目标

根据上文对该工程特点的分析，可知在实际施工过程中，在完成主体内框架安装后，就可以开始搭设临时支撑胎架，设定顺序安装悬挑部分的框架。在支撑胎架搭设的环节中，最重要的就是安装顺序和施工控制目标，一定要按照正确的顺序安装悬挑框架，最常见的就是混合吊装方法，将整体构件拼装、悬挂梁安装、整体构件吊装、零散构件吊装这几个方法结合在一起，完成临时支撑胎架的安装。在这个过程中，要对零散构件、整体构件的自重、位移、内力等参数进行控制，具体控制情况如下：第一是位移控制，位移不能够超过5mm，如果超过这一目标，就需要增加临时支撑，并且根据实际情况修改支撑刚度和支撑点位置，确保控制点位移满足要求。第二是内力控制，根据工程建筑使用的钢材，内力控制目标也各不相同，要针对这种钢材的轴力、弯矩、剪力进行监控，并且实时计算应力比，确定其没有超限。此外，在安装过程中，还要让构件活动端得到有效固定，避免出现施工构件屈曲失稳。

三、工程施工制作环节

（一）工程模拟计算模型

在大跨度悬挑钢结构安装技术中，工程模拟计算十分重要，直接关系到后续的施工工作，根据施工工程的具体信息，结合计算机技术，分析钢构件的内力信息，为后续工作奠定基础。本文应用的是SAP2000计算软件，进行建模计算，分析建筑的整体性能、弹性静力等内容。首先将截面属性、材料构件属性输入到各图层中，建立形成计算模型，所需要的参数涉及到材料强度以及不同混凝土截面、钢结构的箱型、工字型、异型等截面属性。需要注意的是楼层板不参与结构整体计算分析。其次，根据该大剧院的结构施工图确定基本荷载信息，包括：楼面荷载标准值、四层楼面最强承重区域、四层楼面加强承重区域、不上人屋面荷载标准值、上人屋面荷载标准值、种植屋面荷载标准值、玻璃幕墙自重标准值。最后，计算、对比、验算结构参数，保证安装过程的准确性，根据对比结构，判定结构的具体受力状态，同时对钢结构安装过程进行内力分析。

（二）设计制作支撑胎架

在完成工程模型建立，得到各控制点竖向位移结果、荷载信息的基础上，就可以设计制作支撑胎架，为工程建筑提供支撑。根据悬挑结构本身的结构形式和连接特点，在实际应用的过程中，布置了十二个的临时支撑点。在确定了临时支撑胎架支撑布置情况后，还要确定具体安装方法和安装顺序，根据现场布置情况以及吊车的吊装半径情况来看，该工业博物馆选择了混合吊装方法，将整体构件拼装、整体构件吊装、零散构件吊装这几个方法结合在一起，完成临时支撑胎架的安装。其中整体构件的吊装顺序，也要利用SAP2000这一软件进行分析，在整个施工过程中，尽可能的避免临时添加支撑胎架，从而得到最优安装顺序。

具体安装方案如下：1.主体结构安装施工；2.B轴临时支撑安装；3.吊装B轴第一悬挑桁架；4.桁架中间主钢梁、钢柱、斜撑安装；5.依次安装桁架轴间的钢梁、钢柱、斜撑；6.安装A轴临时支撑；7.吊装A轴第一悬挑桁架；8.重复第四、第五步骤；9.拆除A轴、B轴的临时支撑[1]。

（三）主要构件内力分析

根据上文对安装顺序的分析，最终确定了十六个安装步骤，其中包括了二十二个安装子步骤，利用SAP2000软件模拟安装过程的施工状态，确定每个子步骤安装完成后结构的内力信息。需要注意的是，主体框架的内力分析计算也不能够忽视，只有如此才能保证主体框架满足构件要求。通过具体计算表明，该工业博物馆施工过程中，钢梁安装安全，整体应力比始终维持在较低水平。利用模型模拟安装过程，得到每一个施工步骤完成状态下的结构内力和变形情况，对模型进行调整。

（四）支撑胎架卸载分析

结合上述施工方案可知，支撑胎架的卸载也是十分重要的环节，在卸载支撑胎架环节中，需要进行具体的计算分析，选择出最优卸载路径。以该工业博物馆为例，一共设置了十二个临时支撑胎架，根据胎架卸载优化

顺序，按照反力大小排序，首先卸载最大反力处，然后依次选取出最大反力胎架，一次性撤出胎架支撑，根据计算得到胎架反力情况，卸载顺序如下：T3→T5→T4→T10→T7→T8→T9→T11→T1→T2→T6→T12。在完成临时支撑胎架卸载后，还要计算胎架支撑点的下饶值、实际卸载完成后的下饶值，需要注意的是，在卸载临时支撑时，需要采用千斤顶对支撑点部位的杆件进行支撑，保证整个卸载过程中构件安全。

（五）工程施工结果分析

从该大剧院大跨度悬挑钢结构安装状态分析来看，在进行这种悬挑钢结构施工过程中，必须要充分分析建筑结构特点，确定具体施工方案和施工顺序，并且模拟施工过程，进行稳定性验算。同时，要利用临时支撑胎架保证施工安全，在安装卸载环节中，要利用计算机仿真软件，充分计算施工过程的内力、静力、发力、反力等参数，保证胎架安装、卸载方法顺序合理，保证卸载过程安全[2]。

本工程钢结构预埋件埋设与土建地下室底板施工同步进行，底板混凝土浇注前、后均对预埋件轴线位置进行了复核，均符合设计和规范要求。钢柱安装施工中，对柱脚定位、柱身垂直度、柱顶标高等进行了复测。针对钢结构柱脚焊缝高度较大，在焊接过程中柱身垂直度及柱顶标高宜受焊缝收缩变形影响的情况，在焊接过程中，对柱身垂直度进行测量监控。

本工程屋面钢结构采用累计滑移、整体卸载的施工方案。该滑移施工方案在正式实施前，业主、设计、监理多次组织方案论证会，并聘请钢结构专家对该方案的安全性、可操作性、经济性等进行了反复讨论和论证。每次滑移前，监理要求钢结构施工方必须经总监签署“滑移令”后方可进行滑移施工，并对钢结构拼装、焊接质量、滑移轨道梁安装、临时支撑安装及滑移设备检查围护等情况进行检查、验收。

四、工程施工实际案例

以某大学的综合楼工程为例，该综合楼的主体部位全部采用了钢结构，高度达38.85m，核心筒采用了14根落地钢管混凝土柱作为支撑，整体结构中最大悬挑长度为23.5m。该项目的建筑总面积为4200㎡，作为大学中的标志性建筑，对综合楼的建筑要求较高。从该建筑结构的实际情况来看，这是一种典型的特大跨度悬挑钢结构，结构复杂、这种高碗部大跨度悬挑钢结构也是异型结构的一种，在精度控制、施工安全上都较为重要。其中最复杂的是临时支撑卸载环节，卸载的时间、顺序、方法都需要得到重视，最终该施工工程分为了六个阶段，第一，主体钢结构安装；第二，第一次临时胎架卸载；第三，五六层楼板浇筑；第四，二次临时胎架卸载；第五，剩余楼板浇筑；第六，临时胎架完全卸载。从该施工方案中可以看出，为了保证建筑强度满足设计要求，采用了分级卸载的方式，确保所有楼层的混凝土强度均达到85%，保证整个建筑结构的强度安全。三个卸载阶段的卸载级别各不相同，分别为：六级卸载、三级卸载、一级卸载，以此实现结构的完全卸载。总的来说，想要保证卸载过程的安全，就要在卸载前后，仔细检测安装情况以及焊接质量，包括垂直度、变形情况、标高等参数，还要确定安全保障措施，一旦发现安全隐患，立即组织整改，重新检查确认情况无误后，才能够进行后续施工。

除了卸载环节之外，施工控制技术十分重要，在施工中精确定位问题十分重要，该工程中使用了节点控制法，利用计算机软件建立测量控制网，对主要构件和非主要构件进行控制，同时根据CAD计算机技术进行辅助设计，监督整体高碗部的构件情况[3]。该综合楼为了不影响后续施工作业，结合工程建筑团队的实际资源情况，选择了高空散装法，这种散装法可以有效减少的悬挑构件对结构产生的影响，按照先内后外的安装顺序，首先安装内部钢构件，然后安装临时支撑柱和外部钢构件，最终安装除了支撑之外的其他临时钢构件。同样采用了SAP2000对各安装阶段进行安全控制、验算，分析不同构件的安全性，确保结构满足安装要求。除此之外，考虑到自重荷载、风荷载的作用，还进一步分析了结构安装完后的稳定性，根据结构应力比计算结果，判断结构的是否处于安全状态。通过这一案例可知，大跨度悬挑钢结构安装技术在一些复杂结构施工中具有良好的安装效果。

总结：综上所述，借助实际的建筑工程钢结构施工方式，对大跨度悬挑钢结构安装技术进行分析后，得到了以下几种结论。首先要分析建筑结构特点，从而确定具体的施工方案和施工顺序，其次要对结构进行稳定性验算以及静力、内力分析，最后还要计算胎架安装的发力、反力和，保证胎架卸载安全，继而保证结构施工安全。

参考文献：

[1]何静.大跨度钢结构屋盖安装施工技术的应用研究[J].山东工业技术，2019（09）：116+112.

[2]杨浩.大跨度厂房钢结构施工安装技术[J].山东工业技术，2019（01）：112.

[3]张克胜，赵保元.卡宾达大学综合楼高碗部大跨悬挑钢结构施工技术[J].施工技术，2018，47（15）：110-114.

【作者简介】李文华（1965—）男，大学本科，工程师，国家注册监理工程师。联系地址：上海市凯旋路3131号明申中心大夏11、27层（200030）。