大跨度钢管桁架高空安装方案探讨

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摘要：本文通过对龙吟广场大跨度钢管桁架安装方案的分析比较，指出了整体提升和分片提升两种方案在这个工程当中各自的优点和难点，并指出两种方案的顺利实施的关键点。

关键词：整体提升 分片提升 钢管桁架

中图分类号：TU745.2 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2013）01-0004-2

整体提升和分片提升是大跨度空间结构施工中的两种常用方法。（1）整体提升是采用柔性钢绞线承重、提升油缸集群、计算机控制、液压同步提升新原理，结合现代化施工工艺，将构件在地面拼装后，整体提升到预定位置安装就位，实现大吨位、大跨度、大面积的超大型构件超高空整体同步提升的一种施工方法。该技术已经先后应用于上海东方明珠广播电视塔钢天线桅杆超高空整体提升、北京西客站主站房1800t钢门楼整体提升、北京首都机场四机位库整体提升等一系列重大建设工程，获得了成功，取得了显著的经济效益和社会效益。（2）分片提升施工方法一般是由于提升设备，场地以及工作平台的限制而因地制宜采取的一种灵活的施工方法。它是将部分构件在地面拼装后，用千斤顶或其他的提升或顶升设备提升到预定位置安装就位。然后再以其为施工平台，继续提升其它构件，在高空进行焊接，直至整个结构安装完成。

1.工程简介

本工程为江苏创宁实业发展有限公司新建的龙吟广场，16层屋顶花园上部的管桁架钢结构工程。工作面平面尺寸38.6m（6～16轴线）×38.0m（E～Q轴线），屋顶标高54.0m，桁架顶标高103.6m，桁架柱（ZHJ）净高度49.6（54m～103.6m）。总平面见图1。施工工作面在高空作业，构件的吊装、安装、焊接，脚手架的搭设等工作都有较大的难度。ZHJ（16轴与E轴交会点）距施工现场两部塔吊为最远吊装点。单台塔吊最大起重量为2吨，无法进行多节分段吊装。

2.施工方案分析

由于上述工程的难点与特点，考虑两种安装方案：1）整体提升；2）分片提升，高空焊接。下面就两种方案的特点分别论述。

2.1整体提升法

在16层顶安装胎架，再拼接主次桁架，柱子周边搭设一定高度的提升支架，在屋顶和提升架顶部设置提升点，边提升边将柱子接长，与屋面管桁架的提升同步进行，如图2所示。采用计算机控制液压同步技术整体提升，各吊点最大不同步间距控制在3cm以内，吊至预定位置以后进行拼接。

为了确保提升的安全和稳定性，沿已建结构布置相应的滑轨，使桁架的提升始终沿着滑轨进行，不出现桁架的整体扭转。此外，为防止屋盖向外倾斜，从主体结构上（+103.600m）设置倒缆风绳拉住提升的屋面管桁架，缆风绳随着屋面管桁架的提升逐步收紧。

工艺流程：（1）在16层屋面安装胎架。（2）管桁架、提升架安装。（3）液压控制同步整体提升。（4）每升到一定高度，进行柱子安装，继续提升。（5）提升到设计标高，与屋顶原有结构进行连接

2.1.1施工计算

整个屋盖的提升过程是动态连续的，为便于分析，只取其中的几个中间过程，采用静力分析，考察各个提升点的反力。另外，把各个提升点当作三向铰结处理，柱子分别用三个千斤顶进行顶升（提升点布置见图4，1～3为柱提升点，4～15为屋盖提升点）。根据柱子安装阶段的不同，取四个工进行分析计算。（工况一：安装两个柱节间； 工况二：安装五个柱节间； 工况三：安装十个柱节间； 工况四：安装全部柱节间。）

结果分析：（1）屋盖提升点受力在提升过程中变化不大，但主桁架呈扭转趋势，两个吊点受力差异较大。屋盖结构有向内倾倒的趋势，使得主桁架HJ1和HJ2产生较大的轴向力，最大达200kN，这将使滑轨产生很大的变形，较大的摩擦力，给提升带来很大的麻烦。次桁架吊点受力相差不大。（2）柱子提升点的受力不均匀，但有规律。开始提升时，提升点1受力最大，其它两个提升点受力很小；随着屋盖和柱子的升高，提升点1的受力越来越小，点2和点3的受力则相应变大；到了最后阶段，三个提升点的受力就比较均匀。（3）提升过程当中，结构的最大等效应力约为136.4MPa～139.4 MPa，应力较小，满足要求。

2.1.2 分析小结

整体提升法具有施工速度快，高空焊接量少，焊接质量高等优点，但因为本工程结构自身的不对称性，钢桁架在整体提升过程中扭转的趋势较大，如控制不当，可能会出现较大的整体扭转，而且柱子的提升力很不均匀。另外整个提升过程对各吊点同步性要求较高，施工难度较大。

2.2 分片提升法

首先将柱子先施工到设计标高，在柱顶设置提升支架，分别提升安装HJ-1和HJ-2，然后再整体提升由HJ-3和HJ-4拼装组成的次桁架。

工艺流程：（1）安装角柱施工平台，提升、安装角柱；（2）角柱顶和6轴顶提升架安装；（3）HJ-1拼装，吊装，高空连接；（4）角柱顶和Q轴顶提升架安装；（5）HJ-2拼装，吊装，高空连接；（6）次桁架拼装，整体吊装，高空连接。

柱子在施工阶段处于悬臂状态，受力较为不利，但由于柱子截面较大，设计中保留的安全度足够大，经计算，柱子在悬臂的状态下有足够的安全系数。

2.2.1 HJ-1的吊装计算

HJ-1吊装时，柱子处于悬臂状态，顶端没有约束。施工时对柱顶的扰动将对整个柱子的承载力和整体稳定性产生很不利的影响。因此，对于整个吊装过程来讲，此阶段是最不利的。故在计算分析中，不但计算了与实际吊装情况相符合的柱子在偏心受压的状态（工况一）下的内力及变形，还专门增加了一种在实际情况下不大可能出现的工况二：柱顶受有侧向2吨的扰动。借此来查看柱子在意外冲击荷载下的受力及变形。

从分析结果来看，工况一时整个柱子没有出现弯曲失稳现象。柱子的大部分结构的变形都在7mm以下，并且基本为竖向变形，水平位移很小。整个柱子的三根主要承重构件：三根竖杆都为压力，越往下所受的压力越大，从18t逐步增大到28t。都在柱杆件的承载能力范围之内。

工况二时，整个柱子的变形较大，柱子的大部分区域位移都在30mm以上。整个柱子主要承重的三根竖杆内力与工况一时的有了很大的变化，从原来的三根受压变为现在的两根受压、一根受拉。最大的轴力从原来的28t增大到现在的67t。柱底受拉柱的轴力也达到了22t，但都在柱杆件的承载能力范围之内。因此，柱子在吊装HJ-1时是安全的。

2.2.2 HJ-2的吊装计算

HJ-2的提升是在HJ-1安装就位后进行，此时柱子已经不是完全的悬臂，而是有了HJ-1的支撑限位，柱子的整体稳定性大大优于提升HJ-1时，因此HJ-2的提升相对比较容易。

整个柱子及桁架在吊装时没有出现弯曲失稳现象。HJ-1的跨中变形比较大。在5～7mm之间。柱子的变形都在4mm以下，基本上为竖向变形。结构的构件轴向拉力最大出现在了HJ-1与主体结构连接处的上弦杆。作为承重的柱子三根竖杆都为压力，越往下所受的压力越大，最大压力比提升HJ-1时有了提高，约为34t。但所有杆件的应力远小于设计最大应力，因此，HJ-2的吊装也是安全的。

2.2.3 次桁架的吊装计算

次桁架由HJ-3和HJ-4拼装组成，纵横向共有8榀。待主桁架吊装完成后，在相应次桁架端部上方主体结构和主桁架上设16个起吊支架，用千斤顶同时起吊次桁架（如图5示）。由于次桁架吊装的过程中吊点比较多，不同步现象极有可能发生。考虑到次桁架不同步的不同工况，选择了最不利吊装情况时的吊索力对主桁架及柱子进行验算。此时，结构的最大位移出现在两榀主桁架的跨中部分，最大位移量为27mm，两榀主桁架同时由于扭矩的作用向内弯曲。最大轴力出现在桁架同主体结合部的上弦和下弦，最大的拉压轴力都在60t左右。桁架的受力及变形都比较大，但还没有达到极限承载力，整个结构处于稳定状态。可以保证次桁架的提升。但当次桁架提升严重不同步时，主桁架受力点的承载力将不能保证。所以，次桁架提升顺利完成的关键是要保证16个吊点的同步提升。

3.两种方案的比较

方案一，整体提升。由于是主要是在屋面拼接，焊接质量容易保证。但是，由于整个桁架一起提升，而且提升过程中结构的重心与刚度中心不重合，整个桁架在提升过程中有整体扭转的趋势，柱子处的提升架受力偏大而且不均匀。角柱提升架由于空间限制，搭设比较困难。另外整个提升过程对同步性要求较高，施工难度较大，同步控制是方案一顺利实施的关键所在。

方案二，分片提升。这种施工方案免去了方案一中角柱提升架没有操作空间的窘境，将柱子单独施工，解决了操作空间的问题。而且，由于两榀主桁架分别单独吊装，柱子在施工阶段的受力比方案一有了很大的改善，施工安全度得到提高，受力途径明确。而且对同步性要求相对较低。但是HJ-1和HJ-2以及次桁架的就位安装全部在100多米的高空中进行，焊接质量的保证是一个关键点。

4.结论

本文通过此工程屋面钢桁架施工的两个方案的比较分析，指出了两种安装方法各自的优缺点以及注意事项。在实际工程中，对一项任务的完成往往都有不止一种的途径，但决没有哪一种途径是完美的，应该权衡各种方案的利弊，最后综合评定出一种比较合适的解决问题的方法，想办法克服其缺点，得到具有最大期望值的方法。

对于本工程，笔者建议采用第二种方案进行屋面钢桁架的安装。虽然方案二是分多次提升，高空的焊接点比较多，但从柱子、主桁架到次桁架的受力均小于方案一，对提升设备的需求也没有方案一严格。因此，综合考虑施工过程的安装难度，施工的经济性和安全性等方面的因素，方案二要优于方案一。

参考文献

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[4]张希黔，黄声享。建筑施工中的新技术[M]，中国建筑工业出版社，2005年01月01日