王平,劉上鑫,吳碧蓮,郭永旺,涂魏矯
(北京建工四建工程建設(shè)有限公司,北京 110103)
隨著經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展,體育場館建設(shè)越來越多,由于要滿足各種體育活動的需求,設(shè)計(jì)常采用大跨度鋼梁來提升空間,這對施工技術(shù)提出了更高的要求。針對大跨度鋼梁安裝提出“構(gòu)件高空散裝+支撐鋼架+支撐鋼架移動軌道”的吊裝方法,預(yù)先制定出吊裝施工的具體專項(xiàng)方案,并對其可行性與安全性進(jìn)行論證,是施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵步驟。國內(nèi)外許多專家與學(xué)者對大跨度鋼梁的安裝做了深入研究,取得了大量研究成果,本文基于實(shí)際項(xiàng)目對大跨度H型以及箱型鋼梁的吊裝施工技術(shù)進(jìn)行分析。
項(xiàng)目工程位于北京市豐臺區(qū)花鄉(xiāng)鎮(zhèn)樊家村,南側(cè)臨近馬草河,東側(cè)臨近郭公莊路,北側(cè)為康辛路,其中8#樓單體為框架結(jié)構(gòu)的體育館,建筑高度為36m。項(xiàng)目二、六層為大跨H型鋼梁和箱型鋼梁,H鋼梁規(guī)格為H1900x650x36x36,箱型鋼梁規(guī)格為□1600x400x30x30,鋼梁跨度為32.2m;二層與四層大跨鋼梁共26根,其中H鋼梁分為4段,箱型鋼梁分為5段,二層大廳高13.8m,四層大廳高10.9m。二、四層大跨鋼梁平面布置圖如圖1所示。
圖1 二、四層大跨鋼梁平面布置圖
(1)二層、四層鋼梁跨度為32.2m,受運(yùn)輸與吊重限制需合理分段,現(xiàn)場對接精度要求高。
(2)鋼梁自重較大,鋼梁在自重和其他荷載下會出現(xiàn)下?lián)系默F(xiàn)象。
(3)在塔吊使用受限制的情況下需注意安全移動支撐架的問題。
(4)鋼結(jié)構(gòu)主要的連接方式為焊接,大量運(yùn)用會引起構(gòu)件變形。
大跨鋼梁的施工方法有很多,主流的有:高空原位安裝技術(shù)[1]、單根鋼梁提升技術(shù)、提升結(jié)合滑移安裝技術(shù)[2]等。根據(jù)工程實(shí)際情況,體育館的四周未回填,不宜使用汽車吊,而塔吊最大起重參數(shù)為10t,綜合這些情況,施工現(xiàn)場采用高空散裝的施工技術(shù)。吊裝施工流程如下:放置臨時(shí)安裝措施架→綁扎起吊→穿入安裝螺栓→測量調(diào)整鋼梁標(biāo)高(中間段起拱)→用高強(qiáng)螺栓替換安裝螺栓→高強(qiáng)螺栓終擰→鋼梁焊接→鋼梁超聲波探傷(探傷合格)→臨時(shí)安裝措施架移除。
施工過程充分結(jié)合BIM施工過程模擬情況,在大梁斷開處設(shè)置臨時(shí)支撐架;臨時(shí)支撐架由工字鋼通過大六角螺栓和焊接的方式組裝而成,支撐底部為鉸接鏈接,節(jié)間鏈接為剛接。構(gòu)件材質(zhì)均為Q235B,立柱和橫梁均為H200x100x6x10,斜向撐桿為L75x5。其規(guī)格為2000mm x2000mm的井字架,高度為8.78m和9.08m。支撐架井字架構(gòu)造圖[3]如圖2所示。
圖2 支撐架井字架構(gòu)造圖
大跨度鋼梁安裝中,臨時(shí)支撐架作為鋼梁重力的承載架,需要把鋼梁的重量均勻傳遞到混凝土樓板上,同時(shí)支撐架在樓板上需按指定路線移動,在井字架下方添加移動導(dǎo)軌,使用卷揚(yáng)機(jī)固定在前方柱子上,拉動支撐架在導(dǎo)軌上移動,并用塔吊扶著支撐架,防止支撐架傾斜。
在與支撐架移動的平行方向焊接槽鋼,槽鋼開口朝上,以避免移動時(shí)支撐架與混凝土樓面產(chǎn)生較大摩擦,同時(shí)也有利于在承受荷載時(shí)分散荷載,保證結(jié)構(gòu)的安全性。支撐架一共設(shè)置10個(gè),采用流水式施工方法。當(dāng)一根鋼梁安裝完成24小時(shí)后進(jìn)行探傷檢測,檢測合格后卸載,再移動支撐架進(jìn)行下一組鋼梁的安裝,循環(huán)往復(fù),每層大跨鋼梁(13根鋼梁)的安裝用時(shí)15天即可安裝完成。臨時(shí)支撐架的安裝布置圖如圖3所示。
圖3 臨時(shí)支撐架平面圖
受場地影響,200t以下汽車以及大型吊車均不能滿足現(xiàn)場起吊鋼梁要求,故采用6#號塔式起重機(jī)(C7050),8#樓體育場范圍全覆蓋。塔式起重機(jī)塔尖最大起吊重量為15t,構(gòu)件最大重量為10t,滿足使用要求。
鋼梁吊裝的過程為從北向南依次進(jìn)行吊裝。為確保鋼梁拼裝成一條直線,采用水準(zhǔn)儀測量腹板南北方向是否在同一條直線上;鋼梁高度位置采用全站儀進(jìn)行測量調(diào)整,鋼梁就位后不摘鉤,進(jìn)行鋼梁的標(biāo)高調(diào)整;調(diào)整完畢后,用角鐵將鋼梁下翼緣與支撐架固定,防止在拼裝下一段鋼梁時(shí)發(fā)生移位。
由于鋼梁采用現(xiàn)場安裝焊接,跨度較大且每根自重達(dá)32t,且鋼梁上還有120mm的鋼勁混凝土,考慮到鋼梁會因?yàn)楹奢d的原因出現(xiàn)下?lián)锨闆r,為避免鋼梁在受到自重與混凝土的重量影響下而出現(xiàn)下?lián)系默F(xiàn)象,鋼梁在安裝時(shí)應(yīng)采取預(yù)起拱的措施,預(yù)起拱高為2cm;起拱位置為鋼梁長度方向的中間位置,鋼梁上翼緣整體呈弧線形,最高位置與最低位置高差為2cm。
計(jì)算荷載模型假定該工程支撐架上部承受總計(jì)8t的鋼梁荷載,分?jǐn)傇陧敳克母鶛M梁上,每根承受20000N荷載,另外考慮了臨時(shí)支撐各構(gòu)件自重荷載。分析分為兩種情況:(1)不考慮風(fēng)荷載;(2)考慮風(fēng)荷載。北京地區(qū)基本風(fēng)壓為0.35kN/m2,分布于立柱上,則正面線荷載為0.8×0.35×2.2/2=0.3kN/m;背面線荷載為0.5×0.35×2.2/2=0.2kN/m,分左風(fēng)和正面風(fēng)分別施加,并與上端面荷載組合1.3D+1.5W。
3.5.1 不考慮風(fēng)荷載
(1)SAP2000計(jì)算結(jié)果
變形結(jié)果:頂部變形最大,其中頂部橫梁變形最大為1.36mm,小于橫梁彈性變形限值2200/400=5.5mm;其他構(gòu)件變形均小于1mm,滿足要求,如圖4所示。
應(yīng)力計(jì)算結(jié)果:頂部應(yīng)力最大,橫梁最大應(yīng)力為53.38MPa,立柱最大應(yīng)力為29.15MPa,斜撐最大應(yīng)力為20.2MPa,均小于Q235B的設(shè)計(jì)應(yīng)力205MPa,滿足要求,如圖5所示。
圖5 支撐架失效模型
(2)節(jié)點(diǎn)中間支座純剪切計(jì)算
3.5.2 考慮風(fēng)荷載
(1)SAP2000計(jì)算結(jié)果
變形結(jié)果:頂部變形最大,無論X向還是Y向均沿垂直于支撐所在面的方向發(fā)生側(cè)移,最大可達(dá)10mm。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果:頂部應(yīng)力最大,橫梁最大應(yīng)力65.77MPa,立柱最大應(yīng)力32.76MPa,斜撐最大應(yīng)力25.57MPa,均小于Q235B的設(shè)計(jì)應(yīng)力205MPa,滿足要求,如圖6、圖7所示。
圖6 支撐架失效模型圖
圖7 支撐架失效時(shí)水平偏移
(2)手算節(jié)點(diǎn)
根據(jù)構(gòu)件內(nèi)里分析,1.3D+1.5XW,支座部位鋼柱均受壓,最大剪力5190N,最大壓力65925N;1.3D+1.5YW,支座部位鋼柱均受壓,最大剪力4928N,最大壓力67778N。則根據(jù)計(jì)算假定,一個(gè)S10.9級高強(qiáng)螺栓規(guī)格為M20,摩擦系數(shù)0.4,得155000×0.9×1×0.4=55800N,因此每個(gè)柱腳至少需要1個(gè)高強(qiáng)螺栓。
支撐架在施工過程中最大受力狀態(tài)下的變形模擬如圖8。
圖8 受力云圖
針對泵工程焊接需求,采用“手工電弧焊+二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊”的組合焊接方法。由于二氧化碳保護(hù)焊焊絲較細(xì),電流較大,熱量集中,熱影響區(qū)較窄,焊接變形較小,故二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊主要運(yùn)用于焊縫的正式焊接[4]。焊接時(shí)嚴(yán)格按照工藝評定的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接施工,鋼梁截面較大的位置采用2人對稱焊接的方式,同時(shí)施工前必須預(yù)熱以減少應(yīng)力產(chǎn)生。焊接順序?yàn)橛杀毕蚰弦来芜M(jìn)行焊接,有利于焊接應(yīng)力的釋放,同時(shí)鋼梁的兩端與鋼柱連接采取鉸接的方式進(jìn)行連接,此設(shè)計(jì)有利于減少焊接應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響。
鋼梁卸載前,焊縫必須進(jìn)行超聲波探傷,合格之后再卸載。卸載之后進(jìn)行標(biāo)高復(fù)測,觀測鋼梁復(fù)位情況,卸載之后還有一定的起拱量,這是因?yàn)闃前寤炷吝€未打,所以還存在起拱量;當(dāng)混凝土樓板澆筑完之后,再次進(jìn)行鋼梁的標(biāo)高測定。
鋼結(jié)構(gòu)施工前期采用Tekla進(jìn)行構(gòu)件深化,通過三維軟件進(jìn)行可視化交底。施工過程中運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行施工模擬,更好地對“構(gòu)件高空散裝+支撐鋼架+支撐鋼架移動軌道”的吊裝方法進(jìn)行驗(yàn)證,及時(shí)更改方案中不合理的施工方法以及施工工序,從而有效控制施工成本,同時(shí)在結(jié)算過程中更能精確導(dǎo)出各種鋼材的使用量,從而降低預(yù)算人員因?yàn)橛?jì)算原因造成的額外損失。
與采用大型塔吊、吊車相比,采用“構(gòu)件高空散裝+支撐鋼架+支撐鋼架移動軌道”進(jìn)行散拼可以節(jié)約大量資金。大跨度鋼梁一共26根,在整個(gè)單體建筑中所占吊次較少,故采用設(shè)立大型塔吊的方式不合理;由于場地限制,可設(shè)立吊車位置距離安裝大跨度鋼梁的位置較遠(yuǎn),要滿足吊裝鋼梁的需求,只能使用500t吊車,而采用支撐架進(jìn)行施工,可節(jié)約高昂的施工機(jī)具費(fèi)用。本技術(shù)與采用大型塔吊、吊車的費(fèi)用分析見表1。
表1 經(jīng)濟(jì)分析表
在實(shí)際施工過程中采用高空散拼進(jìn)行大跨度鋼梁安裝的方法比較傳統(tǒng),在施工工期較短、施工場地受限的施工場景中,運(yùn)用支撐架輔助進(jìn)行散拼的施工方法在施工項(xiàng)目中依然較為常見。在大跨度H型以及箱型鋼梁廣泛運(yùn)用于體育場、商場等公共建筑中的情況下,通過對“構(gòu)件高空散裝+支撐鋼架+支撐鋼架移動軌道”的施工技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié),可為以后大跨度H型以及箱型鋼梁的吊裝施工提供相應(yīng)的技術(shù)參考。