夏彬，崔杰，曹旭，孫勇，李文歡 （中建二局安裝工程有限公司，北京 100000）

0 引言

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不同，鋼結(jié)構(gòu)具有快速施工、自重輕、高強度和節(jié)段拼裝的優(yōu)點，在大跨度結(jié)構(gòu)、工業(yè)廠房、大型車站和飛機場中得到廣泛的運用[1]。隨著結(jié)構(gòu)力學(xué)理論的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的形態(tài)也日趨復(fù)雜，朝著大跨度和輕量化的方向發(fā)展，對結(jié)構(gòu)施工安裝精度的控制要求也日益嚴(yán)格。因此，對于鋼結(jié)構(gòu)的吊裝而言，其過程中的受力特性呈現(xiàn)明顯的空間特性，需要對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)和變形作更為精細(xì)的分析[2]。在目前計算軟件技術(shù)的發(fā)展下，設(shè)計人員能夠應(yīng)對更為復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)三維應(yīng)力狀態(tài)計算，以滿足結(jié)構(gòu)安裝過程中構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變要求以及設(shè)備和整體結(jié)構(gòu)的問題定性要求[3]。

1 工程概況

某項目標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)工程為標(biāo)準(zhǔn)化廠房，共計6 座廠房。廠房的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝具有一定的復(fù)雜性，這是因為廠房的跨度和長度較大，6 座廠房跨度均為32m，其中1#、2#、3#、4#廠房長132m，5#、6#廠房長120m，吊裝高度為8.5m，屬于危險性較大的分部分項工程。對鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工的仿真計算以32m 跨度廠房為計算模型，1#-6#廠房跨度為32m，柱距6m，邊柱頂標(biāo)高8.5m，建筑面積4224m2，廠房由GJ1和GJ2兩種鋼架組成。其中GJ1 鋼架有兩榀，GJ2 鋼架有21 榀，GJ1 鋼架鋼柱之間設(shè)置有抗風(fēng)柱，GJ2 鋼架設(shè)置有中柱，跨距大，安裝難度大，安裝過程中的質(zhì)量和安全控制尤為重要。鋼架立面布置如圖1 所示。

圖1 中間跨鋼架立面圖

2 鋼結(jié)構(gòu)吊裝就位及固定施工技術(shù)

2.1 鋼架構(gòu)件吊裝就位技術(shù)措施

鋼柱及鋼架梁的安裝均用25t 吊車進(jìn)行吊裝，安裝的順序是先從左至右依次完成兩側(cè)鋼柱的吊裝，再從左至右依次按順序完成鋼架梁的吊裝，如圖2、圖3 所示。鋼柱采用捆綁法進(jìn)行吊裝，吊點位置采用一點正吊的吊裝方式，吊點設(shè)置在柱頂處，柱身豎直，吊點通過柱重心位置[4]。在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的起吊前，應(yīng)對起吊過程的技術(shù)人員進(jìn)行詳細(xì)的分工和技術(shù)交底，為確保任意步驟的安全，按照設(shè)定的吊裝程序進(jìn)行工作狀態(tài)檢查，并且起吊技術(shù)人員應(yīng)按照統(tǒng)一的指揮信號進(jìn)行施作。在確保構(gòu)件綁扎和設(shè)備運轉(zhuǎn)一切正常后，應(yīng)進(jìn)行試吊，具體操作方法是指揮人員按照預(yù)定的動作發(fā)出起吊命令，起吊技術(shù)人員發(fā)動吊車，緩慢地將構(gòu)件抬升至離地面20cm 位置，隨后指揮人員對起吊技術(shù)人員發(fā)起停止起吊命令，將構(gòu)件懸停，然后構(gòu)件、吊裝設(shè)備和操作流程進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)核查，以保證后續(xù)吊裝具有萬無一失的安全性。在檢查完畢后，起吊技術(shù)人員再次啟動吊車，將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件提升到設(shè)定的安裝高度。在提升的過程中，為保證構(gòu)件不會隨著設(shè)備的晃動或者風(fēng)荷載的作用而產(chǎn)生晃動，在鋼構(gòu)件的兩端采用白棕繩進(jìn)行平衡控制，通過松緊伸縮控制構(gòu)件在空中的姿態(tài)，維持水平狀態(tài)的上升趨勢，并避免鋼構(gòu)件在抬升過程中與其他物件發(fā)生碰撞和摩擦[5]。

圖2 廠房兩側(cè)鋼框柱吊裝示意圖

圖3 屋面鋼架梁吊裝示意圖

構(gòu)件到達(dá)安裝位置時，指揮吊車司機緩慢地下降鋼架，使鋼架能平衡地落在指定安裝位置上，并用全站儀配合經(jīng)緯儀進(jìn)行測量、調(diào)整校正，使其達(dá)到設(shè)計要求。最后經(jīng)質(zhì)量、安全檢查，確認(rèn)符合要求后才可以落鉤。施工時用的全站儀、經(jīng)緯儀、鋼卷尺等計量器具必須經(jīng)計量檢驗部門計量檢定并保證在檢定有效期內(nèi)使用，以保證構(gòu)件尺寸檢驗的統(tǒng)一、準(zhǔn)確[6]。

2.2 構(gòu)件吊裝就位固定技術(shù)措施

鋼柱為豎向承載構(gòu)件，其連接固定的方式主要是通過螺栓錨固連接。具體的操作方式是在廠房基礎(chǔ)上預(yù)先埋設(shè)地腳螺栓，然后按照水平起吊方式將鋼柱抬起，并在柱腳離開地面大約30～40cm時，逐步調(diào)整鋼柱頂部吊點，使鋼柱緩慢豎立起來，并逐步下放鋼柱，使得鋼柱的安裝螺栓孔與基礎(chǔ)上預(yù)埋的地腳螺栓對齊吻合，四面兼顧，不斷調(diào)整吊繩的力度使鋼柱逐步就位，并采用人工輔助的方法使鋼柱與廠房基礎(chǔ)兩者的定位線基本保持一致，另外，還需借助測量設(shè)備對鋼柱的垂直度進(jìn)行控制，保證豎向的偏差不會超過20cm，以避免鋼柱的傾斜失穩(wěn)，復(fù)核完成后再將螺栓擰緊臨時固定，即可脫鉤。

完成所有鋼柱的就位安裝后，需采取一定的連接措施將柱子間進(jìn)行支持，使柱網(wǎng)形成具有一定穩(wěn)定度的排架，以增強其局部穩(wěn)定性。隨后吊裝第一榀鋼梁，將其與鋼柱進(jìn)行臨時連接，并采用纜風(fēng)繩將其系緊以起到加固鋼梁的目的，在起吊和安裝第二榀鋼梁后，為了將鋼梁與鋼梁之間、鋼梁與鋼柱之間及時形成封閉的受力構(gòu)件，可采取一定的加固措施，將安裝好的鋼梁之間采用系桿進(jìn)行連接，起到支撐和穩(wěn)定的作用，在隨后的其余鋼梁吊裝和安裝時，也可以采取類似的加固方法，直至鋼梁安裝完成[7-8]。

為了保持鋼柱的穩(wěn)定性，采用纜風(fēng)繩進(jìn)行鋼柱的牽引和平衡。如圖4 所示，纜風(fēng)繩采用鋼絲繩，直徑不小于9.3mm。地面錨固纜風(fēng)繩應(yīng)采用與鋼絲繩拉力相適應(yīng)的地錨，采用平行打入兩根鋼管，水平相距1.0m 左右，入土深度1.0～1.7m，上部用橫管及扣件鎖住，使兩管同時受力共同工作。

圖4 纜風(fēng)繩固定示意圖

3 鋼結(jié)構(gòu)施工仿真計算分析

3.1 三維鋼結(jié)構(gòu)仿真模型的建立

鋼結(jié)構(gòu)工程為標(biāo)準(zhǔn)化廠房，施工模擬以32m 跨度1#-6#廠房進(jìn)行計算。為保證計算結(jié)果與實際施工的一致性，按照實際的安裝工藝和施工順序進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)受力的最不利分析。鋼結(jié)構(gòu)安裝總體思路為構(gòu)件運輸至現(xiàn)場，先進(jìn)行兩側(cè)鋼柱的吊裝，使用一臺25t 吊車；屋架鋼梁運輸至現(xiàn)場后，現(xiàn)場組裝成人字鋼架，擬采用“高空主鋼架單榀整體吊裝”的施工方案進(jìn)行吊裝?？傮w施工順序為先吊裝鋼框柱，對鋼柱進(jìn)行固定，再進(jìn)行鋼架梁的整體吊裝，先吊裝GJ2鋼架，再吊裝GJ1 鋼架及廠房兩端抗風(fēng)柱。采用結(jié)構(gòu)有限元設(shè)計軟件SAP 2000 建立三維鋼結(jié)構(gòu)仿真模型，如圖5所示。

圖5 三維鋼結(jié)構(gòu)仿真模型

3.2 鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工時應(yīng)力和變形

圖6 為鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工時的應(yīng)力和變形數(shù)值模擬結(jié)果。從圖6（a）中可以看出，在選取的350 個計算節(jié)點中，鋼柱的應(yīng)力比和鋼架梁的應(yīng)力比基本相近，應(yīng)力比均小于1.0，最大鋼柱應(yīng)力比為0.693，最小鋼柱應(yīng)力比為0.001，平均鋼柱應(yīng)力比為0.344，經(jīng)換算得到最大鋼柱應(yīng)力為162.8MPa，小于Q235 鋼材的屈服強度，鋼架梁的最大鋼柱應(yīng)力比為0.695，最小鋼柱應(yīng)力比為0.021，平均鋼柱應(yīng)力比為0.301，經(jīng)換算得到最大應(yīng)力值為163.3MPa，小于Q235 鋼材的屈服強度。從圖6（b）中可以看出，整體而言在選取的350 個計算節(jié)點中，鋼柱的位移小于鋼架梁的位移，鋼柱的位移最大值為0.988mm，最小值為0.505mm，平均值為0.787mm，鋼架梁的位移最大值為1.966mm，最小值為0.725mm，平均值為1.335mm，鋼架梁的位移平均值約為鋼柱的位移平均值的2.0倍。

圖6 三維鋼結(jié)構(gòu)仿真計算結(jié)果

3.3 鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工驗算

鋼結(jié)構(gòu)的吊裝分為鋼柱吊裝和鋼架梁吊裝，采用的吊裝設(shè)備為25t 單機吊車，各個構(gòu)件單元的重量如圖表1所示。

表1 鋼結(jié)構(gòu)吊裝數(shù)據(jù)一覽表

以鋼架梁為吊裝計算載荷可以按公式（1）所示進(jìn)行計算：

式中，k1為動載荷系數(shù)（1.5），Q 為吊裝載荷57kN。計算得出Qj=1.5×57kN=85.5kN。

根據(jù)現(xiàn)場情況，吊車工作回轉(zhuǎn)半徑為7.5m，屋面剛架梁頂標(biāo)高8.0～9.8m，吊索及吊裝間隙高度4m，吊裝高度9.8+4=13.8m，吊臂伸長=（7.52）0.5+13.82=15.95m，查表臂長17.3m 時，回轉(zhuǎn)半徑7.5m 時，25t 單臺吊車額定載荷為91kN。

由此得出25t 吊車額定載荷91kN＞吊裝計算載荷85.5kN。所以單臺25t吊車滿足吊裝要求。

鋼絲繩的受拉力計算可以按公式（2）得到：

式中，G=29kN，α 為鋼架梁兩側(cè)鋼絲繩相鄰之間夾角，α 不大于60°，計算時α 可取為60°。計算得出T=(29kN/cos30°)/4=8.4kN。

鋼絲繩公稱抗拉強度為1550MPa，鋼絲繩選擇6×37mm，直徑13mm，其安全系數(shù)驗算如下：

式中，P 為鋼絲繩的破斷拉力總和（kN），k為鋼絲繩的安全系數(shù)。

由此可得，k=97.2kN/8.4kN=11.57≥8，所以選用鋼絲繩為直徑13mm、公稱抗拉強度1550MPa 的6×37mm 鋼絲繩（鋼芯）滿足吊裝要求。

為保證汽車吊在吊裝過程中的穩(wěn)定，需進(jìn)行抗傾覆驗算，即需使穩(wěn)定力矩大于傾覆力矩。以25t 汽車吊起吊鋼架梁約5.7t 為驗算對象，穩(wěn)定性驗算可以按公式（4）計算：

式中，KG 為自重加權(quán)系數(shù)，取1.00；KQ 為起升荷載加權(quán)系數(shù)，取1.15；KW為風(fēng)動載加權(quán)系數(shù)，取1.00；MG、MQ、MW 為汽車吊自重、起升荷載、風(fēng)動荷載對傾覆邊的力矩，N·m。

KG×MG+KQ×MQ+KW×MW=1×25000×3.75-1.15×2900×(7-3.75)-1×0.2×5700×（10.4+0.3+1.2/2）=70029.25N·m＞0，遠(yuǎn)大于0，故穩(wěn)定性滿足要求。

穩(wěn)定力矩M1=KG×MG=1×G×a=1×25000×3.75=93.75KN·m；傾覆力矩M2=KQ×MQ+KW×MW=1.15×5700×(7-3.75)+1×0.2×5700×（10.4+0.3+1.2/2）=34.39KN·m；

穩(wěn)定系數(shù)=穩(wěn)定力矩M1/傾覆力矩M2=93.75/34.39=2.72＞1.5，故汽車吊的穩(wěn)定性滿足抗傾覆要求。

4 結(jié)語

以某項目標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)工程為標(biāo)準(zhǔn)化廠房作為研究對象，在分析建筑鋼結(jié)構(gòu)的吊裝就位及固定措施基礎(chǔ)上，基于結(jié)構(gòu)有限元軟件建立三維仿真模型，分析吊裝過程中的應(yīng)力和變形變化規(guī)律，驗算吊車、吊繩的吊裝能力以及吊車的穩(wěn)定性，得到以下結(jié)論。

①鋼柱及鋼架梁的安裝均用25t 吊車進(jìn)行吊裝，安裝的順序是先從左至右依次完成兩側(cè)鋼柱的吊裝，再從左至右依次按順序完成鋼架梁的吊裝；鋼柱的固定方法是在基礎(chǔ)上面預(yù)埋地腳螺栓，采用纜風(fēng)繩進(jìn)行鋼柱的牽引和保持穩(wěn)定。

②三維仿真分析結(jié)果表明，吊裝過程中鋼柱的應(yīng)力比和鋼架梁的應(yīng)力比基本相近，應(yīng)力比均小于1.0，鋼架梁的位移平均值約為鋼柱的位移平均值的2.0倍。

③計算結(jié)果表明，25t吊車額定載荷91kN＞吊裝計算載荷85.5kN，單臺25t吊車滿足吊裝要求；選用鋼絲繩為直徑13mm、公稱抗拉強度1550MPa 的6×37mm 鋼絲繩（鋼芯）滿足吊裝要求；穩(wěn)定系數(shù)大于1.5，汽車吊的穩(wěn)定性滿足抗傾覆要求。