安國財（甘肅省恒圣項目管理有限公司，甘肅 武威 733000）

為了滿足城市化和人口增長的需求，建筑工程不斷向高層建筑和大跨度方向發(fā)展。在這種情況下，高層建筑中常常需要使用大跨度鋼梁，尤其在公共建筑中得到了廣泛的應(yīng)用，因此，大跨度鋼梁如何進(jìn)行施工逐漸成為技術(shù)人員關(guān)注的重點[1-3]。對于大跨度鋼梁的施工，懸臂拼裝技術(shù)有著施工成本低、安全性高、施工質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，多應(yīng)用于橋梁和建筑中大跨度鋼梁的施工[4-5]。薛新廣[6]以天津某特大橋為例，介紹了懸臂拼裝技術(shù)在鋼桁梁安裝中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)通過此技術(shù)能夠快速完成鋼桁梁橋的施工；李剛[7]研究了懸臂拼裝技術(shù)在鄭州某公路橋中的應(yīng)用效果，分析了施工過程中存在的問題，并提出了相應(yīng)的解決措施。

當(dāng)前，懸臂拼裝技術(shù)的研究大多是分析其在橋梁施工中的應(yīng)用效果，關(guān)于高層建筑中懸臂拼裝技術(shù)的研究較少?；诖?，以甘肅省某生物科技總部科學(xué)園（一期）8#～9#廠房為背景，提出了大跨度鋼梁懸臂拼裝施工方案，對施工吊裝吊重進(jìn)行了分析，并基于施工現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析，研究成果可為類似項目提供了指導(dǎo)和借鑒。

1 工程概況和施工難點

1.1 項目概況

甘肅省某生物科技總部科學(xué)園（一期）1#～3#廠房、4#食堂、5#～9#廠房、10#～12#宿舍位于規(guī)劃HL18G-06地塊，工程1#～3#廠房及8#、9#廠房為A 級高度的高層建筑，其余單體為多層建筑，地上各建筑單體層數(shù)3～13層不等，總建筑面積173940.15m2。主要功能為工業(yè)廠房、配套食堂、宿舍等，地下一層（局部二層）主要功能為員工活動區(qū)、汽車庫、非機(jī)動車庫、設(shè)備房、人防地下室。1#、2#廠房采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；3#、8#～9#廠房采用鋼管混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；4#食堂、5#～6#廠房、10#～12#宿舍采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；7#廠房采用鋼框架結(jié)構(gòu)。1#、3#、8#～9#廠房局部大跨樓面采用鋼框架，且由于連廊為中空結(jié)構(gòu)，不適宜設(shè)置支撐胎架，需分為三段采用“懸臂拼裝法”進(jìn)行高空拼裝，主要鋼構(gòu)件為H型鋼梁和箱型鋼梁。

1.2 大跨度鋼梁懸臂拼裝施工難點

（1）高材質(zhì)厚鋼板的碳當(dāng)量及裂紋敏感系數(shù)高，降低了鋼材的焊接性。同時，厚板焊后狀態(tài)下殘余應(yīng)力和焊接接頭拘束較高的特點增大了高強(qiáng)鋼厚板焊后焊接收縮性和冷裂紋傾向性。

（2）大跨度鋼梁撓度較大，為保證正常使用極限狀態(tài)的要求，大跨度鋼梁的起拱值確定是施工的重點及難點，且大跨度鋼梁安裝措施的合理選擇是保證施工方案可行、施工質(zhì)量、安全及工期的前提。通過此次研究，選擇懸臂拼裝為大跨度鋼梁的安裝方式，但在不適宜使用汽車吊與臨時支撐的情況下，利用上部結(jié)構(gòu)預(yù)留拉結(jié)點，對鋼梁懸臂段進(jìn)行臨時固定，在中部進(jìn)行合攏，拉結(jié)點的設(shè)置是否合理可靠是施工的重難點。

（3）鋼結(jié)構(gòu)采用分段懸臂施工，大跨度的懸挑拼接使得結(jié)構(gòu)的內(nèi)力演變十分復(fù)雜，控制不良極易引起鋼結(jié)構(gòu)上下翼緣截面兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的彎扭變形和應(yīng)力集中。因此，控制施工過程中的應(yīng)力變化成為施工的關(guān)鍵點之一。

（4）鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計與施工過程中，與土建、機(jī)電、幕墻、裝飾、消防等專業(yè)存在緊密聯(lián)系，與上述單位之間良好的溝通及配合是各專業(yè)之間協(xié)調(diào)的重點。

2 大跨度鋼梁懸臂拼裝方案

2.1 施工思路

8#～9#廠房中部連廊有大跨度變截面鋼梁，跨度達(dá)35m，由于下部結(jié)構(gòu)中空，不適宜搭設(shè)支撐架體，無法使用大型機(jī)械，因此采用懸臂拼裝法。大跨度鋼梁落后兩側(cè)結(jié)構(gòu)2 層，將大跨度鋼梁分為三段，先安裝兩側(cè)懸臂段，利用上部結(jié)構(gòu)拉結(jié)固定，根據(jù)拉結(jié)點位置確定鋼梁懸臂段長度，保證吊索與鋼梁的水平夾角大于45°，水平方向設(shè)置角鋼保證側(cè)向剛度，最后安裝中間段，具體做法如圖1所示，細(xì)部節(jié)點大樣圖如圖2所示。

圖1 懸臂拼裝示意圖

圖2 細(xì)部節(jié)點大樣圖

為了便于鋼梁的現(xiàn)場吊裝和安裝，在加工廠加工生產(chǎn)鋼梁時，要在鋼梁上翼緣參考鋼梁截面重量焊接吊耳或設(shè)置吊裝孔，鋼梁端頭與吊點的距離通常設(shè)置為總構(gòu)件長度的1/4，此項目鋼梁單根吊裝起重量在80kN以內(nèi)。鋼梁與主梁或者牛腿連接的端部需設(shè)置臨時碼板，碼板在制作廠焊接，安裝完成后割除。鋼梁與混凝土面平齊的埋件板連接時，需在埋件板上設(shè)置三角鐵托板，現(xiàn)場待混凝土澆筑完成后在外腳手架上設(shè)置，用于臨時固定鋼梁，節(jié)約塔吊使用時間。

在吊裝鋼梁時，8#～9#廠房中部連廊鋼梁在5#塔吊與6#塔吊范圍內(nèi)，鋼構(gòu)件卸車需要在8#廠房西北側(cè)基坑邊采用5#塔吊進(jìn)行卸車，并采用5#塔吊進(jìn)行安裝。連廊鋼梁與8#、9#主體結(jié)構(gòu)錯開一層進(jìn)行施工，外架正常搭設(shè)，外架立桿、橫桿與鋼梁安裝位置錯開，在混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到70%后開始安裝，連廊鋼框架隨混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，大幅縮短工期。中部連廊除連接8#與9#樓的大跨度變截面鋼梁外，其余均可直接采用5#塔吊進(jìn)行吊裝；大跨度變截面鋼梁分成3 段，考慮在上部結(jié)構(gòu)設(shè)置上部拉結(jié)點，在鋼梁兩側(cè)設(shè)置水平拉結(jié)點，先完成兩端鋼梁安裝并拉結(jié)固定，然后安裝中間段，焊接完成并檢測合格后方可拆除拉結(jié)措施。

鋼梁就位后及時做好臨時固定措施和連接，對螺栓孔有部分偏差的接頭要借助沖釘對跨間距進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后通過安裝螺栓擰緊固定。根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)安裝螺栓數(shù)量要超過該節(jié)點總螺栓數(shù)的30%，同時不少于2個。安裝和校正鋼梁屬于高空作業(yè)，人員站在鋼梁操作平臺上施工操作，操作人員應(yīng)佩戴安全帶，并將安全帶與安全繩或可靠結(jié)構(gòu)連接，確保施工人員的安全。在鋼梁吊裝前，在翼緣上焊接鋼管立桿，然后在兩根立桿之間拉鋼絲繩，確保施工人員行走安全。

2.2 鋼梁吊裝吊重分析

根據(jù)分段原則對鋼梁吊重進(jìn)行分析，具體如下：在塔吊吊裝范圍滿足塔吊的起重性能；鋼構(gòu)件滿足卸車點的布置，方便起吊點布設(shè)；符合構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點；構(gòu)件方便長途運輸；鋼結(jié)構(gòu)施工受到土建施工工藝、鋼結(jié)構(gòu)施工工藝的影響程度；現(xiàn)場拼接等施工位置無須設(shè)置操作架或方便安裝架設(shè)操作架。

8#、9#廠房中部連廊在5#與6#塔吊范圍內(nèi)，5#塔吊（WA7527）60m范圍能覆蓋整個連廊區(qū)域，吊重為4t，小跨度梁與次梁均不超4t，滿足吊裝需求。中部大跨度變截面梁重量為7.0t～10.3t，超過塔吊吊重，由于連廊為中空結(jié)構(gòu)，不適宜設(shè)置支撐胎架，分為三段進(jìn)行懸臂拼裝。圖3 為8#～9#廠房鋼梁吊裝范圍分析圖，圖4 為鋼梁吊裝示意圖。通過對吊耳與卡環(huán)接觸面承壓、吊耳與鋼梁焊縫以及吊裝用鋼絲繩進(jìn)行驗算，均符合施工標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 8～9#廠房鋼梁吊裝分析圖

圖4 鋼梁吊裝示意圖

3 基于施工監(jiān)測的大跨懸挑鋼桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

為了研究大跨懸挑鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中的應(yīng)力演變過程，采用現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)對結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析，應(yīng)力傳感器為表面貼式振弦傳感器，傳感器的最大壓應(yīng)力應(yīng)力范圍為0～500MPa，最大拉應(yīng)力范圍為0～300MPa，溫度使用范圍為-25℃～60℃，并配備JMZX-200X 振弦式傳感器數(shù)據(jù)采集儀，傳感器布置在圖1中的1-1截面H 型鋼梁上下翼緣。圖5 為懸挑H 型鋼梁上翼緣不同施工階段的應(yīng)力曲線，圖6為懸挑H型鋼梁下翼緣不同施工階段的應(yīng)力曲線，圖中坐標(biāo)原點為H 型鋼上下翼緣中點，負(fù)值表示上下翼緣左側(cè)，正值表示上下翼緣右側(cè)。

圖5 懸挑鋼梁上翼緣不同施工階段的應(yīng)力曲線

圖6 懸挑鋼梁下翼緣不同施工階段的應(yīng)力曲線

從圖5和圖6中可以看出，懸挑鋼梁上下翼緣在同一施工階段的應(yīng)力曲線分布規(guī)律基本一致。整體上，在懸臂安裝前，懸挑鋼梁上下翼緣板的應(yīng)力較小，且應(yīng)力在左右兩側(cè)分布較為均衡，而在懸臂安裝后，由于懸臂的自重作用以及應(yīng)力釋放，懸挑鋼梁上下翼緣板的應(yīng)力曲線均表現(xiàn)為“S”形，表明鋼梁左右兩側(cè)的應(yīng)力產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力差，梁體發(fā)生扭轉(zhuǎn)，同時這種扭轉(zhuǎn)變形具有顯著的對稱性，上下翼緣的應(yīng)力變化基本一致，而在第3 段鋼梁焊接后，進(jìn)入超約束狀態(tài)，應(yīng)力發(fā)生調(diào)整和重分布，鋼梁上下翼緣左右兩側(cè)的應(yīng)力分布又趨于均衡。在同一施工階段，鋼梁上翼緣的應(yīng)力明顯大于下翼緣的應(yīng)力，表明懸挑鋼梁的應(yīng)力分布具有明顯的空間分布不均衡性，不僅在橫截面方向發(fā)生扭曲，在縱截面方向上也容易發(fā)生因應(yīng)力不均衡導(dǎo)致的撓曲，給施工安裝帶來難度。

4 結(jié)語

以甘肅省某生物科技總部科學(xué)園（一期）8#～9#廠房為背景，提出了大跨度鋼梁懸臂拼裝施工方案，對施工吊裝吊重進(jìn)行了分析，并基于施工現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）鋼梁分段懸挑拼裝方案將大跨度鋼梁分為三段，先安裝兩側(cè)懸臂段，利用上部結(jié)構(gòu)拉結(jié)固定，根據(jù)拉結(jié)點位置確定鋼梁懸臂段長度，保證吊索與鋼梁的水平夾角大于45°，水平方向設(shè)置角鋼保證側(cè)向剛度，最后安裝中間段，并對施工中鋼梁吊裝吊重展開了分析。

（2）在懸臂安裝前，懸挑鋼梁上下翼緣板的應(yīng)力較小且左右兩側(cè)分布較為均衡，而在懸臂安裝后，懸挑鋼梁上下翼緣板的應(yīng)力曲線均表現(xiàn)為“S”形，梁體發(fā)生對稱性扭轉(zhuǎn)，在第3段鋼梁焊接后，應(yīng)力分布又趨于均衡。

（3）在同一施工階段，鋼梁上翼緣的應(yīng)力明顯大于下翼緣的應(yīng)力，在縱截面方向上也容易發(fā)生因應(yīng)力不均衡導(dǎo)致的撓曲，給施工安裝帶來難度。