特大跨转换箱型截面钢桁架安装技术

张 卫，汪临斌

ZHANG Wei，WANG Linbin

(1.杭州市建设工程质量安全监督总站，浙江 杭州310005;2.浙江精工钢结构集团有限公司，浙江 绍兴312030)

十多年来，在我国的高层建筑和大型公共建筑中钢结构得到广泛应用。诸多建筑如国际会议中心、酒店、写字楼或综合性公共建筑的入口处或室内大堂，结构上常采用大跨度转换钢桁架形成底部数层大空间以满足建筑功能要求。这类大跨度转换钢桁架的安装技术比较复杂，目前有“现场拼装，整体吊装”法、“现场拼装，整体提升”法、“胎架临时支撑，现场分段拼装、分段吊装、整体卸载”法。采用何种方法应根据工程的结构特点、现场起重运输条件、进度和质量控制要求、经济代价等情况进行优选。本文以杭州阿里巴巴支付宝总部大楼钢结构工程为实例，介绍此类特大跨、超重型转换箱型钢桁架的结构特征、安装方案和质量控制等技术。详细介绍采用“现场高空散件拼装、砂箱分步整体卸载”的技术与质量控制经验。经工程结构检测结果表明，本文介绍的安装与质量控制技术取得了良好效果。

1 工程钢结构概况

1.1 钢结构整体概况

本工程为杭州阿里巴巴支付宝总部大楼，位于杭州市西湖区古荡，南面为西溪路，东面紧靠F -10城市广场建设用地，西面为飞达东路，北面为横贯杭州市区东西向的主干道天目山路。项目总建筑面积约12.5 万m2，其中地下建筑面积4.9 万m2，地下2层，地上9 层，屋面建筑标高38.950 m。地下室采用钢管混凝土柱-钢筋混凝土剪力墙结构体系，上部结构除电梯间筒体为钢筋混凝土结构外，均采用钢结构，分为A、B、C 三个独立抗震单元的钢框架-钢筋混凝土剪力墙结构体系。

框架柱采用圆钢管混凝土柱，转换桁架上的框架柱采用矩形钢管柱;框架梁采用H 形钢梁，部分受较大轴力的框架梁采用箱形钢梁;转换桁架采用箱型钢构件。整体结构见图1。

1.2 特大跨转换箱型截面钢桁架结构概况

图1 整体结构轴测示意图

桁架分布图见图2。

图2 桁架分布图

1.2.2 桁架的基本构造 本文着重以该工程B 塔楼跨度特大、特高和特重的换钢桁架为例介绍其安装技术。B 塔楼转换钢桁架B-TR-1、B-TR-2 结构的轴侧图见图3。

图3 B-TR-1 至B-TR-2 轴测示意图

2 特大跨转换箱型钢截面桁架施工方案的确定

2.1 安装方案的拟定

2.1.1 项目特点 (1)跨度大:本工程项目转换箱型截面钢桁架整体跨度大(A 塔楼TR-7 至TR-9 跨度为36～53 m，B 塔楼B-TR-1(2)跨度为54 m);

(2)高度高:A 塔楼TR-7 至TR-9 高度为4.2 m，B塔楼B-TR-1(2)高度为8.4 m;

(3)质量大:A 塔楼TR-7 至TR-9 质量分别为88、153、97 t，B 塔楼B-TR-1(2)质量均达217 t;

(4)焊接箱(矩)形截面尺寸大;

(5)Z 字平面造型较复杂，场地狭窄，运输受限。

2.1.2 方案确定 由于上述特点，本项目转换箱型截面钢桁架不可能整体制作、运输和安装，经多方案的研讨，考虑运输和现场施工条件(包括吊装设备的选用)等因素，最终拟定采取工厂分段制作及预拼装、分件运输进场、现场进行高空散件拼装的方法，为此高空散件拼装时应设置胎架临时支撑以及安装完毕后整体卸载。

2.2 桁架分段

上述技术方案必须在制作前对桁架进行分段细化设计，以确定散件拼装时连接节点。分段应遵循下列基本原则:应符合不同桁架形式及其受力特点;靠近拟定的胎架临时支撑点;分段单件最大质量应在起重设备作用半径允许起重能力范围内。现以B-TR-1(2)为例对桁架分段作如下概述:

根据设计施工图桁架形式，上弦因竖向腹杆与转换桁架上的箱形钢柱连接而分为6 段，分别与竖向腹杆和钢管混凝土柱节点连接;下弦分为3 段，分别与竖向腹杆下节点及钢管混凝土柱节点连接，各段长度为18 m(节点间距);斜向和竖向腹杆及斜撑各为一段，分别与相关节点连接，分段情况和连接点见图4。

图4 B 塔楼B-TR-1 至B-TR-2 分段示意图

2.3 吊装方案及机械选择

桁架吊装应在地下室顶板混凝土强度达到设计要求以及地上钢结构框架安装至5 层后进行，经考虑现场施工条件、吊装设备等诸多因素后，拟采用高空散件吊装拼接方法。为此在桁架跨径下弦近拼接位置的节点及支承在其他桁架上的节点或悬臂端节点设置临时支撑架，支撑架顶部设置卸载装置。待转换钢桁架及其上部结构安装完毕后进行卸载，拆除支撑架，使转换钢桁架进入使用阶段的受力状态。

因现场转换钢桁架部位部分构件不在现场布置的塔吊起重性能范围内，需要大型起重设备进入转换钢桁架部位进行吊装，根据对转换钢桁架分段吊重分析，分段构件最大质量为34.8 t，选用1 台CCH1000 型100 t臂长48 m(B 区吊装时采用42 m)履带吊进行吊装，履带吊行走在地下室顶板上，应对吊装区域的地下室顶板进行承载力验算，并采取必要的措施进行加固。

3 桁架临时支撑架设置

临时支撑架的设置要根据工程结构特点和整体卸载方法进行设计。

3.1 临时支撑架布置

3.1.1 平面布置 桁架安装时采用支撑架进行临时支撑，上部钢结构安装完成后须对支撑架进行卸载拆除，每个支撑架顶面设有卸载装置(砂箱)，卸载时采用砂箱进行同步或不同步分级卸载，支撑架平面布置图见图5。

其中A 区共设有8 个支撑架，B 区共设有4 个支撑架。支撑架均设在桁架下弦的结点处。

3.1.2 立面布置 以B 塔楼转换桁架B -TR -1、B-TR-2 为例，其支撑架立面布置见图6。

图5 支撑架平面布置图

图6 B-TR-1(2)支撑架立面布置图

3.2 临时支撑架及卸载设备

根据施工过程分析:A 区大跨、B 区大跨部位临时支撑架最大竖向荷载标准值为845 kN，按此荷载，同时考虑安装时的偏心、风荷载等因素影响，经设计计算选择短形格构式支撑架。该支撑架以每2 m为一标准节，采用单片组合，外形基本组合尺寸为2 m×2 m，由立杆钢管B150 ×8 和腹杆钢管B80×6 组成。该标准支撑架立柱采用法兰对接，单片之间的组合采用螺栓连接，便于安装和拆除，支撑架构造及安装示意见图7。

图7 支撑架构造及安装图

卸载设备采用砂箱，置于支撑架顶部。砂箱构造示意见图8。它包括砂箱(299 ×16 的圆管)、活塞、固定螺杆、泄砂阀等部件。采用砂箱卸载的优点是可控性好，设备简单、可靠。与传统的油压千斤顶相比，更易操控，无机械故障之忧，砂箱安装见图9。

图8 砂箱构造图

图9 砂箱安装图

4 特大跨转换钢桁架支撑架卸载

支撑架卸载是特大跨转换钢桁架安装的关键技术，支撑架的卸载方案与步骤涉及结构受力体系的合理转换，要根据结构支承情况与受力特性进行选择和设计。

4.1 卸载形式选择

选用合理的卸载形式，对不同结构形式的特大跨转换钢桁架至关重要，以本工程A/B 两区特大跨转换钢桁架为例分析如下:

A 区的TR-7、TR-8、TR-9 三榀转换箱型钢桁架，支承方式不同。TR-7、TR-8 两端分别与Φ1500钢管混凝土柱刚接，TR-9 南端与Φ1500 钢管混凝土柱刚接，北端与TR-6 箱型截面桁架9 m 悬挑端刚接，因而在TR-6 外挑9 m 与TR-9 总跨45 m 区域，为无支承柱受力结构体系，上部五层结构自重(含钢柱、梁、地面、屋面、幕墙、内装饰等)和使用活荷载均由TR-9 传递至TR-6悬挑桁架端部。该区域构件和连接节点受力状态复杂，在临时支撑卸载时必须充分考虑构件受力体系的合理转换，宜采用不同步分级法，即首先按⑧、⑦、⑥临时支撑顺序(图5)进行第一步卸载，随后进行TR-8、TR-7 的卸载，以避免结构的内应力突变。

B 区的B-TR-1(2)两榀8.4 m 高的转换箱型钢桁架，设计为对称的两根斜支撑杆与桁架腹杆形成了两组梯形的稳定受力结构体系(图3、图6)，属左右对称结构体系，因而B 区桁架在临时支撑卸载时，可采取同步分级卸载。

4.2 分级卸载时效观察

对A 区和B 区特大跨钢桁架临时支撑的分级卸载，必须实行每级24 h 的间隔时效观察，利用埋设于桁架关键位置和节点的应力应变传感器进行数据采集分析，进行结构承载过程的安全检测评判。使整体桁架结构的内应力重分布，在24 h 时效过程中平稳过渡。

4.3 支撑架卸载流程

4.3.1 支撑架卸载条件 (1)桁架及四周结构已安装到8 层以上，并焊接完成;

(2)钢管柱内混凝土浇灌到顶层;

(3)桁架上钢板楼板已安装，但楼面混凝土暂不浇灌。

4.3.2 支撑架卸载步骤 根据现场施工进度安排情况先卸载A 区桁架支撑架(采用不同步分级法)，再卸载B 区桁架支撑架(采用同步分级法)。

根据施工过程分析和设计提供的变形量估算，实际支撑架卸载产生的变形量较小(最大为6.23 mm)，具体可分三步进行:

第一步，拆除砂箱支撑杆，使砂箱活塞完全受力，稳定24 h，实测应力应变值(A 区TR-9 先拆)。

第二步，根据剩余卸载量采用砂箱漏砂量控制，对支撑架进行卸载;

第三步，继续根据剩余卸载量采用砂箱漏砂量控制，对支撑架进行卸载，直至桁架与支撑架完全脱开，然后拆除支撑架。

整个卸载分3 步进行，每步卸载量对应后面“表1”中各支撑点对应数值，进行分级卸载，最后将支撑架拆除，完成结构卸载。卸载时每个支撑架均派2 名工人开启砂漏卸砂，将桁架下降至指定高度(因部分支撑架卸载量较小，只有2 mm 左右，在第二步卸载后就有可能卸载完成)，卸载时需采用测量仪器、应力应变检测同步跟踪进行监控，保证卸载的可控性。每级卸载间隔时间为24 h，下载时间应定同一时间(如时间定为每日上午10:00:00 左右)，具体卸载过程及检测跟踪流程见图10。

4.4 支撑架卸载过程中监测控制过程

(1)正式卸载当日上午8:00:00—10:00:00(卸载前)测一次;(2)第一级卸载后傍晚测一次;(3)第二天一早及傍晚各一次(上午10:00:00 进行二级卸载);(4)第三天一早及傍晚各一次(上午10:00:00进行三级卸载);(5)若有第四级卸载以第三天同要求检测;(6)后续检测按每浇捣一层楼面前后各采集一次数据，依次类推。监测时间的选择:主要考虑卸载时正值冬季，早晚与中午温差较大，故考虑7:00:00与17:00:00 进行监测，所得监测值可与卸载作业过程中的监测值进行比对。

图10 卸载流程图

4.5 砂箱控制卸载量的操作

砂箱在泄砂过程中，为有效控制卸载量，可以在桁架两侧各设置一根卸载量控制杆(可采用角钢下端焊在转化平台上面，下端紧贴桁架侧面)，控制杆侧面标注好刻度，单位为mm，卸载过程中观测桁架下口达到一定卸载量。见图11。

图11 卸载控制杆

4.6 支撑架卸载变形量控制

4.6.1 各支撑架卸载量 支撑架卸载量统计见表1、表2。

表1 A区大跨桁架部位支撑架总卸载量统计

表2 B区大跨桁架部位支撑架总卸载量统计

4.6.2 分步卸载量确定

本工程采用砂箱分步卸载，共分3 步进行，各支撑架每步的卸载量值见表3。

表3 各支承架等比例卸载量值

4.7 支撑架卸载控制技术要点

(1)卸载前对所有参加人员进行卸载过程培训和技术交底，确保卸载过程中的同步性。

(2)卸载前应完成主体结构所有构件安装和焊接工作，需探伤检测的部位已全部通过自检和第三方检测并已全部合格，具备上述条件后，方可进行卸载［1］。

(3)卸载前应拆除所有临时固定拉撑杆及缆风措施，并清除结构上与卸载工作无关的工器具及相关措施［1］。

(4)卸载过程中，要求做到设计统一、组织机构统一、监测统一和卸载工具统一，以确保卸载安全［1］。

(5)卸载过程中，应有可靠的测量测控措施对卸载工作进行监控，根据监测结果及时调整各支撑点的卸载位移量［1］，以确保卸载安全。

(6)桁架下弦杆整体脱架后保留原刚性支撑架48 h(风险时段)不拆除。

(7)卸载全过程(含风险时段)对所有支撑架采取临时稳定性保护措施，拟采用在桁架下弦杆两侧各设置一根卸载量控制杆兼作稳定杆，稳定杆采用L70 ×6 角钢。

(8)为了确保下载对称、同步、协调进行，应合理组织操作班组，严格按卸载要求进行操作，建立支撑架卸载指挥小组，统一指挥。

5 确保特大跨转换钢桁架安装质量的控制措施

(1)分段制作的质量控制 分段制作箱型截面时严格按深化设计图施工，特别是上下弦分段上腹杆接口的角度与接口平面，防止在现场高空拼装时接口错位，影响接口焊接质量和桁架的整体竖向平整度，设计要求的桁架预拱度也必须在分段制作时在每一构件上得以体现。

(2)分段制作完成后的厂内预拼装 为了确保现场高空安装万无一失，对本工程所有大跨度桁架分段均在厂内进行预拼装，分段接口处设置卡码，并按设计要求的预拱度进行预拼装，将现场实测的柱间间距反馈到厂方对桁架总跨度进行校核，避免大跨度桁架因现场柱间安装误差影响焊接间隙超标。

(3)现场分段拼装的临时支撑架标高控制 根据现场场地条件，临时支撑的点位均设立于地下室柱中位置，确保临时支撑有足够的支撑力，以满足大跨度桁架的自身重量和桁架上部五层结构(包括钢框架柱、梁及楼地面重量)的总荷载要求，并根据每榀桁架的预拱度设置支撑架标高。

(4)现场分段拼接过程中，应用全站仪跟踪测量每榀桁架的轴线、标高、水平度、垂直度和侧向弯曲并及时校正，以确保桁架位置准确、平整、垂直，采取有效的临时固定措施，安装高强螺栓后方可施焊。

(5)现场焊接是确保转换箱型钢桁架高空散件拼装质量的关键，事先必须编制详细焊接工艺方案。现场焊接方法采用CO2气体保护法;从事焊接的焊工和检验人员应具有资格证，有一定的实践经验和技术水平;为减少焊接应力所产生的变形，应拟定合理的施焊程序和方法，以确保焊接质量。

6 结 语

本钢结构工程在安装过程中委托第三方(同济大学土木工程学院)重点对A、B 塔楼特大跨转换钢桁架TR7～9 和B-TR-1、B-TR-2 施工阶段的应力和应变进行跟踪监测，对于结构完工后的应力和应变监测结果，表明各个杆件内力和结构变形在施工暂停阶段保持平稳，结构安全，可进行后续施工。后续检测的应力应变位移也趋于平稳。三个月后最大实测值A 大跨为18 mm，B 大跨为12 mm，均小于设计最大应变值54 mm。这充分表明本文结合工程实例所论述的特大跨转换箱型钢桁架的安装及支撑架卸载技术是可行的、科学合理的，具有一定的示范参考和应用价值。

［1]洪国松，黄利顺，邱小军，等. 重型钢结构砂箱卸载施工技术［J］.施工技术，2012(增刊1):577 -579.