大跨度悬挑钢结构屋顶吊装技术

吴光辉

【摘 要】悬挑钢结构是建筑施工的重要结构部分，其施工每一环节的质量都直接影响着后续工作。本文结合工程实例，针对大跨度悬挑钢结构工程施工技术难点，重点阐述了吊装方案的选择，最后就大跨度悬挑钢结构屋顶吊装关键技术进行了介绍，并对结构进行现场实时模拟分析，保证了钢结构工程的顺利施工。

【关键词】悬挑钢结构;吊装;方案选择;关键技术

随着建筑施工技术的快速发展，钢结构的应用十分广泛。但钢结构的施工安装还是困难施工人员的一大难题，主要表现桁架柔性较大，易失稳，变形控制困难，工期季节跨度引起温度应力大等问题。大跨度悬挑钢结构工程的安装重点是高空组对吊装及就位安装。下面，就结合具体工程实例，就大跨度悬挑钢结构屋顶吊装技术进行介绍。

1 工程概况

某车站改造工程在原址基础上实施整体扩建改造，工程重点包括主站楼、站台雨篷、广场及地下通道4部分。站房工程采用高架车站，抗震设防烈度为8度，主体为大跨度悬挑结构。

站房悬挑结构位于站房高架层东西两端部位，东侧为Ⅰ段悬挑结构，西侧为Ⅲ段悬挑结构，中部为Ⅱ段高架层平台。悬挑结构由单片主桁架、单片次桁架、区块次结构及檩条组成，最大悬挑达28m，最小悬挑为2.3m。悬挑结构之间由单片主桁架及区块次结构连接，单片主桁架长度为9～12m（见图1）。

2 施工技术难点

（1）施工条件复杂

在施工过程中，该车站一直保持运营状态，人流量大，同时⑦～⑩轴区域进行地铁通道的开挖。因此施工条件复杂，现场无法进行支撑架的设置，同时大型起重机只能固定一处进行安装作业。

（2）构件安装角度大、质量重，施工难度大

在安装过程中，撑杆处于大角度状态，且最大单重达10t左右，仅靠一个销轴将单片桁架与支撑杆结合在一起，对安装技术提出了很高的要求。

（3）构件跨度大、柔性强、易失稳

需吊装的组合结构最大28m，提升过程中极易失稳，并且支撑杆与单片桁架只通过一个端部连接组成，在支撑杆的自由端未离地前，其支撑杆质量会直接导致组合体不平衡而发生倾覆现象。

（4）安装定位精度要求高

悬挑结构尺寸变化复杂，中间大两端小，节点繁多，若定位不准将导致构件在节点处无法正常安装。为保证建筑效果，满足受力要求，对安装及定位要求精確。

（5）构件拼装难度大

钢构件尺寸大，且单片次桁架和斜撑杆间角度很大，施工场地无法满足地面卧拼的要求，只能起吊后垂直拼装。垂直拼装难度较大，需精确对位才能使两耳板相互嵌入。

3 吊装方案选择

（1）起重机选择

本方案主要选择2台大型起重机进行悬挑结构的安装，1台500t履带式起重机（主臂48m，副臂48m）和1台130t汽车式起重机。500t履带式起重机用于悬挑单片次桁架的安装，而130t汽车式起重机主要用于悬挑结构之间单片主桁架及区块次结构安装。

悬挑单片次桁架最大质量（含斜撑杆及索具质量）为19.45t;单片主桁架最大质量（含索具质量）为4.9t。130t汽车式起重机在臂长60m、作业半径28m的工况条件下，起吊质量达到5.9t，大于起吊物4.9t的要求;500t履带式起重机在主臂48m、副臂48m、作业半径50m的工况条件下，起吊质量达到21.4t，大于起吊物19.45t的要求，起重机性能均满足施工要求。

（2）行走路线

由于场地限制，500t履带式起重机只能站位于⑥，11轴交A轴以东12m、交V轴以西12m处进行安装作业，则履带式起重机将沿施工道路行走至指定吊装地点即可。而130t汽车式起重机则根据悬挑结构安装顺序进行移位。

4 关键施工技术

（1）安装步骤

整体悬挑结构平面上在南北两侧的悬挑长度最小，为无撑杆三角悬挑次桁架，悬挑长度较小，安装难度小，易于首先形成刚性区域，能为后续的安装工作提供可靠支撑，所以整体安装原则上应选用一侧向另一侧顺序进行。进行悬挑次桁架的安装时，应同时完成檩条的装配工作，保证悬挑结构在安装时的稳定性。

悬挑结构的安装顺序为：16轴三角悬挑次桁架安装（不含撑杆）→15轴单片悬挑次桁架安装（不含撑杆）→15～16轴间主桁架及檩条安装→14瑏瑤轴单片悬挑次桁架安装→14～15轴间主桁架及檩条安装……→②～③轴间主桁架及檩条安装→①轴三角悬挑次桁架安装（不含撑杆）→①～②轴间主桁架及檩条安装。

（2）深化设计

车站悬挑结构构件形式众多，尺寸各异，包括不同型号的单片次桁架、撑杆、单片主桁架、区块次结构、H型钢梁、封边箱形梁和拉索上百种，节点构造复杂，增加了施工的难度。针对上述特点，对每个钢结构构件进行深化设计，确保节点设计准确及复杂组合构件吊点的计算。

（3）吊点设置

悬挑单片次桁架与斜撑杆在起吊过程中，需逐步调整夹角至设计角度。调整期间整体构件尚未离地，其相对位置的改变及地面支撑作用的不同导致组合体重心变化，吊点应设置在角度形成后组合体的重心处。为准确确定吊点位置及索具长度，充分利用CAD实体求出构件重心，采用此方法不仅计算简单，且较为准确。吊点均采用钢丝绳绑扎的形式，其形式有吊装钢丝绳直接绑扎或钢丝绳套绳加卸扣绑扎。

（4）组合体拼装

悬挑单片次桁架与斜撑杆应组成一个组合体同时起吊，由于无法采用地面卧拼的方式，因此依据已选起重机方案，采用在起吊过程中垂直拼装的方法。具体做法为：根据撑杆与单片桁架之间的夹角事先设置马凳，将斜撑杆一端通过汽车式起重机吊至马凳上，并保持斜撑杆耳板开口朝上，再将悬挑单片次桁架吊至已放置好的撑杆上方精确对正后垂直下落，使桁架耳板插入斜撑杆耳板内，当耳板对接好后，保持销轴孔对齐，然后将销轴穿入其中，随即完成拼装工作（见图2）。

（5）大角度组合体吊装技术

起吊时组合体中桁架和斜撑杆间的夹角很小，需要在提升过程中逐步调整，直至形成设计角度。根据施工现场条件及设计要求，选用10t手拉葫芦固定组合体的尾部并调整其张拉角，钢丝绳长度根据角度要求设置，约比设计要求长50cm，具体做法为：将斜撑杆的尾部与桁架尾部通过钢丝绳套和手拉葫芦绑牢后，慢慢起吊次桁架，尾部则随着手拉葫芦固定的长度在提升过程中放长，最终使斜撑杆调整至要求的安装角度，组合体的安装角度大致形成。

当该组合体吊至设计安装位置后，先把斜撑杆与混凝土柱上的预埋件通过销轴连接固定，再通过起重机下钩的过程使组合体中单片次桁架上弦杆及下弦腹杆与原结构桁架对接，同时在悬挑单片次桁架悬挑端部用缆风绳调节侧向位移，并起到临时固定作用。最后，将次桁架上、下弦杆同时进行焊接，焊接作业完成后，才能松钩。

（6）组合体稳定性保证

在组合体起吊初期，支撑杆的自由端尚未离地前，撑杆质量集中于单片桁架悬挑端部，斜撑杆与单片次桁架的夹角不断改变，致使组合体重心位置不断变化。为防止组合体质量不均匀引起的不水平或倾覆现象发生，增用25t汽车式起重机在悬挑端部配合起吊，以保证组合结构的平衡。起吊过程中履带式起重机和汽车式起重机需保持同步协调，待组合体的角度完全形成后方可松钩。

（7）缆风绳设置

组合体起吊至设计位置而尚未安装檩条前，悬挑端部处于不稳定状态，特别是端部侧向位移难以控制。次桁架受风荷载及起重机影响，产生强烈晃动而偏离设计轴线，给结构的精确对位及上下弦杆的焊接安装造成很大困难。为保证整个结构的临时稳定，同时方便焊接施工，在组合体悬挑端设置缆风绳，缆风绳上设置手拉葫芦，通过两侧的手拉葫蘆调节悬挑单片次桁架悬挑端的侧向位移，使桁架端部到达设计安装位置，同时缆风绳在H型钢梁安装以前起到临时固定的作用。

（8）施工测量控制

施工测量控制主要为悬挑结构，包括40个悬挑次桁架悬挑端部的安装标高和侧向位移。将全站仪架设在对应的轴线延伸线位置上，以长边控制短边的测量原则，将桁架弦杆控制在对应的轴线上方，通过端部的缆风绳条件，即可控制桁架的侧向位移。

5 施工过程模拟及仿真验算

（1）结构计算模型

悬挑桁架吊装验算采用有限元软件SAP200012.01进行计算。由于结构在南北方向对称分布，且中部的悬挑桁架悬挑量最大，即⑧轴和⑨轴的桁架为整个结构中的最危险部位，因此计算中只选取⑧轴悬挑桁架进行应力和变形的验算复核。

（2）结构吊装应力验算

结构验算时只考虑自重荷载，并取吊装动力系数为1.2。组合体在自重和两点集中提拉荷载作用下的杆件应力比柱状图如图3所示。

有限元分析软件较为精确地计算了吊装过程中各杆件的应力状态，结果显示，大部分杆件的应力比<0.1，只有3根杆件的应力比>0.2，结构吊装杆件的最大应力比为0.262，远小于杆件的设计承载力，满足结构吊装安全要求。

（3）结构吊装变形验算

⑧轴上桁架的悬挑量达28m，起吊跨度达15.7m，是本工程中吊装的最大组合结构，因此需对其进行吊装变形验算，以保证结构的稳定和施工过程的安全。

由有限元软件依次计算每个节点的变形位移并将结果对比可知，最大变形发生在此桁架与斜撑杆的连接处。计算结果显示，组合结构中梁构件相连的12号节点最大竖向位移为17.03mm，最大相对挠度为3.7mm，吊装最大跨度为15721mm，3.7/15721=1/4249，满足结构吊装安全要求。

6 结语

实践证明，本大跨度悬挑钢结构安装工程的各项关键技术可行，工程的质量、进度及安全效果良好，均达到了预定的目标，并受到了社会各方的赞誉，维护了企业的良好形象和信誉。希望本工程能为类似工程的施工起到抛砖引玉的借鉴作用。

参考文献：

[1] 陈钧颐;刘振海;徐新扬;赵春潮;焦志岗.超高层建筑大悬挑钢结构屋顶安装技术[J].建筑技术，2011年05期

[2] 张季超;马旭;周观根.广东科学中心大跨度悬挑钢结构安装技术[J].施工技术，2011年04期

（作者单位：清远市新城建筑工程有限公司）