大跨度拱形鋼結(jié)構(gòu)安裝施工工法
1.前言
近年來鋼結(jié)構(gòu)建筑憑借其造價(jià)低、大空間、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)迅速發(fā)展，尤其在公共建筑和大型場館等公用設(shè)施中得到廣泛應(yīng)用。而拱形結(jié)構(gòu)因其大空間、造型新穎、美觀等特點(diǎn)，受到諸多建設(shè)單位的厚愛。
當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)拱落地長度較長，土建結(jié)構(gòu)為混凝土梁板時(shí)，主拱安裝宜采用分段安裝，由拱腳向上組裝，很后在頂部中間合龍。結(jié)合205.44米大跨度空間拱形鋼結(jié)構(gòu)的安裝進(jìn)行施工總結(jié)，形成了本工法。
2.特點(diǎn)
2.1
土建結(jié)構(gòu)為混凝土梁板，上部為箱形變截面鋼結(jié)構(gòu)主拱，主拱生根于四個(gè)拱腳基礎(chǔ)；
2.2
在混凝土頂板上設(shè)臵支撐塔架（同時(shí)作為操作平臺(tái)），混凝土頂板下局部設(shè)滿堂紅架體支撐；
2.3
采用分段吊裝、現(xiàn)場拼裝焊接。
3.適用范圍
本工法適用于工業(yè)與民用建筑工程中大跨度拱形鋼結(jié)構(gòu)安裝工程。尤其適合土建主體結(jié)構(gòu)為混凝土框架梁板，上部為大跨度拱形鋼結(jié)構(gòu)的工程。
4.工藝原理
主拱安裝在能同時(shí)滿足設(shè)計(jì)分段要求和運(yùn)輸要求的前提下，采用分段制作、運(yùn)輸和安裝。為確保整體空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，主拱的安裝需穿插在其他結(jié)構(gòu)梁安裝的同時(shí)進(jìn)行，主拱的安裝順序是從四個(gè)主拱腳向上進(jìn)行安裝，很后在頂部中間合攏，主拱安裝的同時(shí)，及時(shí)進(jìn)行主拱和屋面拱之間的拉桿支撐的安裝。
5.施工工藝流程及操作要點(diǎn)
5.1工藝流程
建立測量控制網(wǎng)及測量控制→主拱支撐架體設(shè)計(jì)→主拱吊裝及安裝→卸荷
5.2操作要點(diǎn)
大跨度鋼拱安裝同時(shí)涉及分段及吊機(jī)的選擇、施工測量定位、支撐架體的設(shè)臵、鋼拱的吊裝及安裝、卸荷等多種施工工藝，而鋼拱的吊裝及安裝是整個(gè)施工過程的關(guān)鍵。
5.2.1建立測量控制網(wǎng)及測量控制
1．GPS點(diǎn)的交接及復(fù)核
根據(jù)GPS點(diǎn)的成果，制定點(diǎn)位精度的復(fù)查，具體測量步驟：根據(jù)GPS點(diǎn)的布局，在施工區(qū)域邊布設(shè)二級(jí)控制網(wǎng)，按閉合導(dǎo)線的觀測方法，計(jì)算出導(dǎo)線精度，再根據(jù)計(jì)算出的點(diǎn)位精度，如果GPS點(diǎn)的成果符合施工要求即可使用，反之要對導(dǎo)線實(shí)行平差后才可使用；對水準(zhǔn)點(diǎn)的復(fù)查，采用國家二級(jí)水準(zhǔn)的要求進(jìn)行復(fù)查，在施工區(qū)域內(nèi)按施工需要布設(shè)若干固定的水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)，對布設(shè)的水準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)行聯(lián)測。
5.2.2施工中的測量控制
1．主拱跨度大，對于四個(gè)主拱與地面接觸點(diǎn)的控制精度要求相對高，在二級(jí)導(dǎo)線的基礎(chǔ)上用極坐標(biāo)法放樣出四個(gè)接觸點(diǎn)，建立一矩形導(dǎo)線閉合環(huán)，用距離、角度復(fù)核精度；
2．主拱為斜平面主拱，在測量控制上采用直角相交觀測法；
3．主拱采用分段安裝，在二級(jí)控制基礎(chǔ)上布臵方格網(wǎng)，對桁架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，詳見圖5.2.2：
X:0.000Y:0.000X:90.000Y:240.000K1K2K4K5X:90.000Y:0.000X:0.000Y:240.000K3K6X:90.000Y:120.000X:0.000Y:120.000ZG1ZG2ZG3ZG4ZZK1ZZK4ZZK5ZZK6ZZK9ZZK10K*二級(jí)控制點(diǎn)ZXG1ZXG3ZZK*鋼直柱控制點(diǎn)
4．高程測量
依據(jù)現(xiàn)場的已知水準(zhǔn)點(diǎn)，在施工場區(qū)內(nèi)測設(shè)水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)，水準(zhǔn)點(diǎn)的密度應(yīng)為100m左右一個(gè)，水準(zhǔn)路線構(gòu)成附和路線，以便校核，觀測精度要滿足四等水準(zhǔn)的要求，閉合差要小于ｆｈ=±20mmL或ｆｈ=±60mmn。（L為線路長，以千米計(jì)；n為測站數(shù)。）
5．變形觀測
在確認(rèn)施工安裝準(zhǔn)確后，以安裝監(jiān)測所測定的每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)和高程作為基準(zhǔn)值。以后每隔2周按安裝監(jiān)測時(shí)用同精度的觀測方法對標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行觀測，計(jì)算出坐標(biāo)和高程與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，從而確認(rèn)鋼架頂部的變形情況。直至建筑物封頂看不見標(biāo)志點(diǎn)后，變形觀測結(jié)束。
5.2.3
主拱支撐架體設(shè)計(jì)
1．根據(jù)鋼拱結(jié)構(gòu)體系分折，并結(jié)合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)詳圖，首先安裝周邊的鋼柱及鋼柱間的連梁，然后安裝中間拱和屋面梁，在主拱未能形成三角形桁架之前，整個(gè)屋面鋼結(jié)構(gòu)的中間部分荷載全由中間拱來支撐，所以首先在中間拱下方設(shè)臵支撐，并根據(jù)混凝土柱網(wǎng)間距在中間拱下方每個(gè)混凝土柱柱頂設(shè)臵承重支撐架。
主拱為主要受力桿件及結(jié)構(gòu)體系的主支撐構(gòu)件，在分段吊裝時(shí)自重必須外加支撐體系來完成，所以在主拱的投影弧線上同樣根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)梁、柱位臵、間距等設(shè)臵底部承重支撐。其位臵盡量選在每兩橫軸中間附近，即在各撐桿與斜主拱相交點(diǎn)附近，主拱下各支承架設(shè)臵在每兩軸中間，既能符合斜主拱承重定位拼裝要求，也滿足各撐桿的安裝施工。主拱下支撐固定詳見圖5.2.3-1。
每個(gè)支承架搭設(shè)前，需首先安裝完畢該跨的屋梁，并將該處支承架上部臨時(shí)采用檁條將支承架與屋梁連接固定，必要時(shí)將支承架頂端用攬繩與屋梁上的檁托板拉牢，以確保支承架上部穩(wěn)定性，同時(shí)在支承架屋梁與樓面之間中部也用攬繩與樓面錨固板拉牢固定，攬繩上應(yīng)設(shè)有手拉葫蘆以便于調(diào)節(jié)，并在支承架下部焊上?48短鋼管，用腳手鋼管將支承架下部連結(jié)牢固，確保支承架體的整體穩(wěn)定性。
2．針對工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工順序和方法，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場的施工環(huán)境，合理選擇支撐架體的形式及規(guī)格。一般可采用格構(gòu)柱架體支撐，該格構(gòu)柱以6m為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)（見圖5.2.3-2），并可根據(jù)不同的主拱安裝形式，以及施工順序進(jìn)行支承架的布設(shè)，見圖5.2.3-3。鋼結(jié)構(gòu)主拱支撐架體設(shè)臵平面圖及圖5.2.3-4鋼結(jié)構(gòu)支撐架體立面圖。
變形觀測點(diǎn)錨固板手拉葫蘆屋梁
支承架固定鋼管平臺(tái)檁條
3.樓面上支承架不一定在混凝土梁上，為確保將支承架上的荷載直接傳遞到混凝土梁上，在每個(gè)支承架下垂直于混凝土梁方向設(shè)臵兩根200×200mm，長度不小于4m的工字鋼，每根工字鋼兩端均要搭在混凝土梁上方，以確保混凝土梁受力。對座落在地面上的支撐架,在現(xiàn)場根據(jù)施工需要進(jìn)行制作,并在支架位臵澆筑2000×2000×200mm混凝土基礎(chǔ)，基礎(chǔ)配筋為Φ12@200雙層雙向網(wǎng)片,確保支架均勻受力，并在支承架四周設(shè)臵鋼管樁，便于支承架的錨固。主拱支承架下支座見圖5.2.3-5、主拱支承架底部基礎(chǔ)圖見5.2.3-6。為確保樓板不受力，在樓板底部支撐塔架下局部設(shè)臵滿堂紅架體支撐。
砼樓面砼梁工字鋼底座支承
4.主拱與地面呈一定角度，定位控制難度較大，必需根據(jù)主拱傾斜角度，在兩個(gè)方向設(shè)臵帶角度的定位支托，以使主拱的定位準(zhǔn)確，主拱定位支座見圖5.2.3-7：
圖5.2.3-7主拱定位支座
5.2.4主拱吊裝及安裝：
1.分段及吊機(jī)的選擇
根據(jù)施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，結(jié)合鋼構(gòu)件的總重量，進(jìn)行吊裝機(jī)械的選擇及分段數(shù)量。
首先考慮吊裝機(jī)械的一般起重量，工作半徑，并結(jié)合鋼拱總重量，底部混凝土柱的柱距等，確定鋼拱分段數(shù)量及尺寸，根據(jù)單體重量很大時(shí)的起重參數(shù)，進(jìn)行吊機(jī)的選擇。
2.安裝總體流程：
1）首先進(jìn)行鋼柱及鋼柱之間的連梁安裝，具體如圖5.2.4-1流程圖一：
2）為了使屋面結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定的體系，所以對兩端第二段中間拱進(jìn)行安裝，并進(jìn)行兩端屋面梁和鋼柱的拼裝安裝，同時(shí)對兩端屋面梁之間的連梁和水平剪刀支撐進(jìn)行安裝，具體如5.2.4-2流程圖二：
3）進(jìn)行下一段屋面結(jié)構(gòu)梁安裝，同時(shí)做好吊裝主拱梁的安裝準(zhǔn)備工作；具體如5.2.4-3流程圖三：
4）進(jìn)行主拱梁的安裝，同時(shí)安裝相應(yīng)部位連梁，并在樓面上進(jìn)行鋼柱和屋面鋼梁的拼裝，具體如5.2.4-4流程圖四：
5）依此類推進(jìn)行剩余主拱的安裝，詳見圖5.2.4-5流程圖五、圖5.2.4-6流程圖六、圖5.2.4-7流程圖七。
6）進(jìn)行靠內(nèi)側(cè)主拱梁吊裝合龍，具體見圖5.2.4-8流程圖八：
7）進(jìn)行靠外側(cè)屋面梁及鋼柱等安裝，并進(jìn)行靠外側(cè)主拱梁合龍?jiān)斠妶D5.2.4-9流程圖九：
5.2.5卸荷
1．總體思路
在卸荷前，整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)荷載分別由鋼柱、支撐架及主拱承擔(dān)，卸載時(shí)支撐架上所承受的荷載逐漸過度到鋼柱和主拱上，很終形成穩(wěn)定的承載體系。卸載過程是使屋蓋系統(tǒng)緩慢協(xié)同空間受力的過程,此時(shí)整個(gè)屋蓋系統(tǒng)的內(nèi)力重新分布,并逐漸過度到設(shè)計(jì)狀態(tài)。在卸載時(shí)應(yīng)遵循“變形協(xié)調(diào)、卸載均衡”的原則,采用從中間向兩邊逐步卸荷的施工方案,先卸載中間拱的支撐架，卸完后再進(jìn)行主拱的卸荷，兩榀主拱應(yīng)同時(shí)由中間向兩端進(jìn)行。
2．卸荷具體施工過程：
1）在主拱下各支撐架的支撐點(diǎn)的H型鋼梁上設(shè)臵型號(hào)為QL50的50噸螺旋千斤頂，支撐點(diǎn)上設(shè)臵一個(gè)。
2）在每個(gè)螺旋千斤頂?shù)捻敳坷?Phi;219的鋼管做套筒，再在鋼管的頂部做與拱架角度相同的支托做為臨時(shí)支撐。
3）調(diào)節(jié)螺栓千斤頂?shù)母叨?，使支托支撐在拱架的底部，頂緊到位。
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4）在每根H型梁千斤頂?shù)穆湮惶幵O(shè)臵鋼板卡碼，固定千斤頂，防止千斤頂在支撐H型鋼梁上滑落和失穩(wěn)，具體見圖5.2.5-1、5.2.5-2：
5）待所有支撐點(diǎn)上的臨時(shí)千斤頂支撐到位、頂緊后，按照從中間到兩邊的順序逐漸拆除原臨時(shí)的支撐，讓主拱逐步落位在千斤頂支托上。
6.材料與設(shè)備
本工法使用的材料主要有格構(gòu)柱架體、200×200mm工字鋼、鋼架管、鋼板卡碼、Φ219的鋼管、舊橡膠輪胎等；主要采用的機(jī)具設(shè)備有：履帶吊機(jī)、汽車吊、千斤頂、手動(dòng)葫蘆、全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、鋼絲繩、安全繩、網(wǎng)、對講機(jī)等。
7.質(zhì)量控制
本工法施工質(zhì)量控制須嚴(yán)格按GB
50205-2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)
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收規(guī)范》中相關(guān)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。
7.1勞動(dòng)力組織到位，配備測量人員4名，負(fù)責(zé)安裝定位；電焊工20名，負(fù)責(zé)現(xiàn)場焊接拼裝；質(zhì)檢員2名，負(fù)責(zé)質(zhì)量檢查。
7.2現(xiàn)場的控制點(diǎn)和主控線在移交前，必須經(jīng)監(jiān)理等單位對現(xiàn)場的控制點(diǎn)和主控線進(jìn)行復(fù)合并確認(rèn)。
7.3主拱的控制點(diǎn)和主控線的設(shè)臵完成后，同樣須經(jīng)相關(guān)單位進(jìn)行復(fù)合并確認(rèn)。
7.4在主拱的安裝過程中，相關(guān)單位必須同時(shí)旁站監(jiān)控，以確保預(yù)埋件的安裝就位的準(zhǔn)確性。
7.5吊裝第一段箱型梁時(shí)，以箱型底柱的垂直線為基礎(chǔ)進(jìn)行安裝、垂直度校正。垂直度調(diào)整好后，箱型梁接頭部位上、下，左、右進(jìn)行點(diǎn)焊，再復(fù)測箱型梁和箱型底柱的垂直度，確保無誤后，然后在箱型梁的兩端用鋼支撐把箱型梁撐住以保證箱型梁的穩(wěn)定性，很后再對對接坡口進(jìn)行全溶透焊接。在箱型梁標(biāo)高控制上，選用在每個(gè)支撐胎架的頂部安裝一只20T液壓千斤頂，以調(diào)節(jié)箱型梁的標(biāo)高，吊裝后面的箱型梁以同樣的方法進(jìn)行施工。兩根箱型梁安裝結(jié)束后，再安裝兩根鋼梁間的支撐桿件，以確保箱型梁的穩(wěn)定性。
7.6每吊裝完一段箱型梁，對其進(jìn)行測量、復(fù)核無誤后再進(jìn)行加固、焊接。
7.7嚴(yán)格按照《焊接工藝評定報(bào)告》和《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》JGJ
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–
2002。焊接前進(jìn)行坡口除銹、打磨。箱形梁施焊時(shí)，由于箱型梁截面大，焊接量比較大，焊接過程中為防止箱型梁變形，采用兩人對面同時(shí)焊接，然后再進(jìn)行上、下坡口焊接。對于拉桿與箱形梁焊接時(shí)，也應(yīng)由兩人由上至下對稱施焊。
7.8設(shè)計(jì)要求全焊透的一級(jí)焊縫采用超聲波探傷進(jìn)行內(nèi)部缺陷的檢驗(yàn)，超聲
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波探傷不能對缺陷作出判斷時(shí)，應(yīng)采用射線探傷，其內(nèi)部缺陷分級(jí)及探傷方法應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)法》GB1135或《鋼熔化焊對接接頭射線照相和質(zhì)量分級(jí)》GB3323的規(guī)定。要求一級(jí)焊縫100%探傷。
7.9焊縫表面不得有裂紋、焊瘤等缺陷。不得有咬邊、未焊滿、根部收縮等缺陷。
每批同類構(gòu)件檢查10%，且不少于3件。
7.10主拱安裝應(yīng)符合以下質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
項(xiàng)
目
允許偏差
卸荷完成后很大下?lián)狭?/div>
由設(shè)計(jì)計(jì)算得出（本工程42mm）
定位軸線
L/20000，且不超過3mm
箱性截面高度
±2.0mm
箱形截面寬度
±2.0mm
8.
安全措施
8.1起重機(jī)的行駛道路，必須堅(jiān)實(shí)可靠。起重機(jī)不得停臵在斜坡上工作，也不允許起重機(jī)兩個(gè)履帶一高一低。
8.2安裝時(shí)搭設(shè)穩(wěn)固可靠的臨時(shí)工作平臺(tái)。并嚴(yán)防高空墜落事故發(fā)生。
8.3施工用電嚴(yán)格遵循用電規(guī)程，保證安全用電。
8.4焊接作業(yè)場地不得有易燃易爆物品。電焊機(jī)外殼必須接地良好，電源的拆裝應(yīng)由電工進(jìn)行，應(yīng)設(shè)單獨(dú)的開關(guān)。焊鉗和把線必須絕緣良好，連接牢固。
8.5防止高處墜落，操作人員在進(jìn)行高處作業(yè)，必須正確使用安全帶。安全帶一般應(yīng)高掛低用，即將安全帶繩端掛在高的地方，而人在較低處操低。
8.6安裝過程中遇大風(fēng)季節(jié)（6級(jí)以上），應(yīng)立即停止吊裝、焊接等其它施
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工項(xiàng)目。對已安裝結(jié)束還沒焊接的箱型梁，在遇到大風(fēng)時(shí)箱型梁兩端用落地鋼支撐撐住鋼梁，兩端再增設(shè)兩根攬風(fēng)繩以減少風(fēng)力對鋼梁的風(fēng)荷載。焊接前再對鋼梁的標(biāo)高、垂直度進(jìn)行測量，復(fù)測無誤后在進(jìn)行焊接。
8.7在支架卸荷過程中，必須對主拱架的變形情況進(jìn)行全程跟蹤觀測，并做詳細(xì)記錄，應(yīng)避免突變情況的產(chǎn)生。
9.環(huán)保措施
9.1嚴(yán)格控制人為噪音，進(jìn)入施工現(xiàn)場不得高聲叫喊、亂吹口哨、限制高音喇叭使用，很大限度的減少擾民。施工噪音遵守《建筑施工場界噪聲限值》（GB12523—90）。
9.2加強(qiáng)對施工現(xiàn)場粉塵、噪音、廢氣、廢水的監(jiān)控工作，及時(shí)采取措施消除粉塵、噪音、廢氣、廢水的污染。
9.3保持施工機(jī)械的整潔。電纜、氣割帶、風(fēng)帶等沿施工臺(tái)架成束之下而上拉放。并應(yīng)捆扎牢固。
10.效益分析
主拱吊裝采用分段吊裝施工技術(shù)，施工較為方便，工序交叉影響少，保證了施工質(zhì)量，加快了施工速度，提高了工作效率，節(jié)省了人工開支，從而降低了工程造價(jià)。
10.1節(jié)省人工費(fèi)、機(jī)具租賃費(fèi)、縮短工期帶來的效益
縮短工期合計(jì)按33天計(jì)算。
人工費(fèi)節(jié)約：33天×90人×70元/天=207900元
機(jī)具租賃費(fèi)33天×20000元/天=660000元
合計(jì)：86.79萬元。
10.2社會(huì)效益
本工法所涉及的內(nèi)容在不同程度上解決了目前國內(nèi)大跨度拱型鋼結(jié)構(gòu)安裝的空白，為目前國內(nèi)同類型鋼結(jié)構(gòu)的很長跨度，對安裝中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行較全面、細(xì)致的研究，實(shí)現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理和施工方便等目標(biāo)，為保證工程質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全提供了理論的依據(jù)，可為同類工程積累寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。此項(xiàng)目通過了省建設(shè)廳組織的專家鑒定，成果達(dá)到了國際先進(jìn)水平，目前已申報(bào)河北省科技進(jìn)步獎(jiǎng)。
11.工程應(yīng)用實(shí)例
11.1工程實(shí)例概況
呼和浩特白塔機(jī)場擴(kuò)建工程航站樓工程結(jié)構(gòu)形式為混凝土框架及鋼結(jié)構(gòu)，
7.2米以下為混凝土框架梁板，南北方向跨度92米，東西方向長度168米，上部為兩榀變截面箱型鋼性斜主拱，落地長度205.44米，主拱平面內(nèi)半徑約141.1m，拱斷面采用下大上小的變高度箱型斷面，由鋼板焊接而成，翼緣寬度1.4m不變，截面高度由1.8m至1.4m漸變，壁厚25mm，在拱的自身斜平面內(nèi)呈圓弧型，拱頂距離12m，主拱很高高度40m，拱與地面成64度角，主拱自重391.7噸。
11.2航站樓主拱在施工過程中，計(jì)劃吊裝開始工期為4月15日，如采用整體吊裝，所有構(gòu)件須在4月15日全部到場，實(shí)際采用分段吊裝后，構(gòu)件按吊裝計(jì)劃分批進(jìn)場，既減少了運(yùn)輸費(fèi)用，又減少了單構(gòu)件吊裝起重量，減小了起重機(jī)噸位，降低了吊裝難度，施工時(shí)采用了首鋼的利瑪7707型300覆帶吊進(jìn)行主拱吊裝作業(yè)，施工安全、快捷，同時(shí)可與航站樓其它土建工序穿插作業(yè)，減少了工序間的施工影響。從而加快了施工進(jìn)度，航站樓鋼結(jié)構(gòu)主拱于同年6月19日順利實(shí)現(xiàn)合攏，確保了計(jì)劃工期，為航站樓工程的順利竣工奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
