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作者：周双喜 许通 戴修成 王族 张子建 许朝敬 王伟铨
中建科工集团有限公司
摘 要
大跨度钢桁架体系在钢结构应用中较为广泛，常见为单层大跨度钢桁架体系，其安装方法较为成熟，而多层大跨度钢桁架结构体系的安装项目案例较少，其安装技术有待进一步细究。
深圳市第三代指挥中心项目地上结构为六层连续大跨度钢桁架体系，建筑高度56 m，每层由六榀大跨度钢桁架+钢次梁组成，层高6.5～12 m不等，身处建筑密集城区，堆场道路等条件极其受限。对其安装方法进行比选，否定了整体提升、滑移安装等施工方法，最终采用施工快速、安全经济的单点式支撑体系原位安装钢桁架。通过对其结构形式、连接方式、端部节点构造的优化设计，达到快速安装拆卸的效果。每榀桁架在工厂制作时预起拱，现场安装时中间起拱值为60 mm，平面上由南向北采用分段进行原位安装，立面上采用以两层钢桁架为一个安装单元，与两侧结构形成双层框架体系后，再进行下层桁架支撑的卸载转运、楼板浇筑，完成本层楼板浇筑后再向上安装第三层桁架结构，按此顺序层层向上周转支撑体系进行桁架安装。利用有限元分析软件MIDAS提前对安装过程中的支撑体系受力和结构下挠变形进行施工模拟验算，在每榀桁架的中部和端部设置位移监测点，施工过程中做好监测记录。
通过数据对比结果表明：卸载前后的桁架变形下挠模拟值与实测数值基本吻合；此快装拆式单点支撑体系在深圳市第三代指挥中心项目的成功应用，充分证明了此支撑体系施工快速、安全经济的特点，其立面上采用以两层钢桁架为一个安装单元，与两侧结构形成双层框架体系后再进行下层桁架支撑卸载转运的施工顺序，可有效控制结构施工过程中的偏移。
1 工程概况
深圳市公安局第三代指挥中心是一栋结构形式为钢-混组合形式的单体建筑，地上主体平面尺寸为38.3 m×46 m，建筑高度为56 m，4层地下室，深度20 m，地上6层，层高6.5～12 m不等，为连续大跨度钢桁架结构形式，每层由6榀大跨度钢桁架+钢次梁组成，2～5层每榀桁架质量为23 t，桁架高度为2.1 m，屋面层桁架每榀质量为36 t，桁架高度为2.8 m，桁架跨度达34 m。在建筑工程中，属于罕见的连续多层大跨度钢桁架结构体系，如图1所示。
图1 钢桁架结构体系 m
因项目场地狭小且处于建筑密集城区，经分析论证，从可操作性、经济性、施工周期等方面考虑排除了整体提升、滑移、跨外吊等常规大跨度桁架的安装方式，从而考虑每层设置桁架支撑体系，利用主体结构北侧现有的一台M600D动臂塔吊进行桁架的原位吊装。根据项目整体场地情况、塔吊性能、运输条件及工期要求等，每榀钢桁架均分为三段，钢柱分为7节，每10 m左右为一节，如图2～图4所示。
图2 钢桁架布置
图3 钢桁架分段
图4 钢柱分段
2 安装方法比选
大跨度钢桁架常规安装方法有整体提升、滑移安装、跨外吊、胎架支撑原位安装等，考虑本项目所处建筑密集城区、场地狭小等特点，现实可行的有以下2种安装备选方案。
整体提升安装
整体安装思路为：首先安装桁架两侧钢柱、钢梁及斜撑至屋面层高度，钢桁架在地面完成整层的拼接，采用液压顶升设备，优先顶升安装屋面层桁架，再依次向下安装，如图5所示。
图5 整体提升 m
此安装方法有如下风险。
1)安全风险：桁架两侧钢柱一次安装过高，且无中间桁架连接形成框架体系，安全风险较大；
2)技术风险：钢桁架的加工制作、进场安装采用由顶层依次至底层的顺序，对深化设计整体要求较高，变更容错率较低；
3)工期风险：上部桁架层的施工作业(楼承板铺设、钢筋穿筋、楼板浇筑等作业)，对下层钢桁架提升安装影响较大，势必造成需等到钢桁架整体提升完毕后，方能进行后续作业的插入，无法形成流水施工，工期影响较大；
4)商务风险：桁架的拼装，除现场塔吊外，还需另外租用汽车吊等机械设备，进行场内的整体拼装，支出较大。
胎架支撑原位安装
采用装配格构式胎架支撑、原位安装钢桁架，如图6所示。
图6 装配格构式胎架支撑
此安装方法缺点：
1)装配格构式胎架底座较大(约2 m×2 m)，难以与下层钢梁固定，且自重较大，对结构承载力要求较高；
2)装配格构式胎架，因散件较多，吊装、拼装、拆卸转运等所需场地面积、施工工期及劳动力较多，施工较为麻烦；
3)因装配式标准化胎架具有一定的模数尺寸(底层高度为4 m)，不适用于连续多层桁架支撑且层高较低的建筑，安装不便利。
综合考虑备选方案的特点，认为标准化胎架支撑原位安装钢桁架较为切实可行，但需对其支撑体系进行优化。
3 支撑体系优化
考虑到标准化胎架支撑的局限性(冗重)，将此支撑优化为安装拆除快捷的型钢点式支撑体系。此快装拆式支撑体系主要组成部分有：支撑钢桁架的型钢立柱、立柱间的横向联系梁、增强侧向稳定性的八字斜撑、利于受力的柱底钢板以及便于卸荷用的可调节无损耗式支撑钢板，通过简易的梁柱框架体系，对钢桁架进行点式支撑，加上自身的可拆卸式节点设计，达到快装快拆的效果。
该快装拆式支撑体系原理：
1)利用钢柱、钢梁、斜撑组成稳固的点式支撑体系，立柱顶部设置可调节无损耗式支撑钢板，用于安装卸载时调整标高；
2)所有构件经承载力计算后，均采用热轧H型钢，便于采购加工制作，保障了施工工期；
3)作为点式支撑的型钢立柱，其自身通过设置横向联系梁、八字斜撑的形式，增强平面内外的稳定性，同时底部设置一块钢板，以增大受力面积，减小荷载受力；
4)支撑立柱与钢梁斜撑连接节点均采用连接板+螺栓的铰接节点形式，便于快速安装及拆除。
支撑体系结构如图7所示。
a—立面图1(立柱、横梁)；b—立面图2(立柱、八字撑)；c—顶部可调节无损耗式支撑钢板立面；d—顶部可调节无损耗式支撑钢板三视图；e—底部端头钢板(采用膨胀螺丝固定在混凝土楼板上)。图7 支撑体系节点大样
4 桁架安装
桁架平面安装顺序如图8所示，即：
图8 桁架安装顺序平面
1)优先安装桁架两侧的钢柱、钢梁及竖向桁架支撑体系，调整并定位其顶端标高；
2)按照由南向北方向，安装第一榀桁架的两端桁架；
3)安装第二榀桁架的两端桁架；
4)安装桁架段之间的次梁，使其两榀桁架连成框架；
5)安装两榀桁架的中间桁架段，安装中间次梁；
6)按此顺序依次向北安装，直至完成桁架安装。
桁架立面安装顺序：
1)优先安装首层东西两侧结构；
2)安装首层中间区域桁架支撑体系及第一层桁架；
3)安装二层东西侧结构；
4)安装二层中间区域桁架支撑体系及第二层桁架；
5)卸载转运首层支撑体系；
6)浇筑二层楼板混凝土；
7)安装三层中间区域桁架支撑体系及第三层桁架；
8)卸载转运二层支撑体系；
9)浇筑三层楼板混凝土，按此顺序依次向上。
立面安装整体原则：优先安装东西两侧结构，中间大跨区域安装两层钢桁架，与两侧结构形成双层框架体系后再进行下层桁架支撑卸载转运、楼板浇筑，在完成本层楼板浇筑后，再向上安装第三层桁架结构，按此顺序依次向上安装。
起拱设置：大跨度桁架中间起拱60 mm，钢框梁起拱L/700，次梁起拱L/600(L为跨度)。
5 施工模拟验算
步骤1：安装首层东西两侧结构及中间桁架支撑(图9)。
a—最大组合应力 MPa；b—合位移 mm；c—单榀桁架受力情况 kN·m。图9 步骤1模拟
步骤2：由南向北安装两侧桁架段(图10)。
a—最大组合应力 MPa；b—合位移 mm；c—单榀桁架受力情况 kN·m。图10 步骤2模拟
步骤3：安装中间桁架段及次梁(图11)。
a—最大组合应力 MPa；b—合位移 mm；c—单榀桁架受力情况 kN·m。图11 步骤3模拟
步骤4：按此顺序依次由南向北安装(图12)。
a—最大组合应力 MPa；b—合位移 mm；c—单榀桁架受力情况 kN·m。图12 步骤4模拟
步骤5：第一层桁架安装完成后，安装第二层桁架(图13)。
a—最大组合应力 MPa；b—合位移 mm；c—单榀桁架受力情况 kN·m。图13 步骤5模拟
步骤6：卸载首层桁架支撑(图14)。
a—最大组合应力 MPa；b—合位移 mm；c—单榀桁架受力情况 kN·m。图14 步骤6模拟
步骤7：浇筑第一层混凝土楼板(图15)。
a—最大组合应力 MPa；b—合位移 mm；c—单榀桁架受力情况 kN·m；d—左右结构水平变形量 mm。图15 步骤7模拟
6 实际与模拟对比分析
每榀桁架上设置3个位移测量点(图16)，支撑体系的卸载转运由中间向两端顺序进行。卸载前后，采用全站仪监测变形，典型楼层卸载前后模拟与实际变形值如表1所示。结果表明：卸载前后桁架变形下挠模拟值与实测数值基本吻合，实测值略大于模拟值，在可控范围内。
图16 桁架位移测点
表1 典型楼层模拟与实际变形值
注：“-”代表降低。
7 结 论
1)连续多层大跨度钢桁架安装过程中，立面上采用以两层钢桁架安装为一个单元，与两侧结构形成双层框架体系后再进行下层桁架支撑卸载转运、楼板浇筑，完成本层楼板浇筑后再向上安装第三层桁架结构，按此顺序层层向上周转支撑体系进行桁架安装。结果表明，此类安装方法可有效控制结构偏移。
2)深圳市第三代指挥中心项目地上多层钢桁架主体的快速建造，充分发挥了此快装拆式单点支撑体系的安全稳固、装拆快速、实用经济的特点，并成功地将其应用到连续多层大跨度钢桁架安装中。
来源：周双喜, 许通, 戴修成, 等. 多层大跨度钢桁架安装技术的研究[J]. 钢结构(中英文), 2021, 36(8): 35-41.
doi: 10.13206/j.gjgS20080501
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