大跨度悬吊预应力钢结构施工控制要点

甄永明

【摘要】：随着我国钢结构在建筑工程施工与建设中的广泛应用以及我国钢结构工程的规模与其数量越来越多,钢结构工程的施工技术要点以及其施工技术已经成为了工程施工与建设的研究重点。本文将以特殊悬吊式钢结构的建筑工程作为实际案例,结合其结构性质和特征,对于悬吊式大跨度钢结构工程的主体结构施工技术要点问题进行更深入的分析和论述

【关键词】：大跨度悬吊钢结构 工艺流程 预应力 措施

前言：

钢结构工程的施工技术要点和其施工方法已经成为了工程建筑施工技术研究的重点。本文将以特殊悬吊钢结构的建筑工程作为实际案例,结合其建筑结构的特性,对于我国大跨度悬吊钢结构工程的主体结构施工技术要点展开分析和论述,以期促进我国大跨度悬吊钢结构在建筑工程施工和建设中的发展和运用。

1. 工程概况

文化创意产业中心共七层,最高建设高度为33.8米;地上七层,建筑面积15531.32平米,框架抗震墙结构;建筑独特新颖,外墙从低到高向外倾斜。为提高施工效益,多采用悬吊式的结构方法。在屋顶处设置了五点四m高悬臂桁架,桁架下设置层层退台的吊柱,满足建筑造型效果。为了降低悬臂桁架的跨度,在悬臂端支座处设计斜柱。

文化创意产业中心,建筑造型为"上大下小"的倾斜形体,并采用悬吊方案。在建筑物上方设有整层高的悬臂钢纵桁,并支承于由抗震墙圈围的筒体上。同时为了降低悬臂结构与桁架梁结构的跨度,在筒体周围还设置了一些向外倾斜的框架梁。混凝土筒体、倾斜的框架混凝土钢骨柱及悬臂钢桁架形成了结构承重体系及抗侧力体系。悬臂钢桁架下根据建筑空间布局设置钢吊柱,承担各层楼板传来的重力荷载。本工程为多层建筑,建筑层数地上共七层,从四局部外挑结构采用钢结构。总钢结构吨位约1129吨,地上层高分别一层5.7米、二层5.8米、三层、四层、五层、六层4.2米、七层4.3米,建筑高度:32.6米。

本工程外挑钢结构部分结构三维视图如下

图1.1 外挑钢结构部分结构三维视图

2. 钢结构施工工艺及流程

   1. 施工工艺

图2.1 钢结构施工工艺流程图

1. 2. 现场施工方案

根据本工程特点及现场情况，桁架上、下弦箱体梁在工厂加工成型，运到现场组装成段落再吊装的思路进行施工。屋面层桁架主体结构采用1台400t汽车吊进行安装，钢桁架以10m~11.5m、上、下弦变径处分段为吊装单元（圆形处为示意打断点）。

图2.2 吊装顺序整体平面图 桁架分段明细表：
序号	桁架编号	分段编号	分段重量（kg）	分段长度（mm）		备注
1	HJ4-1	HJ4-1-1	14380.3	上弦长度	9450
				下弦长度	9950
		HJ4-1-2	15279.3	上弦长度	11600
				下弦长度	9300
		HJ4-1-3	16185.3	上弦长度	6700
				下弦长度	9000
		HJ4-1-4	16809.29	上弦长度	9200
				下弦长度	9100
		HJ4-1-5	14032.6	上弦长度	7800
				下弦长度	7400
2	HJ5-1	HJ5-1-1	13906.8	上弦长度	9750
				下弦长度	10250
		HJ5-1-2	15802.9	上弦长度	9200
				下弦长度	9100
		HJ5-1-3	13763.7	上弦长度	7550
				下弦长度	7150
3	HJ1-1	HJ1-1-1	23130.6	上弦长度	9950
				下弦长度	10350
		HJ1-1-2	11701.6	上弦长度	8800
				下弦长度	8900
		HJ1-1-3	12514.7	上弦长度	9000
				下弦长度	9000
		HJ1-1-4	12514.7	上弦长度	9000
				下弦长度	9000
		HJ1-1-5	11514.7	上弦长度	8200
				下弦长度	7700
4	HJA-3	HJA-3-1	23709.6	上弦长度	9950
				下弦长度	10750
		HJA-3-2	11001	上弦长度	7600
				下弦长度	6800
5	HJ2-1	HJ2-1-1	13520.6	上弦长度	9750
				下弦长度	10250
		HJ2-1-2	12812.89	上弦长度	8200
				下弦长度	7700
6	HJ3-1	HJ3-1-1	24645.73	上弦长度	9750
				下弦长度	10250
		HJ3-1-2	24664.26	上弦长度	9200
				下弦长度	910
		HJ3-1-3	17105.67	上弦长度	8000
				下弦长度	7600
7	HJC-1	HJC-1-1	25111.21	上弦长度	9850
				下弦长度	10725
		HJC-1-2	15707.59	上弦长度	7600
				下弦长度	6800
8	HJE-1	HJE-1-1	18078.64	上弦长度	9750
				下弦长度	10300
		HJE-1-2	19157.24	上弦长度	9200
				下弦长度	9100
		HJE-1-3	15141.45	上弦长度	7600
				下弦长度	7200
9	HJF-1	HJF-1-1	15145.43	上弦长度	9800
				下弦长度	10300
		HJF-1-2	16251.22	上弦长度	9600
				下弦长度	8700
		HJF-1-3	13101.73	上弦长度	7150
				下弦长度	7550

1. 3. 钢结构桁架现场拼装施工工艺

      1. 拼装平台及设施搭设

拼装前,到施工现场做个约40M*40M长的钢结构拼装平台。

平台设施特点:平台使用HN二百*二百*八*十二热轧H型钢搭建,并支承于地板之上,经调整后高差不得超过五mm,以保证钢桁架的安装质量达到设计标准。

图2.3 钢结构拼装平面布置图

1. 1. 2. 钢桁架现场拼装

(1)按图纸要求在装配平台上装配各不锈钢部件。

(2)组装时,按设计要求,按图号顺序将各分段构件组装在平台上。

(3)上下弦杆的粘接:接头采用全熔透焊接。在组装现场焊接完成后,开始焊接,焊接时将上下臂板分别粘在底部,然后按要求粘接,防止焊接变形。

(4)安装上下弦斜网:按设计图定位尺寸焊接到位后开始焊接。焊接时,两名焊工同时对裂纹的左右两侧进行焊接,避免焊接变形。

(5)现场组装焊接

A、焊接材料的选择:

按设计图纸要求焊接材料选用:

所有焊接材料都需有合格的质量证明文件。

B、焊工培训

现场进行焊前根据工程人员的实际情况,对合格焊工进行技术培训和实施技能交底,使员工知道在作业流程中所需要执行的焊接工序,以防止因盲目作业而引起质量事故。

C、焊接工艺要求

①焊接区应确保干燥,不能有油污、水、锈、氧化皮以及其它杂质;

②焊区域处理情况按设计图纸规定,并选用合适的焊接头形式,在满足焊透深度前提下,多选择对称斜坡处;

③所有不应于厚板倾斜方向上承受较大拉伸压应力的焊缝实板的两端部均应设有多层焊缝,以有效防止发生层状富锂的焊缝撕裂。

④对焊条t型、十型、角焊对接及脚接头等焊条要求采用熔透的角接对焊头或脚与其他角焊对接接头组合成的焊条,其角接对焊头与脚角接长度要求不应不得超过焊条t/4。

⑤在焊接表面处严禁有熔渣,两侧严禁有溅落物,焊后的焊缝应在冷却前或焊后约一h检验是否有裂纹,若发现有裂纹,则不宜擅自处理,而应该找出病因,并制定出修复工艺后方能解决。

⑥焊缝检验:已拼接对接的焊缝属一级焊接,所有连接的全熔透焊缝均应按规定作超声波检测。对于质量不合格的,焊接时可用碳弧气刨及切割方法对缺陷部分返工并进行焊接处理,且在相同部位内不能返工二次以上,避免了钢材特性因高温而产生变化。

拼装检验注意事项:在建筑地面进行拼装前后均应对所有结构构件进行拼装检验,构件出现变形、缺陷或构件超过工程规定高度偏差时,均应立即作出拼装处理。并随时检查用力或高强度活动螺栓拧紧连接时被摩擦的螺栓表面,严禁接触含有任何泥沙和金属杂质,且螺栓摩擦后的表面处理应当保持平整、干燥,并同时严禁禁止工人于暴风雨水中劳动作业。地面框架拼装结构完成后需要使用一种无需机油的橡胶枕木把拼装构件和地垫紧固起来,在拼装结构二端之间使用一根木杠进行支承,以有效提高拼装结构时的稳定性。然后仔细检查每个吊点,并准确对准吊点基准线的位置及吊点中心线。在翻身桁架焊接底面焊缝的时找准吊点,使分段桁架成水平状态,确定吊耳位置在施焊吊耳。

3. 钢结构施工前质量控制要点

   1. 企业资质、专项施工方案的审查及实施细则的编制

(1)审查由签发分包协议单位所提供的钢结构项目分包商资格,并重点审查项目分包商的经营许可、企业法人资质等级、安全生产许可;分包商业绩;拟分包的内容与范围;承包单位管理人员的资质证书,以及特殊工种资格证书。

(2)审查国家工程建设技术规范、工程质量管理制度、质量监控和检测体系、工程建设规划,以及施工现场的技术文件。施工方案应包含编制基础、概况与分析、工程组织、施工准备、施工工艺规程、主要施工方式、质量要求等内容,并反映了电缆组件加工工作与现场安装的主要参数、施工优势、困难点和措施技术质量保证措施。

(3)项目部根据设计文件、相关规范法规、施工方案等,制定《实施细则》,制定质量目标,落实分工和责任,明确采取的方法和施工控制措施相结合。与每个阶段的主要和难点。

1. 2. 原材报验与进场检验

(1)进场结构应当按照现场吊装施工区域的布置次序,分批配套进行,先安装的设备先进场后,各批次进场结构的序号和数量,安排单位须提早三天告知生产厂家。

(2)建筑构件检验合格分为二步实施,首先是由驻厂监理及驻厂代表检查,若出现的质量问题则须驻厂维修合格,后方可发运;第二步构件在运抵现场后,由现场专门的质量检验队伍率先负责检验,若出现材料短缺及破损,或质量不合格者,应先于发运单上标明,由双方经办者于交接单上签章确认,并将检验合格情况告知生产企业与安装现场施工的责任人。凡是当场检验不合格的结构、配套部件、由生产厂家或者派驻现场的检修小组自行处理,并不能延误钢构的正确吊装,特殊情况下可以通过书面委托施工管理部门解决。其管理费用则由加工厂负担。

(3)构件质量的检查要点:

①严格检查焊接构件、配合件的生产出厂检验合格证、材料使用证明和施工材料的检查复试试验报告,焊接构件外观施工质量和构件无损伤的检验复试报告,焊缝焊接工艺性能评定、施工质量试验报告,和该批次所交验施工材料的相关施工试验技术证明资料。

②重点检查焊接进场钢板构件的外部装饰质量、结构的弯折挠曲性和变形,牛腿的各个方向焊接节点和钢板构件表面积的损伤和弯曲变形、焊接件的外观装饰质量、以及构件具有较大摩擦力表面积的抗压和滑移腐蚀系数符合规定的构件表面防锈喷砂剂和除锈材料质量。

③同时检查两个构件的焊接几何变形尺寸、尤其特别是在二端铣平时,构件焊接直径(此时应将构件焊接前的收缩长度值和焊接压缩后的变形长度值分别计入两个构件的焊接长度内)及其间的平面度、垂直度。安装构件焊缝螺栓坡口孔的尺寸包括精度和连接方向,构件内部连接的螺栓断面插孔几何图形尺寸,螺栓构件连接的插孔几何尺寸和相连位置接孔数量,焊接螺钉接孔数量和连接位置等。

④当检测结构外形尺寸,例如构造上的节点板,螺栓缝等部位时,应当以结构的中心点为基础进行检测,而不能以结构的棱边,或侧面的基准线进行检测,否则可能产生偏差。

(4)检测各构件加工的外形尺寸的最大容许误差

4. 施工过程中质量控制要点

   1. 钢柱安装

      1. 柱身弹线

1)在上层的钢杆吊装前,应当先对其定位轴线,高度等因素加以全面检验,并对钢杆的编号、外形尺寸、螺孔位置和孔径、连接板的位置等,作出全方位复核。确定满足的设计图纸条件后,就划出了钢梁上二端的安装中心线与梁下端标高直线。

2)钢柱安装辅助准备:

钢柱在进行起吊前,把防滑吊索具、操作防滑平台、登防滑云梯、溜防滑绳索和各种防滑吊坠器等,紧固于起吊钢杆之上。

3)用连接钢杆在最后的前端耳板连接上固定耳板和安装吊板后再进行安装起吊,并进行安装耳板就位。

图4.1 钢柱安装辅助

图4.2 钢柱吊装

1. 2. 钢梁吊装

1)在吊装前,检查横梁的几何宽度、节点板部位和走向。

2)在吊挂钢梁拼装前,要除去摩擦表面的浮锈和油污。

3)将钢柱接上安装绳索,当钢柱连接和柱子相连之后,把安全绳索固定到柱子上面。

4)将梁与柱二端连接以专用的一条安装绳以螺钉与梁联接,再按照所安装需要用的数量将梁放入一旁,吊于柱二端,和其他横梁一同进行吊装。

图 4.3 钢梁示意图

1. 3. 钢构件校正

      1. 钢柱校正流程

图 4.4 钢柱校正流程图

1. 1. 2. 调整

使用二台坡度尺在柱子的横向二条轴向上同步观测,在柱底借助千斤顶进行调节。柱子顶部则依靠揽风绳葫芦调整柱子顶,无误后稳固柱子脚,并牢牢拴紧揽风绳。

1. 1. 3. 钢柱垂直度控制

一般分四步进行：初校后初拧；终拧前复校；焊接过程中跟踪监测；焊接后的最终结果测量。

初次压拧前一般可先用长尺或水平尺粗略平整调节工件垂直度的程度,等工件形成固定框架后再对其进行精确高度校正。此时必须充分考虑钢杆偏差值的预留,在终端焊接后还要相应进一步进行复测,并和终端焊拧时的偏差检测试验结果相适应对比,以便可作为上一节中进行钢杆偏差校正的重要依据。

1. 1. 4. 标高调整

首节模板钢杆确定标高主要要求取决于桥梁基础支柱埋件高度的确定准确性,在施工装配之前还需要严格仔细检测每个支柱锚栓模板高度,将支柱基础埋件搁置物高度始终控制在支柱锚栓上方,并且要提前用首节钢板进行调整以达到一定标高。上一节吊顶钢杆吊机安装时以后用水准仪重新测量检查柱式吊顶钢杆高度,无误后使用拴好的钢杆揽风绳即可使钢杆吊机形成落地挂钩。

在前后重复两次测量柱体二顶上的高度之前,将在两个柱体二端上悬挂着的电子磁力学电线杆下垂初步以用来确定与两个柱体间的垂直度,然后再重复测量高度。测量立柱高度时,可以直接使用在柱底上约一米的德国标准十字架直线测量标尺来进行高度校核。

1. 1. 5. 钢柱安装的轴线位控制

以每个节柱柱子为控制单位可以进行在线调整,并于各柱子节柱进行装配之前先把原始的在线控制装置轴线直接投射至已经安装好的楼面上,并以控制放线图(样)方式确定各个节柱子的具体位置后并借以在线校正检测点,成为各个节柱子具体位置在线校正的技术基础。于各个后节柱进行装配之前(即是前一节柱装配安装、焊接后期所需要工作轴位尺寸偏差的高度测量)均应复核前或后节柱装配安装时期的轴位高度误差测量结果,并于后节柱装配时及时进行加以检查调整,所有要调整的控制基准线均以前节借基准线所在控制基准点上的位置测量为准。

1. 1. 6. 柱旋转的控制

接杆前应复核杆上联接板中心和中心线的重合状况,再接杆时依据联接板中心和杆中心线之间的误差状况,对上下杆中心线之间的重合状况加以控制。

1. 1. 7. 影响钢柱倾斜的因素

主要有以下几点：

1)安装误差

这些偏差,大多因安装过程中碰撞或钢梁本身的几何尺寸误差所造成,也涉及在校正过程中对测量人员动作的偏差。

这种人为因素,可由做好施工管理监督工作加以保障。

2)焊接变形

钢柱在进行施工后,焊缝的横向压缩变化对于钢柱垂直度影响较大,因为该建筑焊接较厚,故对累计误差的影响也较大。

施工前,准备就本工程具体情况采取的有效措施为:

校正时,外侧墙柱顶以向外倾2~3MM进行控制。

焊接过程中进行的抽样轴线变化观测,以及适当调节焊缝顺序。焊时于柱二端各悬挂一个磁力焊接线锤,以及时检查在一次焊接操作过程内柱中的焊接轴线是否变形,并对其作出适当调整焊接后对顺序进行调整。

3)日照温差

日照时间温差所直接引起的温度误差,和物体柱子的细长直径比、温度差等因素成正比。一年四季的全球气温转化变动往往会直接使建筑钢结构的原材料制品产生很大的气候变化,特别尤其是夏季。在强太阳光线的照耀下,向太阳洋面的一侧水流会膨胀且流量很大,因而大型钢梁便向船体背向反射阳光的一侧微微倾斜。

通过监测发现，夏天日照对钢柱偏差的影响最大，冬天最小；每日上午9~15时较大，早间及晚间较小。考虑到时差影响，因此本工程校正工作宜在早7～9点，下午15～17时，夏天晚间可适当延长。

4）缆风绳松紧不当

严禁利用揽风绳强行改变柱子垂偏值。

1. 4. 预应力施工

      1. 工 艺流程

图4.5 预应力工艺流程图

1. 1. 2. 材料制作及准备

1.组织检查材料,收集材质资料,请工程监理单位验收取样。

二是将组织招聘相关专业技术人员,熟悉测绘工程图纸和相关技术证明资料。在上级施工单位统一组织下,协助总工程设计、监理、和其他施工单位就大型预应力建筑工程图纸方案开展项目会审,领会工程设计项目意图、技术设计要领、关键点。

3.根据施工图纸进行预应力图纸深化。

4.对班组长进行书面交底。

5.材料检查和验收:按照设计图纸规定选用的钢绞线,由制造商提供产品合格证,并进行材料复核。

1. 1. 3. 预应力筋制作及存放

1.预应力筋下料和制束

本工程预应力筋在厂家定尺加工好后,按进度提前2-5天配货至施工现场存放。

1)下料时作业人员应按照下料单的规定长度,完成下料。

下料施工尺寸设计应当通过综合分析考虑钢筋预应力张拉筋长度曲线拉伸曲率、张拉伸长平均值等多种因素,且同时应当按照不同的钢筋张拉施工下料方法以及锚固筋的长度施工形式,预留好不同张拉筋的施工下料尺寸。

下料长度: L=LT +(a+b+c)-一端张拉

其中:LT —钢绞线的设计长度;

a —千斤顶的工作长度;

b —锚具外形厚度;

c —钢绞线伸出千斤顶的长度。

2)由于转动钢绞线盘的转动弹力很大,要注意避免了在加工下料料的过程中因转动钢绞线盘的紊乱而下料弹出来或伤人。

3)在下材时要遵循先下长筋,后下短筋的原则。

4)采用预应力焊钢筋的接头下料可以使用立式砂轮自动切割机进行切割,但接头不得同时采用电焊和气焊的接头。

5)当采用切割机截断预应力筋时应注意安全操作,在切割机正后方严禁站人。

2.预应力筋及锚具的存放

在将外部预应力钢筋运到施工现场,并摊放使用之前,应该使它适当保存放在干燥平整的地点,并且下面要有垫木,防止材料生锈;锚具、张拉设备和有关配件都必须存放在专用仓库里。

1. 1. 4. 无粘结预应力筋的铺放

1.管道对接及灌浆管布置

由于管道在钢梁内部穿过，连同钢梁一起在工厂加工好发到现场，而钢梁现场分段拼装，在拼装分段点，穿钢绞线的管道通过外套大一号钢管对接，并在内伸钢骨梁内的外套钢管上开洞插入灌浆管，内伸钢骨梁剪力墙混凝土需要在灌浆管安装完成，钢绞线锚固就位后浇筑。

2.排气管布置

本工程排气管通过在固定端设置多一孔的锚具来实现，HJ3和HJC需在该处锚具孔插入排气管引出钢箱梁外后进行钢梁拼接。

3.预应力筋穿束

将钢绞线使用锚具束缚并做好编号标记，以免穿束过程中钢绞线的扭转错位，然后绑扎起来穿入管道，采用人工在固定端往管道插送的方式穿束。

4.预应力筋锚固

钢绞线穿出管道后，散开各钢绞线束，并穿出锚垫板后用穿入单孔锚具固定。

5.其他事项

1)用于运到现场施工的所有预应力筋上均必须附有固定编号筋的标志,预应力筋的固定铺放安装位置一定要和施工图纸上所示的筋序号相同或对应。

2)在预应力浇筑时,以预应力筋定位为主,非预应力筋可适当偏移。

3)为有效提高钢筋预应力直立张拉锚固质量,预应力直立曲线段与筋内外末端的横向水平垂直切线间距应当与筋内外承受加压的防水板相同或垂直,而直立曲线段的末端起点与张拉锚固的起点之间间距应为不不得低于三百mm的直立曲线段。

4)张拉施工端的张拉承压作用水板须固定有可靠牢固,以免在用力振捣钢筋混凝土时用力移动,且必须注意保证张拉承压作用水板轴线和端的承压作用水板轴线垂直。

5)预应力筋的部位宜保持垂直,节点组装件放置紧密,不留有缝隙。

6)在预应力筋开始后铺设直至混凝土施工,但尽量避免在预应力筋附近使用电工,以免因预应力筋通电导致强度下降。

7）预应力筋在梁中应按图纸中给定的数量成束布置。在张拉端、固定端位置处可由整束过渡到分散布置。

1. 1. 5. 成品保护

其他班组施工时，应注意对预应力筋及组装件进行保护和看管。

1.现场施工中，各工种应注意保护预应力筋，不得在上面堆料、踩踏。

2.在整个预应力筋的铺设过程中，如周围有电焊施工，预应力筋应用石棉板进行遮挡，以免造成预应力筋损伤。

1. 1. 6. 混凝土的浇筑及振捣

1.当非预应力筋、预应力筋及有关组件铺设安装完毕后，应进行隐蔽工程验收，确认合格后，方可浇筑混凝土。

2.预应力梁混凝土浇筑时，应增加制作两组混凝土试块，与预应力梁的混凝土同条件养护，以供确定张拉时间使用。

3.混凝土浇筑时，严禁踏压撞碰预应力筋、支承架以及端部预埋构件。

4.用振捣棒振捣时，振捣棒不得正对着组装件进行振捣以防松动移位。

5.张拉端、锚固端混凝土必须振捣密实以防张拉时发生意外。

6.应采取措施加强预应力梁混凝土的现场养护,防止张拉前出现早期收缩裂缝。

1. 1. 7. 预应力筋张拉工艺

在混凝土强度达设计强度100%之后，方可进行张拉，本工程采用二级张拉，一级张拉50%设计张拉力，二级张拉100%的设计张拉力，每级张拉顺序均为：HJ3→HJC→HJ1→HJA，每个点均采用单锚张拉方式，按照对称逐级的方式将该点的所有钢绞线张拉完，才能进行下个点的张拉。

图4.6 预应力张拉顺序图

张拉分级	张拉顺序
一级张拉	1→3→5→7
二级张拉	2→4→6→8

1. 1. 8. 张拉端端部处理

1、按设计图纸预应力筋张拉端大样进行。

2、张拉锚固后，用砂轮锯切断超长部分的预应力筋，严禁采用电弧切割。预应力筋切断后露出锚具夹片外的长度不小于30mm。

5. 结束语

因为大跨挂吊钢构件对安装顺序要求较高,所以如果未合理考虑安装顺序,那么钢结构就不能适应大吊装的要求,也可能影响到构件的使用安全性。施工组织设计时,应合理安排安装顺序,对生产加工、构件运送、现场布置等应予统筹协调,在施工过程中,必须严格遵守。除了仔细制订最适合施工的安装顺序之外,还应挑选有经验的施工队伍进行安装,以防止产生重大工程质量隐患。大跨悬吊钢结构在特定工程中使用较多,但面对施工过程中的各种问题,应做好施工组合设计优化,强化安全与质量红线,不断完善施工技术。

【参考文献】：

1. GB50205-2020《钢结构结构施工质量验收规范》

2. GB50661-2011《钢结构焊接规范》

3. JGJ82-2011《钢结构高强螺栓连接的设计施工及验收规范》；

4. CECS 212：2006预应力钢结构技术规程 [附条文说明] ；

28