论文推荐大悬挑钢结构无支撑高空原位安装施工技术

摘 要

近年来，随着高层建筑对使用功能及建筑美观的要求越来越高，高层建筑的结构形式愈发复杂多样，如平面不规则建筑、带转换层建筑、竖向缩进及悬挑建筑等，特别是悬挑结构凭借其空间资源利用充分、土地资源占用少、视觉冲击大、建筑艺术性强等优势，在高层建筑裙楼设计中被广泛应用，又由于钢材具有强度高、刚度大、塑性好、自重轻、耐动荷载等优势往往成为悬挑结构材料的首选。但是此类大型悬挑钢结构的施工需要克服场地、起重设备、结构安全、施工成本等各种困难，给具体施工带来很大难题。

目前，悬挑钢结构常用的安装方法有无支撑原位安装、胎架支撑原位安装、整体提升等，现场需根据悬挑结构形式、场地空间、起重设备、施工安全、施工成本等各种因素综合考虑实施。本文以光谷科技大厦裙楼悬挑钢结构安装为例，介绍无支撑高空原位安装施工技术在悬挑钢结构安装中的应用。

武汉光谷科技大厦由A、B塔楼及一个3层整体地下室组成。其中A塔楼设有一个裙楼，A塔楼及其裙楼称为施工A区，结构模型如图1所示。A塔楼地上19层，地下室3层，结构形式为内劲性柱钢筋混凝土核心筒+外围钢骨柱、钢梁框架结构；裙楼地上5层，地下室3层，结构形式为钢框架+5层以上钢桁架；塔楼及裙楼楼板均为钢筋桁架楼层板+现浇混凝土形式。裙楼5层至屋面层为四面悬挑钢桁架结构，悬挑楼层平面尺寸为41.45 m×24.65 m，北侧、南侧及东侧悬挑4 m，西侧悬挑12.5 m，裙楼悬挑结构平面如图2所示。悬挑结构最低标高为17.840 m，桁架高度6.90 m。本文重点讨论裙楼悬挑桁架的安装施工技术。

图1 A区模型及裙楼实景

裙楼五层至屋面层外围均设置有悬挑结构，其中裙楼北侧、南侧及东侧悬挑长度较短(悬挑4 m)，施工难度较小，采用无支撑高空原位拼装施工，不加赘述。

裙楼西侧大悬挑钢结构悬挑12.5 m，且构件截面、长度及相应的重量都较大。该区域悬挑结构需待裙楼非悬挑结构安装完成后进行，以便悬挑结构安装过程中受力传导路线顺畅，快速形成符合设计状态的受力体系，但届时悬挑结构下方无可供整体拼装的场地，且在已经安装的结构上设置提升点比较困难，无法进行地面拼装整体提升；另外，搭设垂直支撑架投入成本高，施工周期长，架体搭设高度较高(24 m)，架体本身稳定性无法保障。综合对比考虑，采用无支撑高空原位拼装方案进行大悬挑结构安装。

无支撑高空原位拼装工艺简单，不受下方施工场地限制，通过对悬挑结构自身受力特点的分析，制定合理的吊装顺序，逐步安装构件，通过先行安装的构件承载后续构件的自重及施工荷载，迅速形成受力单元体系，施工速度较快。另外，借助临时拉杆辅助先行超重构件吊装定位及稳定，施工前采用有限元软件对吊装过程中的内力及变形进行模拟，为吊装作业提供理论依据。安装过程中对监测数据与理论数据相对比并进行动态调整。

图2 裙楼悬挑区域平面

3.1 无支撑高空吊装过程中的结构安全保障难度大

大悬挑钢结构的无支撑高空吊装需要做好各环节的配合与衔接，高强螺栓施工、焊接作业、拉杆设置及拆除、吊车起吊及松钩等均需严格按照方案执行，确保吊装过程中的结构安全。

3.2 大悬挑钢结构安装精度控制及监测难度大

裙楼西侧的大悬挑钢结构自重大，质量达到260 t，悬挑长度12.5 m，且部分构件为大截面超长超重构件，最长钢梁长达16.2 m，质量12.4 t，截面为H1 400×600×22×35。采用汽车吊在无支撑体系的状态下对此类超重超长悬挑构件进行吊装落位，其安装精度控制及位移监测难度较大。

3.3 无支撑系统高空悬挑结构吊装作业，安全隐患大

悬挑构件安装位置高，裙楼5层标高为17.840 m，且部分区域下方为地下室负一层楼板(标高为-6.100 m)，安装位置距下方地面高达24 m，构件定位时，监测、高强螺栓、焊接等各工种穿插施工，安全隐患较大，需采取相应措施保障高空作业人员施工安全。

该项目施工阶段现场仅布置一台塔吊，型号为TC7020，位于核心筒北侧，距裙楼较远，无法实施大悬挑钢构吊装，只能租赁汽车吊来实施施工。项目施工区域狭窄，东西两侧为其他在建项目，仅东西侧设置狭窄施工便道，材料堆放及汽车吊站位都很难。为尽量减少租赁成本，汽车吊设置在裙楼南侧施工区域。该区域距离大悬挑安装位置较近，仅需130 t汽车吊即可满足吊装要求(图3)，但该区域为地下室负一层楼板，为保证汽车吊站位处混凝土结构安全，需保证汽车吊支腿位置落在混凝土梁上，支腿处设置钢板分摊压力，同时需要对支腿处混凝土梁设置反向顶撑(图4)。

图3 汽车吊吊装位置示意

图4 混凝土梁顶撑

5.1 无支撑原位吊装过程中结构安全控制

5.1.1 非悬挑结构先行安装施工

为了确保大悬挑钢结构安装过程中的受力由悬挑部分传导至非悬挑结构，以期快速形成符合设计状态的受力体系，裙楼四面外围悬挑桁架的安装均需在裙楼五层及屋面层非悬挑结构安装后且梁柱节点(栓焊节点)中所有高强螺栓终拧、上下翼缘满焊、梁梁节点(铰接节点)中所有高强螺栓终拧到位，即保证非悬挑结构有足够的强度及刚度后实施。

5.1.2 严格执行大悬挑钢结构构件吊装顺序

无支撑原位拼装是通过先行安装构件承载后续安装构件自重及施工荷载，尽快形成受力单位体系，因此吊装顺序是该方案能否顺利实施的关键。通过对整个悬挑结构受力特点进行分析可知，5层与屋面层共计4根直接与钢柱连接的钢梁及两层钢梁间的梁上柱为悬挑结构主要受力体系(图5)，整个悬挑结构的自重通过2个受力主体传递到非悬挑区域钢框架结构中，因此应对4根悬挑钢梁及梁间柱先行吊装并尽快形成闭合受力体系。同时在5层与钢柱直接相连的2根大悬挑钢梁吊装时，需借助临时拉杆辅助悬挑钢梁的落位，直到受力框架吊装完成且焊接及高强螺栓施工完成后，方可拆除临时拉杆。

图5 大悬挑钢结构主受力框架示意

根据上述分析，确定大悬挑钢结构构件吊装次序为(图6)：

1)安装裙楼5层 轴及 轴2根大悬挑钢梁，并在其吊装到位后即刻进行梁柱节点处理，同时设置[16a作为临时拉杆支撑，确保结构安全。

2)安装裙楼5层 轴及 轴2根大悬挑钢梁上的梁上柱，并完成梁上柱 与钢梁上翼缘的焊接。

3)安装裙楼屋面层 轴 及 轴2根大悬挑钢梁，同裙楼5层要求，该 2根钢梁吊装到位后即刻进行梁柱节点处理。

4)安装5层及屋面层4根大悬挑梁间的横梁，形成稳定受力整体，此后可拆除临时槽钢拉杆。

5)在第4)步形成的稳定受力结构的基础上，以由内而外的顺序逐步安装悬挑结构的其他构件。

a—5层悬挑钢梁安装及临时支撑设置；b—5层悬挑钢梁梁上柱安装；c—屋面层悬挑钢梁安装；d—悬挑梁间横梁安装；e—由内而外进行悬挑其他构件安装。
图6 大悬挑钢结构构件吊装顺序

5.1.3 设置临时拉杆确保结构安全

由于是无支撑安装，构件在吊装过程中需要借助汽车吊、临时拉杆等措施保证节点处理到位前的结构安全，最先安装的5层 轴及 轴大悬挑钢梁，在梁柱节点高强螺栓终拧及上下翼缘焊接完成前，钢梁始终处于起吊状态，落钩前还需要将临时拉杆设置到位，拉杆一端焊接在钢骨柱上部，另一端焊接在钢梁上翼缘上，同时需保证拉杆焊缝质量，汽车吊落钩要缓慢，并实时监测钢梁的位移及临时拉杆的焊缝。 待大悬挑钢结构受力单元形成后，次构件安装可以在节点高强螺栓穿孔固定后松钩。

5.1.4 无支撑吊装模拟验证

为了验证方案的可行性，同时为悬挑结构吊装提供内力、位移等参数，通过MIDAS Gen软件对部分施工工况下构件的内力及位移进行分析。

1)位移分析。

根据大悬挑钢结构的安装次序可判断，出现最大挠度的位置为临时支撑拆除后裙楼5层及屋面层 轴及 轴4 根大悬挑梁端部(图7)，在吊装第4)步安装完成并拆除临时拉杆后，5层 轴大悬挑钢梁端部出现最大位移(31.426 m m)，考虑到剩余结构的继续安装及混凝土楼板浇筑可能会产生更大下挠，安装过程中统一将5层及屋面层 、 轴4根大梁端部标高调高50 mm。

图7 大悬挑钢结构构件位移分析 mm

2)构件安装过程中的内力分析。

裙楼大悬挑结构的安装遵循结构最终受力状态的原位拼装，确保连接节点处理到位的条件下构件自身强度满足受力要求，模拟分析的重点在于临时拉杆能否承受吊装过程中产生的内力。实施中，采用Q235B材质[12A作为临时拉杆，通过软件对临时拉杆在拆除前的最大受力工况时的内力进行分析，得到临时拉杆内力为302 kN(图8)，满足受力要求。

图8 大悬挑钢结构构件内力分析 kN

5.2 超长超重构件无支撑原位吊装精度控制

首先，通过全站仪将基准轴线及标高反映到与悬挑结构相连的钢柱上，为后续悬挑结构吊装提供吊装依据。悬挑结构受力单元构件吊装时，构件持续保持起吊状态，安装梁柱节点处高强螺栓，但不终拧，保证钢梁不左右摇晃，以标准轴线及标高为依据，通过经纬仪测量钢梁的安装定位，通过水准仪对悬挑钢梁端部标高进行标定。对于先行安装的与钢柱直接连接的大梁(5层及屋面层 轴及 轴悬挑钢梁)，按照模拟分析结果，对梁端标高暂按预调高50 mm进行处理，然后按顺序进行高强螺栓终拧、临时拉杆设置及上下翼缘焊接，待结构连接强度达到要求后缓慢松钩，测量端部标高下降数值。 通过测量的实际数据对后续大悬挑钢梁吊装提供调整参考的依据。

裙楼5层及屋面层钢筋桁架楼层板铺设可在悬挑结构安装完成后进行，但楼板混凝土的浇筑工作需待悬挑结构最终变形完成后施工，以防止结构变形导致楼板开裂等质量问题。

5.3 吊装过程中的人员安全保障

吊装前，钢梁需要设置生命线，确保工人在钢梁上作业时有安全带挂扣位置。

在吊装悬挑结构的过程中，工人需要进行定位、监测、校正等工作，同时需进行高强螺栓及焊接施工，高空悬挑作业危险系数很大，特别是先行吊装的5层 轴及 轴大悬挑钢梁，无操作平台则无法进行钢梁定位及挠度测量控制。 为确保施工安全及施工质量，在5层 轴及 轴钢梁端部搭设2.5 m×2.5 m脚手架平台，2个平台间用脚手架连接同时在垂直方向与3层钢柱相连，以确保脚手架平台整体稳定性(图9)。

图9 脚手架操作平台

采用无支撑高空原位拼装方案顺利完成了光谷科技大厦裙楼大悬挑钢结构的安装，保证了安装质量，节约了施工成本，该方案的顺利实施总结出以下经验：

1)通过对大悬挑钢结构受力特点的分析，结合有限元软件模拟分析结果，制定合理的吊装次序，同时借助临时拉杆辅助超重构件落位及稳定，逐步形成悬挑结构自身受力体系，实现了无支撑高空原位拼装在该项目大悬挑钢结构安装中的应用。

2)无支撑高空原位拼装方法在大悬挑钢结构安装应用中，需做好构件安装定位及标高的控制，使过程监测与理论分析相结合，实时调整吊装数据，同时做好过程中各工序的衔接，确保施工过程中的结构安全及安装质量。