大型宴会厅屋面改造金属防护综合技术研究与应用

1 工程概况

本工程为既有建筑屋面拆除换新工程，其维修改造施工开始于2019年3月16日，计划2020年9月15日完工。本工程位于建筑内北侧2层宴会厅。东西长102m，南北宽76m，高15m，面积约7000m ² 。整个宴会厅屋面分为中部高跨及东西低跨，宴会厅与屋面结构之间存在1层检修闷顶夹层。

2 金属内防护整体设计

2.1 设计背景

为保证工程施工过程安全，质量精益求精，以及宴会厅不受影响、正常使用的原则，本工程借助宴会厅上部检修闷顶中原有的钢结构桁架，安装1道防护形式的金属内防护层，将下部宴会厅与上部施工区域完全隔开。前期通过现场勘察及设计计算，在满足原桁架承载力的前提下，设计此金属防护层，并在安装及施工使用过程中，全过程周期对原桁架进行应力应变监测。钢结构桁架平面如图1所示，主桁架梁按~轴分布，南北向为~轴。

图1 钢结构桁架平面示意

宴会厅检修闷顶区域总高度约4m，顶部为建筑屋面，材质为混凝土预制板，底部为宴会厅装饰屋面，材质为高强度装饰石膏板。金属内防护层设计高度距 顶部建筑屋面1.8m，为一种下挂式钢结构平台。内防护层在为操作人员提供立足操作平台的同时，保障施工过程中小型手动机械操作使用空间。搭设完成后更起到防砸、防火、防尘、防味的重要作用，以大幅减小坠物带来的施工安全隐患。

2.2 基本概况

金属内防护层主要由吊头、吊杆、连接梁、主梁、斜撑、排水沟等钢结构构件组成，材质均为 Q235B，整体均采用高强度螺栓机械连接。

吊头是由1个U形构件和1根横梁机械连接拼接组成，吊挂在原屋面桁架主梁上。吊头的U形构件上部两侧共预留4个螺栓孔，由M27高强螺栓与上部横梁连接，形成一个整体构件吊挂与屋面桁架。

下部两侧预留2个螺栓孔，与下部吊杆连接使用。吊杆由2根主杆为截面为HN150×75×5×7mm热轧型钢及连接斜撑组成，连接斜撑为截面∟50×5角钢，由M12螺栓连接。吊杆上部设置耳板，中央预留M27螺栓孔，与吊头连接。吊杆下端腹板中间部位焊接110mm×110mm×8mm的连接板，板中设置4个M12螺栓孔，与连接梁相连。连接梁截面为HN150×75×5×7mm热轧型钢，长度分别为1.5m和4.5m，其腹板两侧设置分别4个M12螺栓孔与吊杆连接板相连。

主梁截面为H250×125×3.2×4.5高频焊接H型钢，1.5m间隔放置于连接梁上，与其垂直。主梁长度为6m，与屋面桁架跨间距相同。腹板每侧设置3个M12螺栓孔，通过1个230mm×145mm的连接板螺栓连接，使每道主梁连接成一个整体，如图2 所示。

图2 主梁安装示意

主梁底部逐跨交替铺设∟50×5角钢水平支撑及 6mm钢丝绳防护网，跨间距为1.5m×1.5m，如图3所示。

图3 水平支撑与钢丝绳构造示意

主梁上满铺0.8mm厚YXB75–200–600压型钢板，材质为屈服强度410MPa的钢材，压型钢板质量等级不低于B级，并用自攻钉将压型钢板固定在钢梁上。金属内防护安装完成后，整体具有良好的抗冲击效果。

3 内防护施工安装工艺及操作要点

3.1 施工工艺

为保证内防护安装施工期间产生的杂物、零 件、灰尘等不影响下方宴会厅正常使用，先根据闷顶内部现有条件，先铺设基础防护层，然后进行上部内防护工程的安装施工。

安装工艺流程：基础防护搭设（钢丝网+大眼网+ 密目网）→测量放线→吊头安装→吊杆安装→南北向主钢梁安装→东西向次梁安装→水平支撑安装→钢丝绳安装及固定→压型钢板安装→细部处理（防水台及岩棉防火封堵）。

3.2 基层防护搭设

在夹层内高低跨闷顶的检修马道之间空当处，用 8mm的钢丝绳间隔1m双向搭设，钢丝绳端部用U形卡扣固定在原桁架或马道钢平台上，然后拧紧、绷直，形成1层钢丝绳网。

在钢丝绳网铺设完成后，上部满铺1层大眼安全网和1层绿色密目网，整体形成1道基础水平防护层。大眼网搭接不少于150mm，绿色密目网用钢丝通过穿孔绑扎连接固定。此道基础防护层在后续搭设金属内防护层时，对宴会厅顶部管道、宴会厅装饰顶板及顶部灯光等重要装饰、设备起到有效的保护作用，也是屋面板改造更换中提供二次防砸的重要防护措施。

在闷顶检修马道上与金属防护层之间搭设爬梯，金属内防护层搭设完成后，便于施工操作人员上下至金属内防护层进行新的屋面板更换施工及验收工作。

3.3 吊头安装

首先将原桁架上弦尘土、渣滓清理干净。在原桁架钢柱两侧上弦750mm处放出横梁定位线。确定位置后，将横梁平稳、居中放置。使用手拉葫芦等工具将U形构件运输至桁架梁下部，与横梁连接孔对齐，用4个M20高强螺栓连接U形构件，形成整体吊头。横梁放置要保证精准度，将精度控制在2mm范围内，避免造成施工累计误差，影响其他构件安装与连接。

3.4 吊杆安装

首先将吊杆的连接斜撑通过M12螺栓连接、调平，保证吊杆平直不扭曲。吊杆自拼装完成后，将吊杆上部耳板连接孔与吊头下部腹板预留螺栓连接孔对齐，并紧密贴合，用M27高强螺栓连接、拧紧。整个构件由多个零部件组成，安装时要注意每个连接点螺栓不缺漏，每个螺栓均配套垫片，拧紧无松动，外漏丝扣2~3扣。

3.5 钢梁安装

钢梁安装分为连接钢梁安装及主梁安装。

3.5.1 连接梁安装

由端部向尾部逐一安装吊柱之间南北向连接钢梁，安装规格为1.5m与4.5m交替安装。安装时使用单轨吊车等工具将连接钢梁运输到位，然后将连接梁两端分别与吊杆的连接板螺栓连接。当安装4.5m连接梁时，采用1根安全绳将其中部与原桁架上弦连接，防止安装过程中连接梁坠落。安装完成后通过仪器测量校准，保证连接梁整体保持在同一水平高度，南北顺直，轴线位置精度控制在2mm内。

3.5.2 主梁安装

南北向连接钢梁安装完成后，安装东西向主梁。主梁1.5m间隔放置于连接梁上，吊装方式及防护措施与安装连接梁相同。相邻两根主梁对齐放置就位后，安装230mm×145mm的连接板，将连接板螺栓孔与主梁腹板对齐、紧贴，通过预留螺栓孔安装M12高强螺栓，将相邻两根钢梁固定。依次安装其余主梁，使每道水平连接成为一个整体。安装质量确保符合规范要求。主梁安装完成后，在主梁与连接梁翼缘板交接重叠部位，用自攻钉连接，每侧连接不少于3个，保证整体牢固可靠。

3.6 水平支撑与钢丝绳安装

主梁安装完成后，在其下部安装梁间的水平支撑与钢丝绳。水平支撑与钢丝绳南北向逐跨交替成X形布置。水平支撑角钢由自攻钉安装固定在主梁下翼缘上。钢丝绳以“之”字形穿过主梁下部预留耳板孔 洞，整体形成网状，拉紧绷直。

3.7 压型钢板安装

在主梁上满铺压型钢板。压型钢板安装前，在次梁上标出相应的位置线。铺放时相邻的压型钢板端部的波形槽口应对准，并嵌合。压型钢板与钢梁翼缘顶面的间隙应控制在1mm以内，并用自攻钉将压型钢板固定在主梁上翼缘上。

3.8 细部处理

在压型钢板与吊杆、原屋面桁架钢梁、钢柱交接处用1mm厚镀锌铁板做挡水台，采用燕尾钉机械连接固定，然后再用防火石棉布覆盖、压密实。消除压型钢板与钢结构间缝隙，不仅能避免屋面板切割施工中产生的火星、烟尘和渣滓等进入宴会厅，而且可防止火灾，同时阻碍烟尘的流动，使宴会厅的使用不会受到影响。

4 过程监测

4.1 监测目的和原则

为保障整个施工过程的安全可控，以及监测安拆金属防护层前后既有钢桁架的服役性能，根据金属防护施工工艺和既有桁架结构布设特点，建立过程监控系统。

在施工过程中，通过系统实时获得的相关结构构件应力和位移相应数据，进行实时实测数据的趋势分析、定量分析，保证施工过程中的结构安全和施工质量。

4.2 监测方案和内容

主要监测对象为既有屋面钢桁架结构，其中施工过程中的外荷载主要来源为增加金属防护层的自重和施工可变荷载，因此施工监测系统选取易损性分析得到的受力较大的位置作为监测对象。在桁架设置应力监测与竖向位移监测，同时考虑施工过程的不确定性和工况可变历程，监测系统以4?G传输为主，APP报警预警，辅以人工排查。

4.2.1 应力监测

根据宴会原钢桁架布置图，现场选择轴、轴、轴托架中部的上弦杆件和腹杆进行应力和温度监测，安装BGK–4000弧焊型振弦式应变计，通过应变计实时观测应力的变化，共计9个应力传感器，应变计监测点位立面图如图4所示。

图4 应变计监测点位立面示意

4.2.2 竖向位移监测

结构应力是局部监测方式，为了保证结构安全， 设置相应的整体竖向荷载监测。本工程位移监测位置为3个，共计需传感器3只。采用BGK–4675型振弦式沉降监测（静力水准），布设位置为每跨跨中位置。

4.2.3 系统集成和综合布线

本项目的仪器需要完成自动化采集，因此选用具有无线传输和采集功能的相应仪器设备。自动化测试仪选用具有BGK–MICRO–40型自动化数据采集仪–分布式网络测量系统。配套的软件系统基于智能工作平台，集用户管理、测量管理，为工程安全的自动化测量及数据处理提供了极大的方便和有力支持。

由于本工程存在一定的封闭空间，考虑传感器到仪器的线路主要是传输数据，选取鲁棒性较好的铠装电缆明铺，采用简易保护即可。其电缆顺延着钢桁架立柱，设置PVC套管，数据线穿于套管内，集结于数据采集处。每条走线在裸露处有外部保护措施， 并有明确清晰的编号和标识。在考虑以上原则的前提下，线路布设目标应以长寿命、短距离、不影响桁架结构为原则。

4.3 数据分析

分析在屋面金属板安装、使用及拆除过程中9个测点的应力监测数据变化情况， 可知，9个测点的应力变化整体变化呈稳定趋势，并且均未超过预警值±32.5MPa。21×93~94系杆与21×93~94北侧支撑表现为拉应力；23×93~94系杆应力状态为先压后拉；其余构件表现为拉应力。

钢屋架的竖向位移均未超过预警值10mm，竖向位移变化整体稳定。在整体金属内防护安装、使用及拆除过程中，原屋面桁架结构整体安全稳定，符合设计要求。 

5 结束语

金属防护层为大跨度、高空间、钢结构桁架屋面结构形式的防护作法，探索了一种安全可靠的防护方式，满足了宴会厅大跨度、高空间建筑物屋面维修改造时防火、防砸、防尘及防味的防护要求，施工期间保障了宴会厅的正常使用。

此外，金属防护层的型钢构件、压型钢板等新型轻质高强材料耐久性好，能够重复使用，节约成本，不产生建筑垃圾，更加经济环保。安装方法简便，使用高强螺栓，不需要动火焊接，节省了人工费、机械费，极大地减少了安装搭设时的安全隐患。