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1、多层大跨度钢桁架混凝土组合结构施工工法南通建工集团股份有限公司 江苏兴邦建工集团有限公司易兴中 施永明 张忠达 王奎清 王金锋 1前言大跨度钢桁架-混凝土组合结构充分发挥了空间钢结构与混凝土结构的各自优点，以其承载力高、抗震性能好、整体结构自重轻、有效改善结构功能等特点，能够满足现代结构对大柱网、大开间、大跨度、多功能等方面的需求，迎合着建筑技术发展的潮流。多层大跨度钢桁架-混凝土组合结构作为建筑裙房结构一部分一般布置于大型地下室结构上，其钢骨混凝土劲性柱坐落于地下室深基坑中，钢柱重量大，吊距长，采用常规施工艺，吊装就位难度较大，对交接界面上关键线路工序作业安全与质量影响大、范围广；用于上部结
2、构安装用场地的地下室顶板钢筋混凝土结构承载能力有限；同时大跨度钢桁架-混凝土组合结构平面呈双向、空间受力特性，竖向结构少，结构节点构造复杂；又由于大跨度钢桁架-混凝土组合结构的因其施工工艺因素存在由平面钢结构空间钢结构空间钢混凝土组合结构的组合过程，施工过程须充分考虑各部件或系统的安全性能及其因施工工艺导致的结构次应力对最终结构性能的影响；而上下层大跨度钢桁架-混凝土组合结构间相互制约影响，过程安装作业受到作业空间的限制。因而多层大跨度钢桁架-混凝土组合结构施工难度大、工艺技术要求高。我们在多项多层大跨度钢桁架-混凝土组合结构施工过程中组织开展了技术创新活动，取得了显著的技术经济效果，总结形成
3、了多层大跨度钢桁架混凝土组合结构施工工法，工法工艺工序过程“用钢柱对钢筋混凝土结构梁进行临时支撑加固的施工方法”是国家发明专利（专利号： 201010148051.0），“多层大跨度钢桁架混凝土组合结构施工技术研究”作为江苏省建设系统科技计划项目（项目编号：JS2010ZD13）通过了江苏省住房和城乡建设厅组织的省级鉴定验收，其研究成果水平达到国内领先水平。2工法特点2.0.1 改进了多层大跨度钢桁架-混凝土组合结构基础内钢骨混凝土劲性柱的构建形成方式，通过预置劲性柱钢筋混凝土叠合基础，在深基坑土方开挖阶段完成深基坑内钢柱的安装，工艺方法简单快捷，安全可控，工程质量有保证。2.0.2 充分利用
4、永久性结构的承载能力，采取简捷的承载能力控制方法及适宜的地下室结构梁板支撑加固措施技术，满足钢结构安装作业所需场地承载能力控制要求；利用建筑物施工可重复使用材料，设置一种即能承压又能承拉、并带有支撑预应力的对地下室结构梁板临时支撑措施，所形成的临时支撑体系传力清晰，性能可靠，约束条件可靠，整体稳定性好，满足支承荷载需要，加固作业简单、安全可控，实现绿色施工效果，该后撑钢柱临时支撑加固施工方法，适应面广，技术经济性强，对作业空间要求低、影响小。2.0.3 采用虚拟仿真技术，预知施工过程中各工况条件下结构体系力学行为及其关键控制点，优化施工工艺，优选吊装方法，实现了多层大跨度钢桁架混凝土组合结构形
5、成过程适宜操作的良好装配特性、结构质量的可靠性与施工安全的简单可控性。2.0.4 形成了基于平面钢桁架由上而下逆序安装、其余结构顺作的多层大跨度钢桁架混凝土组合结构施工方法，工艺先进，技术可靠，有效避免了上下立体交叉作业，保障了施工安全，保证了整体工程关键线路工序工作进度控制。3适用范围适用于民用建筑中多层大跨度钢桁架-混凝土组合结构的施工。4工艺原理在深基坑土方开挖阶段，通过预置钢骨混凝土劲性柱钢筋混凝土叠合基础，简捷可靠地完成深基坑内钢柱的吊装就位；在地下室钢筋混凝土结构完成后，采用后撑钢柱对地下室钢筋混凝土结构进行临时支撑加固，以满足上部钢结构安装场地基座承载能力控制要求；采用虚拟仿真技
6、术，预知多层大跨度钢桁架-混凝土组合结构施工过程中各工况条件下结构体系力学行为及其关键技术质量控制点，平面钢桁架由上而下逆序安装，其余结构顺作，即地面上钢柱一次吊装就位后，上下层间平面大跨度钢桁架空间钢结构采用由上而下的逆作安装工艺，层内横向大跨度钢桁架按榀整体吊装就位，纵向钢桁架利用已完横向桁架分段搁置就位，高空对称拼接成型；而后采用由下而上顺序作业方法进行混凝土结构的施工，待混凝土达到设计强度，按规定程序逐步对称卸载，形成多层大跨度钢桁架-混凝土组合结构。5施工工艺流程及操作要点5.1 本工法的施工工艺流程如图5.0.1所示。图5.0.1 多层大跨度钢桁架-混凝土组合结构施工工艺流程图5.
7、2 操作要点5.2.1 施工方案的确定1 应采用计算机软件对施工全过程各工况进行模拟分析，优化钢桁架制作工艺及安装顺序与方法，选用适宜的吊装与安装设备，明确作业场地承载能力要求及其加固措施方法，确定合理的临时胎架支撑方案和拆除控制顺序，并制订施工过程的验收控制程序等技术质量与安全控制措施，以对实际施工进行指导。2 施工设计方案实施前须通过相关专家的方案评审论证，严格履行审核、审批程度，并取得工程设计师的认可。5.2.2 多层大跨度钢桁架-混凝土组合结构基础内钢骨混凝土劲性柱钢柱的处置1 在深基坑土方开挖阶段，在基础结构下预置钢骨混凝土劲性柱钢筋混凝土叠合基础，用作钢柱安装阶段性支承基座。如图5
8、.2.2-1所示。图5.2.2-1 钢骨混凝土劲性柱钢筋混凝土叠合基础构造示意图2 在深基坑土方开挖阶段完成地下部位钢柱的吊装就位。如图5.2.2-2所示。如按常规在基础筏板承台完成后进行深基内钢柱安装就位，安全技术管理与控制要求高、难度大，对地下室内其它工序作业影响极大，经济性较差。图5.2.2-2 基坑土方开挖阶段完成深基内钢柱安装现场实物照片5.2.3 作业场地的加固与胎架基座处理1 当作业场地或胎架基座位于回填土地坪上时，按方案策划组织地基基层的施工，回填土应分层夯填密实，分层压实系数应不小于0.94或设计规定的参数要求，场地基础最上层应夯填厚度不小于300的碎石垫层，以为钢结构安装及
9、胎架的搭设与布置提供承载能力可靠的地基基座。2 当胎架布置于钢筋混凝土结构梁板上时，应按施工时最不利荷载作用工况条件，对该楼层结构梁板进行受力分析验算，确定后撑钢柱临时支撑范围与密度、间距。后撑钢柱临时支撑加固系统施工工艺流程：先根据场地荷载作用条件确定后撑钢柱临时支撑加固方案，根据策划，在钢筋混凝土基座上预埋（或植筋）布置锚栓，在结构梁（或板）内布置穿螺栓孔，或在结构梁（板）内预埋穿螺栓套管，螺（锚）栓采用HRB400（500）螺纹钢筋制作，螺（锚）栓端头设直螺纹，螺帽采用直螺纹套筒，钢柱安装时，先布置好基座底板，利用穿螺栓孔，穿钢丝绳，采用葫芦等相应简易提升工具，将钢柱提升至梁底支撑位置，
10、在梁（或板）预设孔内穿螺栓，钢柱垂直度调整限位后，螺栓固定钢柱顶托支座，采用液压千斤顶将钢柱预压顶紧并建立预压力，在完成钢柱基础支座处置后，移出千斤顶装置后形成可靠的钢筋混凝土梁板结构临时钢柱支撑系统；采用上述相同的步骤可完成其它临时支撑钢柱的布置，从而形成可靠的临时支撑钢柱系统，然后在梁板上铺设砂垫层、路基板，可用于机械设备的行走或吊车吊装使用，在相应加固的梁板上布置设备基础，满足施工机械的安装布置与其运行过程荷载作用要求。如图5.2.3-1、5.2.3-2所示。图5.2.3-1 钢柱临时支撑示意图5.2.3-2 液压千斤顶预压工作原理示意如图5.2.3-3，对现场安装作业场地所在钢筋混凝土
11、结构梁板基座进行临时支撑加固的现场效果图。加固后的结构梁板上应设厚度不小于200厚的砂石褥垫层，胎架基座及吊装设备支腿部位应加设可靠支垫。图5.2.3-3 安装作业场地所在钢筋混凝土梁板结构临时支撑加固处理示意5.2.4 桁架构件及杆件的工厂制作1 应根据交通运输条件、现场质量控制水平等因素，桁架构件以及构造受力复杂的桁架节点构件均在作业条件较好的工厂内完成；一般情况下高度小于2.5m桁架，工厂内制作成分段桁架，高度大于2.5m的桁架，工厂内制作成分段杆件。2 制作用工装应保证制作尺寸精度，焊接坡口设置应易于现场焊接工艺条件下的焊接变形与焊接残余应力的控制。3 工厂制作前，先按除锈等级要求对原
12、材料抛丸除锈，喷涂一道底漆，然后切割下料，板件切割下料采用套裁法，并根据焊接试验预留焊接收缩余量；构件成型后进行防锈漆喷涂施工，但现场待焊接部位（包括热影响区域）涂环氧富锌涂料。5.2.5 地面上钢柱安装1、钢柱场内水平运输工厂制作的钢柱构件运输至现场，卸车时应在构件下面加垫枕木，便于布置拖排及滚筒。如图5.2.5-1所示，滚筒必须在H型钢的传送胎架梁上滚动，H型钢胎架梁与混凝土梁板结构之间设枕木支垫。图5.2.5-1 钢柱场内水平运输示意图钢柱构件在传送胎架上进行水平拖运时采用慢速移动，速度不宜超过6m/min。钢柱构件与拖排之间应垫放平整，并应设有侧向稳定性控制措施，避免构件侧翻导致的安全
13、事故。2、采用双直立桅杆吊装重型钢柱受吊装工作频率与效率、吊装作业空间的限制，同时为有效减少作业场地加固处置量，采用双直立桅杆吊装重型钢柱，较采用大型成套起重设备，有其显著的技术经济性。如图5.2.5-2所示，钢柱起吊前，将吊索具、操作平台、爬梯、溜绳以及防坠器等固定在钢柱上，用钢柱上端焊接好的耳板进行起吊，并采用50t汽车吊配合起吊拖尾就位。图5.2.5-2 双直立桅杆吊吊装重型钢柱立面及节点示意图3、双直立桅杆吊装钢柱时双肢直立桅杆应与钢柱中心线左右对称，左右桅杆的轴线对齐钢柱另一中心轴线；桅杆顶端设有连杆，形成龙门状；桅杆基脚应设有可靠支垫；在桅杆基脚的下层结构宜设有临时支撑加固措施；通
14、过调节桅杆周边缆风绳的张拉力度，保持桅杆的垂直度及其整体稳定性能；左右滑轮组吊装点使用平衡吊梁，保持滑轮组的受力均衡；钢柱尾点的拖拉缆风绳随着钢柱吊点的升高而随时调整，使后面的拖排及时跟上，保持滑轮垂直度，当柱底要脱排时，及时拉紧后方的保绳，避免构件前冲过大，产生冲击荷载，同时在吊装时必须随时观察龙门架的垂直度及受力缆绳的锚点是否安全。钢柱的吊装过程如图5.2.5-3所示。 图5.2.5-3 双直立桅杆吊装重型钢柱实物照片5.2.6 顶层大跨度钢桁架的安装1、钢桁架现场拼装桁架高为2.5m以下时，采用工厂分段制作，桁架高度2.5m以上时（为大跨度重型钢桁架），工厂制作分段杆件，现场胎架拼装成型
15、；横向桁架按榀整体吊装就位；纵向桁架自然由横向桁架分隔成纵向桁架节段，现场利用已完横向桁架搁置就位，高空对称拼接成型。拼装胎架采用18号工字钢和10#槽钢制成，拼装架用水准仪测量以控制标高。在胎架设置时必须严格控制定位点之间相对位置，标高参照同一基准面，若定位点与基准面标高有差异，通过在底板下垫垫层调节，调节准确后用电焊将垫层焊死，以此确保定位点的精度。胎架设置应避开节点位置，满足焊工的施焊空间。另外为了便于桁架的起吊，胎架定位块的位置须避免与桁架起吊时碰撞。大跨度重型钢桁架拼装工艺如图5.2.6-1所示： 拼装胎架平台布置组装平台检测并调整水平，胎架高度为0.8米，各端面铣平，设置平面基准控制线。 中间弦杆定位检测合格的弦杆吊上胎架，定对地面基准线定位。 两侧弦杆定位检测合格的弦杆吊上胎架，定对地面基准线定位。 桁架直腹杆定位检测合格的直腹杆吊上胎架，定对地面基准线定位，定位焊采用手工焊，对称焊缝同时施焊。 桁架斜腹杆定位检测合格的斜腹杆吊上胎架，定对地面基准线定位，定位焊采用手工焊，且对称焊缝同时施焊，在吊装时注意小心轻放，不得与节点发生碰撞导致位移发生。 检 测桁架组装后的整体检测，利用全钻仪测量桁架各控制点的空间位置是否符合预拼装要求，复核地样基准，并检验各个对接接口间距要求以及桁架对角线偏差，对局部超差部位实施矫正。图5.2.6-1
