超大悬挑异形钢桁架安装和过程监控施工工法（19页）

1、超大悬挑异形钢桁架安装和过程监控施工工法1 前 言在xx建工股份有限公司承建的辛亥革命博物馆新建工程中，博物馆三层至屋面外尖头飞檐部分有大跨度悬挑异形重钢桁架结构（见图1.1和图1.2），为V形对称的四榀钢桁架，桁架悬挑跨度达到38m，桁架间设有纵向桁架支撑，结构复杂。针对这种复杂的超大悬挑异形重钢桁架结构，总结了一套完整的安装和卸载施工方法，并且在施工过程中，融入了计算机仿真分析和施工过程同步监控，将实用的结构测试技术、现场计算分析技术、现代控制技术应用于施工，结合施工过程形成结构计算分析、监测及反馈控制系统。通过施工现场的结构测试，跟踪计算分析得出合理的反馈控制措施，给施工过程中结构“力”

2、与“形”的变化提供决策性技术依据，也对过程中弹性变形和刚体位移问题进行综合分析，帮助工程技术人员更加全面、真实地把握结构在施工过程中的受力变形情况，确保各种工况下的结构状态符合设计要求，真正实现了对结构生命周期全过程力学性能的评估。图1.1 辛亥革命博物馆飞檐悬挑钢桁架立面图图1.2 辛亥革命博物馆飞檐悬挑钢桁架模型图2 工法特点2.1结构安全性好。安装过程由悬挑固定端向悬挑端施工，桁架逐步形成稳定体系。小行程等距循环多步卸载，卸载过程中桁架杆件内力变化平缓，避免了应力突变。2.2利用计算机仿真、计算参数与监测数据对比以及反馈技术指导施工，为钢结构施工提供了一体化协同时变分析系统，确保结构安装

3、安全及受力状态符合设计要求。2.3卸载操作简便，成本低，环保性好。采用手动螺旋式千斤顶，操作直观，动作准确，并且经济、简单、适用，较计算机中控液压式千斤顶的费用大幅降低，同时无能源消耗，无污染。3 适用范围本工法适用于大型公共建（构）筑物中，具有复杂立面、曲面外形，超大以及超长跨度的悬挑重钢桁架结构施工。4 工艺原理主要工艺原理是采用临时支撑体系和空中散装结合的安装工艺，在结构组装完成后拆除临时支撑。在临时支撑搭设前，分阶段适时模拟安装和卸载过程，用计算参数和监测数据的对比来指导钢桁架安装和卸载操作，并确保安装过程和卸载过程中的安装精度和结构稳定。首先，以计算机建模分析为基础，对桁架安装和卸载

4、过程中结构的控制性工况状态进行计算机模拟分析，给出安装和卸载时的结构位移、构件内力应力、支撑和约束条件的目标值等，并对各安装步骤和卸载步骤需要满足的条件和注意事项预见性地给出相应的要求和指导。其次，在桁架安装和卸载过程中以监测、监控为手段，进行施工阶段性的结构位移、应力、变形的实时监测值和模拟值对比。当对比值结果出现较大偏差时，需分析原因，必要时进行矫正或纠偏，以确保后续步骤顺利及最终成型符合设计要求。5 施工工艺流程及操作要点5.1工艺流程（见图5.1）建立钢结构桁架深化设计和结构分析模型钢桁架构件制作和预拼装制作和预拼装过程监控钢桁架现场分段安装钢桁架安装过程监控钢桁架卸载施工钢桁架卸载过

5、程监控钢桁架安装完毕后期分阶段加荷成型监控钢桁架结构验收图5.1 工艺流程5.2操作要点5.2.1建立钢桁架结构深化设计和结构分析模型1.建立钢桁架结构深化设计模型。通过分析深化设计模型，指导工厂的数控下料、构件组装、焊接成型、预拼装等工序。2.确定钢桁架制作和安装方案。3.建立钢桁架结构仿真分析模型，模拟各种工况，分析在不同工况下全过程中桁架的受力状态和变形状态，对受力不利和变形较大的部位进行全天重点监控。5.2.2钢桁架构件制作和预拼装1.根据数控下料情况进行钢桁架构件制作。2.钢桁架构件应在工厂内将整个钢桁架分段进行预拼装。5.2.3对钢桁架构件制作和预拼装过程监控在制作过程中应对成型的

6、构件焊缝进行全超探检查；对钢桁架构件制作和预拼装过程采用全站仪进行监控。将监控值与设计和分析值进行对比，随时对预拼装结果进行修正，对应力和变形较大的节点进行应力监测和拍X片检查。5.2.4钢桁架现场分段安装1.通过仿真模拟对安装步骤和顺序进行优化比选，依据分析结果对方案进行调整，最后确定安装步骤和顺序，确保桁架在现场拼装的每一步为结构不变体系。2.钢桁架构件现场安装1）对预拼装的构件进行预检和复检，预拼装的构件在钢结构加工厂质检部门预检的基础上，现场安装项目部要进厂对制造质量进行复检，合格后方可出厂，不允许不合格构件进入安装现场。2）对桁架支座的连接点进行复测。3）搭设桁架局部承重支撑体系，支

7、撑体系的位置、大小和数量应通过工况模拟计算确定，并根据受力情况进行设计和搭设。支撑体系搭设以辛亥革命博物馆工程为例见图5.2.4-1。图5.2.4-1 悬挑钢桁架支撑体系4）桁架构件吊装:：每榀桁架的安装顺序应严格按照计算机模拟分析的过程进行安装，以辛亥革命博物馆为例：先安装下弦，焊接成整体后，再安装腹杆，只进行连接处螺栓的初拧，接下来再安装上弦，校正好腹杆和上弦后，最后进行焊接，即从下往上安装。整个悬挑钢桁架的安装顺序则是从与内部结构连接的固定端向悬挑部分延伸安装。在吊装过程中为了保证施工安全，悬挑钢桁架构件在延伸的过程中与内部结构可连接时，应立即连接，尤其是刚性连接节点，在校正好后，优先焊

8、接牢固，使其形成稳定结构。桁架的自重均作用在内部结构上，而不是承重支撑体系上。如此尽量利用原有的结构来承载，减小临时支撑的负载。5）吊装完毕后进行初检，并进行垂直度、轴线、标高的调整。6）桁架进行下一榀构件的安装，直至所有构件吊装完毕。钢桁架安装顺序和安装过程以辛亥革命博物馆为例，见图5.2.4-2和图5.2.4-3。图5.2.4-2 悬挑钢桁架安装顺序图5.2.4-3 悬挑钢桁架吊装过程图5.2.5钢桁架安装过程监控在钢桁架现场安装过程中，随着分阶段安装的实施，应在构件上设置应力和变形监测点，这些监测点分别通过应变传感器和位移传感器的设置来实现应力和变形的监测。1.监测点的设置要求1）应力监

9、测点的设置应根据结构的受力特征来布置监测点，测量部位主要集中于钢桁架的弦杆等内力较大的截面，要严格按照能够体现结构受力与方向的实际情况来布设，从而能够真实准确的反映构件的工作状态。2）变形监测点的设置要有合理的密度，应能反映结构的几何形态和几何变形情况，并易于布设，施测方便，以满足施工监测精度高，速度快的要求。2.传感器的布设操作要求：1）传感器安装时，先在钢结构表面放线，确定传感器安装位置，然后在安装位置的钢结构表面进行打磨，打磨范围约为50mm150mm大小。2）将应变计自带的基座拆下，装入安装模板。通过点焊基座的方式，将安装模板焊接在钢结构表面，形成螺栓，点焊位置及安装模板如图5.2.5

10、-1。焊点安装模板图5.2.5-1 安装模板与钢结构焊接示意图3）将安装模板取下，将应变计装入冷却后的基座内，两边带上M6的螺母，先拧紧，如图5.2.5-2“安装示意图”中左侧基座（即没有调节螺母的一端）。再拧紧时为防止被拧紧螺母带动应变计，导致应变计扭曲，应在拧紧螺母的同时用手扶着左侧的端座施加反力。图5.2.5-2 传感器安装示意图4）测量应变计读数，调整调节螺母（见图5.2.5-2的6号零件）将应变值调整在1500左右，若结构体受力变形较大，受压应变值应调至2800左右，再拧紧图5.2.5-2中右侧基座，拧紧时为防止被拧紧的螺母带动应变计，导致应变计扭曲，应在拧紧螺母的同时用手扶着右侧的

11、端座施加反力。5）最后将应变计上的调节螺母完全旋松，用小铁锤轻击左右端，防止螺母虚假锁死。测量应变值应能稳定、否则要重新安装。6）安装好传感器后，将传感器的数据传输线绑扎在钢构件表面，引至方便到达和测量的地点。7）到达指定的工况时用便携式数据采集箱采集数据。对钢桁架分段安装过程逐步成型的结构进行应力和变形的过程监测，并进行分析，反馈调整现场安装工作。5.2.6钢桁架卸载施工1.通过计算机仿真模拟计算分析，对卸载步骤和顺序进行优化比选，确定最优卸载方案。2.在卸载之前对结构进行一次系统全面的应力和变形的监测。3.预卸载为能够进一步了解承重结构的变化情况，在卸载前一天进行预卸载，千斤顶行程为5mm

12、，预卸载完毕后对卸载部位承重架的变化情况、千斤顶的下降高度、结构焊缝的质量情况及桁架挠度的变化情况进行一次全面的检查。各项检查合格无误后，才可进行正式卸载。4.正式卸载，采用同步等距循环卸载，操作步骤如下：1）完成所有卸载千斤顶的地面试压和高空卸载点的布置。2）卸载千斤顶对主结构下弦杆对应位置的顶紧，同时完成结构整体外形的测量验收工作。3）将原安装支撑点移去每次卸载量相应高度的垫块或将支撑点顶部割除相应高度，行程为5mm。4）同步将一排的千斤顶下落，使桁架下弦再次与支撑点接触。5）调整千斤顶的水平位置，使其保持垂直状态和对应支撑点，消除水平位移影响。6）再次顶紧千斤顶。7）将原安装支撑点再次移

13、去每次卸载量相应高度的垫块或将支撑点顶部割除相应高度。重复以上操作，在每次卸载量完成后，对各监测点的数据进行读取，并同理论计算数据相比较，指导后续卸载过程。直至将整体主结构卸载到位。卸载点详图见图5.2.6。5.卸载应急预案对于卸载过程中发生的各种突发事件，宜按表5.2.6确定对应处理措施进行处理。图5.2.6 卸载节点详图表5.2.6 卸载过程应急预案序号分类表现形式处理方法1动力故障千斤顶未能提供预测的顶升力更换千斤顶2动力故障千斤顶油路不畅添加润滑油或更换油管3计算差异卸载过程中，未达到卸载位移量时，单点失去支撑力回顶一次，接触为止，随下步卸载，至再次脱离为止4计算差异卸载过程中，达到计

14、算的位移量，单点支撑力仍然较大全面检查结构状态，确定是否继续卸载，或给定下一个位移截止值，修正卸载顺序，继续卸载5计算差异卸载点局部受压破坏立即停止卸载，用垫块或垫片将支撑点楔紧使各点保持到原支撑状态。加大千斤顶垫块尺寸6结构变形钢结构出现异常响声对出现异常部位进行检查，确认无误后，继续卸载；否则进行加固处理7重大差异突破设计院的最大位移截止值，仍有较大支撑力现场暂时停止卸载，并将各点保持到原支撑状态，设计院详细核算，以及全面检查钢结构质量情况后，确定是否继续卸载8承重架体变形监测到的承重架体变形大于原要求调整千斤顶位置，确保最小的偏心作用，调整临近的千斤顶顶升力，加固承重架体9天气突发雷雨天

15、气立即停止卸载，用垫块将支撑点楔紧使各点保持到原支撑状态。雨后全面检查后恢复卸载5.2.7钢桁架卸载过程监控卸载完成后24小时内对钢桁架分阶段进行4次监测，4次监测时间为卸载完后1小时、6小时、12小时和24小时。为了减少温度变化对钢桁架的影响，卸载一般在早晨或晚上完成，其24小时内的监测也应该在早晨或晚上完成。5.2.8钢桁架后期分阶段加荷成型监控1.钢桁架成型后，在每进行一次楼板结构施工和二次维护结构施工前后，对布置在钢桁架上的监测点进行监测。2.在进行钢桁架外装饰施工阶段前后，对布置在钢桁架上的监测点进行监测。3.在全部荷载施加完成后，对布置在钢桁架上的监测点进行监测。5.2.9钢桁架结

16、构验收依据过程监控资料、现场感观，编制钢结构验收资料，经过各个相关责任单位同意通过验收。6 材料与设备主要材料与设备见表6表6 主要材料和设备序号名称数量用途1塔吊2座吊装钢构件2汽车吊3台吊装钢构件3全站仪1台测量空间坐标4经纬仪1台控制构件垂直度5监测设备应力应变监测6千斤顶每卸载点一台顶升用7电焊机若干焊接构件8对讲设备同卸载人员数量信息沟通9连接螺栓若干连接钢构件10螺栓扭矩扳手若干螺栓紧固用11气焊割枪2台切割构件12吊索具吊装构件13扣件式钢管若干搭设承重支撑体系7 质量控制7.1本工法实施中应满足以下标准要求：钢结构设计规范（GB50017-2003），钢结构工程质量验收规范（G

17、B50205-2001），建筑钢结构焊接技术规程（JGJ81-2002），钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程（JGJ82-91），工程测量规范（GB50026-2007）。吊索具应符合设计要求与相应企业标准。7.2钢桁架构件的预检和复检7.2.1构件的预检在钢结构加工厂质检部门检查的基础上，项目部根据现场安装进度要求构件清单监督制造部门是否按要求配套加工，避免由于加工构件不配套造成现场安装间断，影响安装工期和质量。7.2.2 预检：钢材材质的成品质量证明书及复验报告，焊条、焊丝材质的成品质量证明书及复验报告，构件焊缝外观及超声波探伤报告，以及实际偏差等资料，记录预检的所有资料；构件外观

18、检查包括：钢构件的几何尺寸、连接板零件的位置、角度、螺栓孔直径及位置，焊缝的坡口，节点摩擦面，附件的数量及规格等。7.2.3 复检：对进场构件，现场项目材料员、质量员应按照构件发运清单及相关技术标准、规范及设计文件进行清点，核查。对构件制作过程中形成的各项技术资料进行核查。7.3焊接检验7.3.1所有焊缝均需由焊接工长100%进行目视检查，并记录成表。7.3.2设计一级焊缝的必须进行100%超声波无损检测，设计二级焊缝的必须进行20%的超声波无损检测，检测质量必须达到相应规范要求。7.3.3焊缝表面严禁有裂纹、夹渣、焊瘤、咬肉、气孔等缺陷。7.3.4对焊道尺寸、焊角尺寸、焊喉进行检查记录。7.

19、3.5焊缝UT探伤应在焊缝外观尺寸检查合格后进行，并必须在焊缝冷却24小时后进行。7.3.6探伤人员必须具有二级探伤资格证，出具报告者必须是三级探伤资质人员。7.3.7探伤不合格处必须返修，在探伤确定缺陷位置两端各加50mm清除范围，用碳弧气刨进行清除，在深度上也应保证缺陷清理干净，然后再按焊接工艺要求进行补焊。7.4传感器的监测时间一般宜选择温差较小的晚上或早晨。7.5卸载过程注意事项7.5.1卸载前进行精密细致的前期准备，组织所有参与人员对实施方案和应急预案进行详细交底。7.5.2卸载过程中严格控制各卸载点卸载位移的同步精度，确定各卸载点不同步精度控制在2mm范围内。7.5.3卸载过程中要

20、及时处理结构本体的应力应变监测数据，对发生卸载点应力超过设计要求的点要及时处理，确保卸载过程中结构本体的安全。8 安全措施8.1所有施工人员进入施工现场必须带好安全帽、系好安全带、穿好防滑鞋。工人在脚手架面上作业，必须挂好安全带，为防止意外，安全带要挂在主钢结构上。在任何情况下，严禁从架上向下抛掷材料及其他物品。8.2卸载前要仔细检查各卸载点的构造处理情况和千斤顶工作性能，保证符合技术要求。8.3卸载过程中，禁止随意拆除脚手架的基本构架杆件，以防止破坏脚手架的整体性，卸载过程中需要拆除的部分杆件必须经主管人员同意，采取相应的补救措施，方可拆除。8.4在每步卸载作业完成之后，必须将架上剩余材料物

21、品移走，清理脚手架面上的多余物品，防止坠落伤人。8.5汽车吊的行驶道路必须坚实可靠，吊车不得停置在斜坡上工作，防止汽车吊倾覆。8.6暑期施工注意防暑降温，冬季施工注意防冻防滑。9 环保措施9.1购置环保仪器设备，选用无放射和灼热类型的全站仪，避免在使用过程中灼伤人的眼睛。9.2采取措施保证切割操作时产生的火花不会引起火灾。9.3本工法采用的是螺旋式千斤顶，无噪声污染。9.4施工时应对施工废料进行集中收集和分类，并按照国家和地方环保要求进行相应处理。9.5应严格遵守国家相关职业健康法规，保证场内作业人员的安全，并保持生活区的卫生。10 效益分析10.1通过应用该工法的施工工艺和监控技术，使大悬挑

22、异形重钢桁架能够安全的进行施工，施工过程中桁架能保持稳定状态，质量也得到保证，并且成型后能满足设计要求，其观感效果好，相比常规的满堂支撑和卸载方式总造价节约了43万元。10.2该工法的施工工艺和监控技术为复杂性逐步上升的钢桁架施工提供了一体化和精细化的施工分析与控制结合技术，即在钢桁架的施工中引入了同步的应力和变形监控，根据监测的结果，随时反馈结构安装情况，形成一个施工监控循环阶段，最后顺利建成并达到设计要求。10.3通过该工法对钢结构施工过程中受力变形等非线性问题的监控研究和实践提供了依据，体现了我国钢结构信息化施工技术的跨越式发展，取得了显著的经济效益和社会效益。11 应用实例由xx建工股

23、份有限公司承建的辛亥革命博物馆工程是为迎接辛亥革命爆发100周年盛典而新建的，位于湖北省xx市武昌区阅马场首义文化区的中心位置，其博物馆主体结构共四层，地下一层，地上三层，结构采用钢筋混凝土框架-钢骨混凝土剪力墙结构，三层至屋面外尖头飞檐部分有大跨度悬挑钢桁架结构，为V形对称的四榀钢桁架，桁架悬挑跨度38m，桁架间设有纵向桁架支撑，桁架间楼板采用压型钢板组合楼盖，楼盖钢梁间设有水平支撑。钢桁架采用空中散拼的方式完成，其飞檐部分成型后整体重量达600t。针对钢桁架的结构特点，开展了QC小组攻关活动，编制了这套超大悬挑异形钢桁架安装和过程监控施工方法。悬挑钢桁架的变形监测点和应力监测点布置见图11.1和图11.2。通过对此施工方法的应用和监控，整个桁架施工过程中的“力”与“形”的控制得到了保证，有效控制结构中的“施工残余应力”，满足设计要求，并且总结了