悬挑大跨度弧形“水滴”状钢结构施工技术

1、悬挑大跨度弧形“水滴”状钢结构安装施工技术铁路总指挥部 江志远照片尺寸为20mm*30mm；最好不用红色背景摘 要 宁波高铁站工程南北侧外立面整体造型为“水滴”状，结构形式为悬挑大跨度的弧形钢结构。根据现场实际情况明确履带吊车上既有楼板吊装施工方案，为保障在安装异形钢结构过程中做到安全、精确、有序；通过计算设计履带吊行车吊装线路、分段吊装流程和钢结构临时支撑体系，使其更科学性、更合理；通过对测量、焊接变形与应力施工过程中的控制，提高了钢结构施工精度。本工程实际施工效果的检验，为类似工程提供了经验借鉴。关键词 悬挑 弧形 钢结构 吊装 精度控制1 工程概况宁波高铁站工程站房南北立面中央位置各有一

2、个水滴造型（见图1），由悬挑异型钢结构支撑。悬挑异型钢结构与整个站房钢结构自18.4m标高以上为一个整体大桁架（见图2），图1南水滴立面图图2水滴钢结构布局图水滴钢结构由三段大弧梁和撑拉杆组成，如图3所示。下部弧梁底部标高为20.61m，悬挑弧梁和上部弧形梁的顶部标高分别为31.78m、38.48m，主要构件均为Q345B钢材、矩形截面，拉（撑）杆与弧形梁呈空间90正交连接，各节点均为焊接，悬挑内弧形梁悬挑跨度16.30m，外挑弧形梁挑跨22m，水滴钢结构东西跨度66.0m，结构总重约102t。为简化言语，统一在后面的介绍中将“水滴”状大跨度弧形钢结构简称为“水滴”。图3水滴钢结构三维轴侧图2

3、钢结构施工特点及难点分析1）单体钢构件节点复杂，加工质量控制难度大现场钢结构的安装进度及安装质量受构件的加工质量影响非常大，钢结构的施工质量必须从钢结构所用的原材料进厂到构件成品出厂全过程进行严格把关控制。钢构件出厂前需要进行预拼装，预拼装结果符合设计、规范要求后再分段依次出厂。2）圆弧外挑钢结构跨度大、悬挑长度长，需合理分节圆弧外挑钢结构如果分节段数多了，重量轻，但拼接焊接口多，易扭曲变形，施工工期长；如果分节段数少，重量大，格构柱临时支撑易失稳，安全风险大，拼接焊接口少，施工工期短。3）大型吊装机械选择，吊车行走路线需加固回顶验算根据吊重、幅度、吊装机械经济性对比，选择合适的吊机，结合楼板

4、结构与现场实际情况通过楼板加固验算，确定了吊车行走和吊点的位置，对行走部位采取有效的保护及回顶措施。4）钢结构吊装顺序，施工精度的控制高； 运用BIM技术完善和优化安装顺序，通过通过对测量、焊接变形与应力施工过程中的控制，提高了钢结构施工精度。格构柱临时支撑布置设计，卸载顺序的确定及钢结构内力监测、变形监测监测。3 吊装方案选择为了满足节点工期要求，南北边水滴吊装时土建未完成落客平台，构件吊装时吊车的站位不能选择于此部位，只能站位于既有结构楼板上进行南北“水滴”吊装。3.1钢柱吊装钢柱吊装机械采用履带吊，履带吊站位于9.85米楼板上，楼板下方需用钢管架回顶。楼板上的吊车路线及站位位置需放置路基

5、箱防止楼板的损坏，吊车作业半径10米，满足吊装（见图4）。 钢柱吊装前检查钢柱的几何尺寸，放出柱顶的十字中心线并作好标识。安装时先将钢柱基本就位，连接耳板安装好，上、下两节柱的十字中心线调整一致，再将牛腿节点与轴线关系复核，复核和调节完成后张拉揽风绳和焊接。图4钢柱吊装吊车布置图3.2 弧形水滴吊装 履带吊站在A、H轴既有结构内侧吊装“水滴”，就必须先施工“水滴”外弧形梁，再施工A、H/1-21-5轴立面结构（见图5），先吊装水滴悬挑弧形梁，悬挑弧形梁制作分段为9段（见图6），吊装方式采用搭设8个支撑架进行高空就位吊装，支撑架搭设在-0.15m楼板上，其次吊装下弧梁及支撑，然后吊装上弧形梁，方

6、法采用搭设4个支架分5段吊装，最后吊装弧形梁之间上下斜撑等次梁。图5钢柱吊装吊车布置图图6临时支撑架平面布置图4 吊车选型及部署4.1 吊车选型为满足六节点牛腿柱等大构件安装，南边水滴吊装时采用100t履带吊，北水滴吊装时为满足站房两侧结构梁的吊装选用160t履带吊。表1 主要吊装机械配备计划序号机械或设备名称型号规格数量用于施工部位1履带吊100t1南立面水滴2履带吊160t1北立面水滴4.2 吊车行车路线根据现场楼板结构设计情况及现场实际情况，确定了南、北立面、“水滴”吊装时吊车的行走路线（见图7），南立面履带吊吊装时最大荷载150t，北立面履带吊吊装时最大荷载210t。图 7 吊车行走路

7、线图4.3 楼板上吊车回顶验算水滴外弧形梁吊装时，履带吊要在高架候车层结构楼板（9.85m）上进行吊装作业，9.85m结构支撑架要按照履带吊施工时的最大荷载210t进行设计。履带吊站位于9.85m楼板前，9.85m楼板预应力必须全部张拉完毕，履带吊行走及吊装时要沿垂直于履带长度方向铺设路基箱，路基箱尺寸为4000mm1000mm150mm。在结构施工时，支撑回顶架层（地铁层）满铺碗扣支撑架，履带吊行走及吊装位置支撑架立杆间距为600 mm600mm。采用上楼板最大机械（160t履带吊）进行计算，其计算参数如下：履带触地长度为7.465m，单根履带宽度为1.1m，履带外边缘距离为6.9m。沿垂直

8、履带方向满铺路基箱后，按7.5m8m进行受力计算，则每平米结构楼板所受压力为：210060=35kn/每平米立杆数：10.60.6=2.78根根据本工程高大支模工程施工方案，支撑回顶架层（地铁层）21m结构梁的受力验算，其单根立杆计算承载力为23.179kn，每平米最大支撑力为：2.7823.179=64.44kn/安全系数： 64.4435=1.841,满足要求。另外考虑到地铁层顶板已施工完毕，其架体安全稳定，由此确定该支撑体系满足吊装受力要求。4.4 吊车上楼板时对楼板面的保护措施1）楼板上的吊车路线选择上，遵循趋强避弱方针；2）履带吊行驶路线需增加路基箱，路基箱规格是4000mm1000

9、mm150mm，平面布置同履带吊行驶路线图，保护楼板面砼不会损坏。图 8 路基板铺设示意3）汽车吊楼板面作业时支腿位置垫设钢板，钢板规格是20*1000*1000，增加支腿与楼板接触面面积，保护楼板面砼不会损坏。5钢构件分段5.1分段原则（1） 满足现场吊机性能、且便于安装；（2） 工厂制作分段的合理性和经济性；（3） 相关技术规范要求、设计要求等；（4） 最终成形后，构件的受力符合设计者的意图5.2屋面弧形拱梁分段根据现场实际情况及分段原则，将上下弧梁分为7段，外悬挑弧梁分为9段，见图9、10、11。图 9 A、H轴上弧形梁图 10 A、H轴线下弧形梁图 11 南北悬挑外弧形梁6“水滴”状钢

10、构件吊装及安装6.1“水滴”状钢构件吊装工艺流程流程履带吊行走路线确定将拆散的履带吊至作业面履带吊组装并测试检验合格“水滴”状弧形梁由两端依次向中间段吊装标高18.2m钢梁安装支撑、下弧形梁的吊装上弧形梁、水滴下斜撑吊装水滴上斜撑吊装框架次梁、檩条吊装“水滴”状悬挑梁吊装，全部吊装完成履带吊拆散下楼板图12 钢构件吊装工艺流程图图13 水滴弧形梁两端吊装图14 18.2m钢梁安装图15 支撑，下弧形梁两端第一段吊装图16上弧形梁两端第一段吊装、水滴下斜撑吊装图17上弧形梁两端第二段吊装、水滴拉、撑杆吊装图18 内侧钢结构吊装，吊车下楼板图19 落客平台施工完毕后，水滴外悬挑吊装7.支撑架的拆除

11、与卸载7.1支持架卸载原则及卸载顺序确定卸载过程是一个缓慢的受力体系转变、传力路线转变的过程，是从施工安装阶段到设计阶段的转化过程，拆除过程要避免结构局部构件和节点的破坏，这个过程要保证结构的安全、支架的安全。卸载原则：卸载实际就是荷载转移过程，在荷载转移过程中，必须遵循“变形协调、卸载均衡”的原则。不然有可能造成临时支撑超载失稳，结构局部甚至整体受损。卸载顺序：南北“水滴”弧形梁分9段吊装，分别搭设8个支架，待构件吊装完成验收后即可进行卸载和支架拆除。先拆除支架ZJ4和ZJ5，由于预先千斤顶支垫，此时，只需将千斤顶回落2mm。4小时后观测，无变化再将支架ZJ4和ZJ5的千斤顶回落20mm，然

12、后拆除支架ZJ4和ZJ5。24小时后观测，如弧梁的下挠值满足设计要求，即可拆除支架ZJ3和ZJ6。以此类推，完成8个支撑架的卸载和拆除。在卸载整个过程中，应对“水滴”钢结构关键截面的应力和变形进行实时监测，用于指导卸载工作的实施。图20 支撑架卸载顺序示意图图21 现场支架布置7.2.临时支撑架拆除方法支架采用汽车吊及塔吊拆除，具体拆除步骤：使用千斤顶把支架与钢梁回顶紧密；使用割枪把支撑马蹬切除；经过千斤顶软卸载观察满足要求后，将千斤顶取出；先拆除顶部第一节支架，依次从上往下拆除，下部支架先将吊点挂好，起钩至钢丝绳顺直，然后拆除支架连接螺栓，使用塔吊及汽车吊依次拆除；其余支架拆除方法同上。图2

13、2 千斤顶安装图23 临时支撑架拆除8 施工质量控制8.1测量精度控制钢柱测量质量控制垂直度控制：根据楼面上测设的十字相交轴线，把二台经纬仪分别架设在相交轴线的延长线上，对准柱底相应的线段标志，测量员由柱底自下而上观测柱身母线，当十字丝的竖丝与钢管（特别是柱顶母线）的外轮廓线相吻合，即符合要求。标高控制：利用高程控制点，用水平仪和钢尺测量标高，安装一节钢柱后，引测一次实际标高用复合设计标高，一般控制在误差3mm内 ，可通过钢柱节点间隙予以调整。柱顶位移测量：利用传递上来的投测点，运用全站仪进行排尺放线，把轴线放样到柱顶，作出柱顶平面放线，测量柱顶位移。2）弧形梁测量精度控制 将弧形梁上的每个支

14、撑点由空间位置水平投影到地面上，并将其空间三维坐标在Z轴方向上转换到地面。采用全站仪在地面上分别测量出每个支撑架的位置。悬挑内弧形梁在水平面上投影为一弧线，上弧形梁、下弧形梁中心线在水平面上投影为一直线，安装前在分段位置先搭设支撑架，将钢梁的中心线用经纬仪投测到各个支撑架顶部拼装平台面，作标记。将标高用水准仪和钢卷尺引测到胎架顶部作标记。钢梁吊装就位时，吊机松钩前应仔细对中，使中心线与定位线重合。每段钢梁支撑下两端各放置2个千斤顶，用于调整拱的就位高度。8.2焊接变形与应力控制减少收缩量。a、在保证焊透的前提下采用小角度、窄间隙焊接坡口，以减少收缩量。b、采用小热输入量、小焊道、多道多层焊接方

15、法以减少收缩量。预留收缩余量措施。a.各焊缝应考虑收缩量。b.弧形梁段沿其中心轴向长度，考虑其每道安装接缝的收缩余量23mm及其总和。严格控制焊接顺序，控制不当易产生变形和应力集中，因此在焊接时采取以下技术措施来控制焊接变形:a.上下弧形梁与悬挑弧形梁拉杆、撑杆应从中间向两边焊。b.分段焊接钢构件，待焊缝收缩后再焊另一端。c.钢梁的焊接，先焊受力大的杆件再焊受力小的杆件，先焊受拉杆件再焊受压杆件，先焊焊缝少的部位再焊焊缝多的部位。d.以对称焊口为基准，从控制应力应变为准则，详细制定焊接顺序，严禁将合拢焊口布置在构件应力集中的地方。e.焊接时应根据杆件对称布置的特点，选好自由端，避免焊接误差的积累。9 结语本工程悬挑“水滴”钢结构造型采用BIM技术进行施工模拟，确定吊车行走线路、支架数量及规格、分段吊装流程、支架卸载程序、楼面保护措施等，通过对测量、焊接变形与应力施工过程中的控制，提高了钢结构施工精度，施工完成后钢结构体系各项指标满足设计和规范要求，该施工技术可为同类大型