某高层建筑屋顶薄壁钢结构安装技术探讨

　　摘 要：本文以某工程为例，阐述对钢结构安装工艺、临时支撑体系、施工阶段结构以及塔吊拆除工艺的研究，总结施工过程得到的经验，最终本工程是圆满完工。

　　关键词：高层建筑；薄壁钢结构；支撑；安装

　　中图分类号：TU39 文献标识码：A

　　1 工程概况

　　本工程建筑主楼结构176.23m，加上39m的薄壁钢管构成空间屋顶钢结构，屋顶结构外边线距地面205.23m。钢结构屋顶用的钢管结构中，面积最大的300mm*18mm，最小的60mm*9mm。钢管间用相关焊接，整个钢结构总重426000千克。整个建筑结构形状为 “三脚凳”形，3个支脚均为倒锥形，整个结构靠11根铸钢件支撑。

　　工程特点和难点为：（1）吊装问题。屋顶管桁架内部在屋顶结构设计方案发生改变后无法满足吊装要求。（2）风荷载影响。主楼结构高176.23 m，屋顶钢结构高达39 m，高空风荷载影响严重。（3）吊装测量要求高。钢结构屋顶吊装封闭前是不稳定的，且同一个节点有数根杆件，因此吊装测量需要十分注意。（4）施工阶段结构稳定至关重要。由于屋顶结构高度高41 m，且屋顶结构四周无结构依靠，在屋顶结构吊装封闭前都是铰接连接，整个结构不稳定，加重施工难度。（5）脚手架搭设难度高。

　　2 钢结构安装工艺研究

　　2.1 确定方案和技术路线

　　本案例最后施工方案是：采用钢管桁架构成“三脚凳”形的空间结构。最后决定的设计方案中采用的屋顶结构构件为薄壁钢管，但是，由于结构的复杂性和安全性，结构构件的面积都不大，最大的约1350～1400m2 ，因此需要刚管杆件很多，最多达两千多根。屋顶钢结构用钢管相贯连接，因此很多钢管是连接相交在一点，最多时13根杆件交汇在一点。如果现场安装存在很大困难，经过研究决定在先在工厂进行预拼。考虑到整体提升存在较大问题，因此用分块吊装施工。建模后通过和设计方沟通协调，本工程施工技术路线是：用分块吊装法由K5/50B塔吊完成3个支脚和支脚间联系桁架，使结构封闭后再在结构上装QM18、QW6屋面吊，拆除K5/50B塔吊后，剩余钢管构件散件吊装（见图1）。分块吊装即按设计方案将屋顶钢结构分成若干块进行预制和拼装，然后进行吊装。分块吊装和散件吊装相比有一定优点：一、减少高空作业量，提高校正精度，同时相对安全；二、减少脚手架的搭设，减小对屋面荷载影响。分块吊装时须用脚手架进行稳定，分块吊装过程钢结构和脚手架交替上升，互为依靠，脚手架相对于散件吊装更简化，需要脚手架更少。

　　2.2 测量

　　屋顶需要杆件很多，纵横交错空间内很难有位置放置测量仪式，由于脚手架阻挡，在屋顶结构底部也不是架设测量仪器的好位置，无法直观进行刚测定位。有人提出将测量仪器设在脚手架上，但工人走动和吊装构件时会因震动影响测量。若跟普通工地一样用经纬仪和垂准仪无法满足钢构件安装校准要求，建模计算结果显示，此项目所在地风速较大，施工中整个构件最大弹性将达57mm，工程施工中对构件定位至关重要。经勘测现场数据，施工方决定测量所有控制点和周线，修正后在大屋面上建控制网，将结构中所有横向构件投影到屋面，和相关控制轴线进项测放。分块吊装时要保证11根竖向主弦杆垂直度和标高偏差在控制要求内。底部空间与控制线偏差通过控制网设定来控制；通过设在核心筒内塔的专用测量台及参照11根向主弦杆与控制轴线间绝对偏差关系来控制上部结构构件与11根竖向主弦杆间相对偏差值。经设计方案不断优化，本工程最终吊装偏差位移控制在5mm内。

　　3 临时支撑体系研究

　　据测量计算结果，初步审计脚手架规模：根据脚手架高度高过结构主体原则，脚手架设计高度40m，脚手通道4道；12m高四管立竿底部、18m高双管立竿中部以及12m高上部。

　　本工程风荷载参数设置是根据本工程有关数据和要求且通过MIDAS软件进行建模计算，规模按50年一遇标准设计。通过以上计算结果，经专家论证确认，对脚手架设计方案进行优化，结果是：脚手架改为39m；15m高四管立竿底部、7m高双管立竿中部及19m高上部（见图3）。

　　根据优化后脚手架搭设方案，再次进行MIDAS结构计算。计算结果符合设计受力要求（最大轴力33.8kN、最大位移36.1mm）。优化不是最终实施结果，因为施工过程中，我们根据遇到具体情况又进行优化，且根据优化情况计算，在建模计算基础上减少相应部位脚手架。

　　4 施工阶段结构分析

　　屋顶钢结构从3个支脚（标高+184.65m）到第1道相互连通水平桁架（标高+218.7m）间距34m，且支架间缺少稳固支撑，自身刚度不够支撑整体对支架产生的变形。钢结构屋顶底部是铰接形式，造成屋顶结构稳定得不到保证。因此屋顶钢结构吊装前要通过结构建模，分析每一施工状态的结构体系，满足结构分块吊装施工可行性。

　　抗风荷载结构建模结果分析，单脚手架固定作用和屋顶钢结构自身的相互依靠作用是不够的，须增加抗风支撑。但是39m的钢结构屋顶只有12m的可附着核心筒是不够的，根据施工顺序，抗风支撑拆除时，K5/50B塔吊已拆，剩下的QM18、QW6屋面吊起重半径不能满足覆盖全工程现场要求，因此抗风支撑连接点选择很重要。考虑以上情况，同时满足结构建模计算结果允许条件下，共设置16根抗风支撑，抗风支撑一端铰支于混凝土核芯筒外壁，另一端铰支于竖向钢桁架内侧面（标高+201.20m），抗风支撑选用Φ400mm×10mm钢管。此方案效果良好，设置抗风支撑很好的解决了结构不稳定问题，抗风支撑拆除的便利证明了抗风支撑的大小和节点设计是正确的。

　　5 塔吊拆除工艺研究

　　从本工程特点出发，K5/50B塔吊拆除采用置换法，即等K5/50B塔吊安装QM18屋面吊，在待拆除K5/50B塔吊后安装QW6屋面吊来拆除组装QM18屋面吊。这个拆除方案中，关键点是M18屋面吊，只有设置合理科学，后续工作才能顺利进行。以下是两个方案的讨论结果： 　　方案一：首先确定时QM18屋面吊须安装在距K5/50B塔吊中心16m半径内，而它的有效起重高度必须超过K5/50B塔吊A架高度。根据施工路线，K5/50B塔吊无法先拆，因此要尽可能多次使用K5/50B塔吊，为此QM18屋面吊安装在核心筒东侧。但是QM18屋面吊有效高度不够，需设计支架来使其有足够有效高度。此方案有个缺点，就是在拆除K5/50B塔吊时，由于屋顶钢结构限制，没有办法在整个巴干拆卸下来，须进行高空分节拆除，有危险性；同时K5/50B塔吊回转台拆除时，起重高度受屋顶钢结构限制，K5/50B塔吊在拆除巴杆后需自降约6m后才能拆除，同样安全度较低。

　　方案二：为解决方案一的危险性，采用在把QM18屋面吊设置在屋顶钢结构自身结构上，QM18屋面吊起重高度就不会受屋顶钢结构限制，K5/50B塔吊巴杆可整体拆除，不用高空分节拆除，避免危险性。但是屋顶钢结构是薄壁弱抗风结构，如果把QM18屋面吊设置在屋顶钢结构自身结构上，需增加屋顶钢结构加固量，且K5/50B塔吊起重高度无法满足QM18屋面吊组装要求。为计算加固量，我们把QM18屋面吊载荷加入模型中，得出计算结果是：桁架要在+213.8m外围全部安装、焊接完后才进行QM18屋面吊安装。

　　根据计算结果将QM18、QW6屋面吊机安装在钢管桁架自身结构上如图5。

　　考虑到K5/50B塔吊最后一次爬升时由于K5/50B塔吊有效起重高度无法满足标高+225.7m的结构安装（差3.1m），也就不能满足标高+225.7m之上的QM18屋面吊组装。想过增加一个爬升附着支架以增大爬升梁间距来满足组装要求，但是这增加一个爬升需要加大相应位置核心筒加固量，且要占去部分脚手架面积，对脚手架受力不利。经讨论论证，决定先在爬升梁下增加1道过梁（高1.4m），将K5/50B塔吊的吊钩（3.2m）拆除，用小车加装钢丝绳和卸扣替代吊钩，使K5/50B塔吊前一次爬升后的起重高度满足QM18、QW6屋面吊底座的安装。再改变QM18、QW6屋面吊常规的安装顺序，先人工安装好QW6屋面吊，再由QW6屋面吊组装QM18屋面吊。

　　结语

　　本工程屋顶钢结构施工时间通过优化施工顺序和方法比合同工期提前17天完成，总计安装时间不到四个月。通过方案优化，脚手架使用过程中最终脚手架钢管用量比原方案节约150吨，连同脚手架架拆、租赁费用一共节约26万元。本工程安装过程用屋顶钢管桁架自身结构，省去用于加固的钢材料12吨，价值约6万元。对今后类似的钢结构工程施工有积极借鉴作用。

　　参考文献

　　[1]冯振源.超高层建筑中薄壁结构安装工艺研究[D].期刊论文.建筑施工，2013.

　　[2]徐飞飞.整体薄壁结构件残余应力预测与铣削加工变形研究[D].大连理工学，2010.