拱形鋼結構安裝施工工法
大跨度拱形鋼結構安裝施工工法
1.前言
近年來鋼結構建筑憑借其造價低、大空間、抗震性能好等優點迅速發展，尤其在公共建筑和大型場館等公用設施中得到廣泛應用。而拱形結構因其大空間、造型新穎、美觀等特點，受到諸多建設單位的厚愛。
當鋼結構拱落地長度較長，土建結構為混凝土梁板時，主拱安裝宜采用分段安裝，由拱腳向上組裝，很后在頂部中間合龍。結合205.44米大跨度空間拱形鋼結構的安裝進行施工總結，形成了本工法。
2.特點
2.1
土建結構為混凝土梁板，上部為箱形變截面鋼結構主拱，主拱生根于四個拱腳基礎；
2.2
在混凝土頂板上設臵支撐塔架（同時作為操作平臺），混凝土頂板下局部設滿堂紅架體支撐；
2.3
采用分段吊裝、現場拼裝焊接。
3.適用范圍
本工法適用于工業與民用建筑工程中大跨度拱形鋼結構安裝工程。尤其適合土建主體結構為混凝土框架梁板，上部為大跨度拱形鋼結構的工程。
4.工藝原理
主拱安裝在能同時滿足設計分段要求和運輸要求的前提下，采用分段制作、運輸和安裝。為確保整體空間結構的穩定性，主拱的安裝需穿插在其他結構梁安裝的同時進行，主拱的安裝順序是從四個主拱腳向上進行安裝，很后在頂部中間合攏，主拱安裝的同時，及時進行主拱和屋面拱之間的拉桿支撐的安裝。
5.施工工藝流程及操作要點
5.1工藝流程
建立測量控制網及測量控制→主拱支撐架體設計→主拱吊裝及安裝→卸荷
5.2操作要點
大跨度鋼拱安裝同時涉及分段及吊機的選擇、施工測量定位、支撐架體的設臵、鋼拱的吊裝及安裝、卸荷等多種施工工藝，而鋼拱的吊裝及安裝是整個施工過程的關鍵。
5.2.1建立測量控制網及測量控制
1．GPS點的交接及復核
根據GPS點的成果，制定點位精度的復查，具體測量步驟：根據GPS點的布局，在施工區域邊布設二級控制網，按閉合導線的觀測方法，計算出導線精度，再根據計算出的點位精度，如果GPS點的成果符合施工要求即可使用，反之要對導線實行平差后才可使用；對水準點的復查，采用國家二級水準的要求進行復查，在施工區域內按施工需要布設若干固定的水準基準點，對布設的水準點實行聯測。
5.2.2施工中的測量控制
1．主拱跨度大，對于四個主拱與地面接觸點的控制精度要求相對高，在二級導線的基礎上用極坐標法放樣出四個接觸點，建立一矩形導線閉合環，用距離、角度復核精度；
2．主拱為斜平面主拱，在測量控制上采用直角相交觀測法；
3．主拱采用分段安裝，在二級控制基礎上布臵方格網，對桁架節點進行控制，詳見圖5.2.2：
X:0.000Y:0.000X:90.000Y:240.000K1K2K4K5X:90.000Y:0.000X:0.000Y:240.000K3K6X:90.000Y:120.000X:0.000Y:120.000ZG1ZG2ZG3ZG4ZZK1ZZK4ZZK5ZZK6ZZK9ZZK10K*二級控制點ZXG1ZXG3ZZK*鋼直柱控制點
4．高程測量
依據現場的已知水準點，在施工場區內測設水準基準點，水準點的密度應為100m左右一個，水準路線構成附和路線，以便校核，觀測精度要滿足四等水準的要求，閉合差要小于ｆｈ=±20mmL或ｆｈ=±60mmn。（L為線路長，以千米計；n為測站數。）
5．變形觀測
在確認施工安裝準確后，以安裝監測所測定的每個標志點的實際坐標和高程作為基準值。以后每隔2周按安裝監測時用同精度的觀測方法對標志點進行觀測，計算出坐標和高程與基準值進行比較，從而確認鋼架頂部的變形情況。直至建筑物封頂看不見標志點后，變形觀測結束。
5.2.3
主拱支撐架體設計
1．根據鋼拱結構體系分折，并結合設計結構的節點詳圖，首先安裝周邊的鋼柱及鋼柱間的連梁，然后安裝中間拱和屋面梁，在主拱未能形成三角形桁架之前，整個屋面鋼結構的中間部分荷載全由中間拱來支撐，所以首先在中間拱下方設臵支撐，并根據混凝土柱網間距在中間拱下方每個混凝土柱柱頂設臵承重支撐架。
主拱為主要受力桿件及結構體系的主支撐構件，在分段吊裝時自重必須外加支撐體系來完成，所以在主拱的投影弧線上同樣根據混凝土結構梁、柱位臵、間距等設臵底部承重支撐。其位臵盡量選在每兩橫軸中間附近，即在各撐桿與斜主拱相交點附近，主拱下各支承架設臵在每兩軸中間，既能符合斜主拱承重定位拼裝要求，也滿足各撐桿的安裝施工。主拱下支撐固定詳見圖5.2.3-1。
每個支承架搭設前，需首先安裝完畢該跨的屋梁，并將該處支承架上部臨時采用檁條將支承架與屋梁連接固定，必要時將支承架頂端用攬繩與屋梁上的檁托板拉牢，以確保支承架上部穩定性，同時在支承架屋梁與樓面之間中部也用攬繩與樓面錨固板拉牢固定，攬繩上應設有手拉葫蘆以便于調節，并在支承架下部焊上?48短鋼管，用腳手鋼管將支承架下部連結牢固，確保支承架體的整體穩定性。
2．針對工程的結構特點及施工順序和方法，同時結合現場的施工環境，合理選擇支撐架體的形式及規格。一般可采用格構柱架體支撐，該格構柱以6m為一個標準節（見圖5.2.3-2），并可根據不同的主拱安裝形式，以及施工順序進行支承架的布設，見圖5.2.3-3。鋼結構主拱支撐架體設臵平面圖及圖5.2.3-4鋼結構支撐架體立面圖。
變形觀測點錨固板手拉葫蘆屋梁
支承架固定鋼管平臺檁條
3.樓面上支承架不一定在混凝土梁上，為確保將支承架上的荷載直接傳遞到混凝土梁上，在每個支承架下垂直于混凝土梁方向設臵兩根200×200mm，長度不小于4m的工字鋼，每根工字鋼兩端均要搭在混凝土梁上方，以確?；炷亮菏芰Αψ湓诘孛嫔系闹渭?在現場根據施工需要進行制作,并在支架位臵澆筑2000×2000×200mm混凝土基礎，基礎配筋為Φ12@200雙層雙向網片,確保支架均勻受力，并在支承架四周設臵鋼管樁，便于支承架的錨固。主拱支承架下支座見圖5.2.3-5、主拱支承架底部基礎圖見5.2.3-6。為確保樓板不受力，在樓板底部支撐塔架下局部設臵滿堂紅架體支撐。
砼樓面砼梁工字鋼底座支承
4.主拱與地面呈一定角度，定位控制難度較大，必需根據主拱傾斜角度，在兩個方向設臵帶角度的定位支托，以使主拱的定位準確，主拱定位支座見圖5.2.3-7：
圖5.2.3-7主拱定位支座
5.2.4主拱吊裝及安裝：
1.分段及吊機的選擇
根據施工現場的實際情況，結合鋼構件的總重量，進行吊裝機械的選擇及分段數量。
首先考慮吊裝機械的一般起重量，工作半徑，并結合鋼拱總重量，底部混凝土柱的柱距等，確定鋼拱分段數量及尺寸，根據單體重量很大時的起重參數，進行吊機的選擇。
2.安裝總體流程：
1）首先進行鋼柱及鋼柱之間的連梁安裝，具體如圖5.2.4-1流程圖一：
2）為了使屋面結構形成穩定的體系，所以對兩端第二段中間拱進行安裝，并進行兩端屋面梁和鋼柱的拼裝安裝，同時對兩端屋面梁之間的連梁和水平剪刀支撐進行安裝，具體如5.2.4-2流程圖二：
3）進行下一段屋面結構梁安裝，同時做好吊裝主拱梁的安裝準備工作；具體如5.2.4-3流程圖三：
4）進行主拱梁的安裝，同時安裝相應部位連梁，并在樓面上進行鋼柱和屋面鋼梁的拼裝，具體如5.2.4-4流程圖四：
5）依此類推進行剩余主拱的安裝，詳見圖5.2.4-5流程圖五、圖5.2.4-6流程圖六、圖5.2.4-7流程圖七。
6）進行靠內側主拱梁吊裝合龍，具體見圖5.2.4-8流程圖八：
7）進行靠外側屋面梁及鋼柱等安裝，并進行靠外側主拱梁合龍詳見圖5.2.4-9流程圖九：
5.2.5卸荷
1．總體思路
在卸荷前，整個鋼結構荷載分別由鋼柱、支撐架及主拱承擔，卸載時支撐架上所承受的荷載逐漸過度到鋼柱和主拱上，很終形成穩定的承載體系。卸載過程是使屋蓋系統緩慢協同空間受力的過程,此時整個屋蓋系統的內力重新分布,并逐漸過度到設計狀態。在卸載時應遵循“變形協調、卸載均衡”的原則,采用從中間向兩邊逐步卸荷的施工方案,先卸載中間拱的支撐架，卸完后再進行主拱的卸荷，兩榀主拱應同時由中間向兩端進行。
2．卸荷具體施工過程：
1）在主拱下各支撐架的支撐點的H型鋼梁上設臵型號為QL50的50噸螺旋千斤頂，支撐點上設臵一個。
2）在每個螺旋千斤頂的頂部利用Φ219的鋼管做套筒，再在鋼管的頂部做與拱架角度相同的支托做為臨時支撐。
3）調節螺栓千斤頂的高度，使支托支撐在拱架的底部，頂緊到位。
10
4）在每根H型梁千斤頂的落位處設臵鋼板卡碼，固定千斤頂，防止千斤頂在支撐H型鋼梁上滑落和失穩，具體見圖5.2.5-1、5.2.5-2：
5）待所有支撐點上的臨時千斤頂支撐到位、頂緊后，按照從中間到兩邊的順序逐漸拆除原臨時的支撐，讓主拱逐步落位在千斤頂支托上。
6.材料與設備
本工法使用的材料主要有格構柱架體、200×200mm工字鋼、鋼架管、鋼板卡碼、Φ219的鋼管、舊橡膠輪胎等；主要采用的機具設備有：履帶吊機、汽車吊、千斤頂、手動葫蘆、全站儀、經緯儀、水準儀、鋼絲繩、安全繩、網、對講機等。
7.質量控制
本工法施工質量控制須嚴格按GB
50205-2001《鋼結構工程施工質量驗
11
收規范》中相關驗收標準執行。
7.1勞動力組織到位，配備測量人員4名，負責安裝定位；電焊工20名，負責現場焊接拼裝；質檢員2名，負責質量檢查。
7.2現場的控制點和主控線在移交前，必須經監理等單位對現場的控制點和主控線進行復合并確認。
7.3主拱的控制點和主控線的設臵完成后，同樣須經相關單位進行復合并確認。
7.4在主拱的安裝過程中，相關單位必須同時旁站監控，以確保預埋件的安裝就位的準確性。
7.5吊裝第一段箱型梁時，以箱型底柱的垂直線為基礎進行安裝、垂直度校正。垂直度調整好后，箱型梁接頭部位上、下，左、右進行點焊，再復測箱型梁和箱型底柱的垂直度，確保無誤后，然后在箱型梁的兩端用鋼支撐把箱型梁撐住以保證箱型梁的穩定性，很后再對對接坡口進行全溶透焊接。在箱型梁標高控制上，選用在每個支撐胎架的頂部安裝一只20T液壓千斤頂，以調節箱型梁的標高，吊裝后面的箱型梁以同樣的方法進行施工。兩根箱型梁安裝結束后，再安裝兩根鋼梁間的支撐桿件，以確保箱型梁的穩定性。
7.6每吊裝完一段箱型梁，對其進行測量、復核無誤后再進行加固、焊接。
7.7嚴格按照《焊接工藝評定報告》和《建筑鋼結構焊接技術規程》JGJ
81
–
2002。焊接前進行坡口除銹、打磨。箱形梁施焊時，由于箱型梁截面大，焊接量比較大，焊接過程中為防止箱型梁變形，采用兩人對面同時焊接，然后再進行上、下坡口焊接。對于拉桿與箱形梁焊接時，也應由兩人由上至下對稱施焊。
7.8設計要求全焊透的一級焊縫采用超聲波探傷進行內部缺陷的檢驗，超聲
12
波探傷不能對缺陷作出判斷時，應采用射線探傷，其內部缺陷分級及探傷方法應符合現行國家標準《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級法》GB1135或《鋼熔化焊對接接頭射線照相和質量分級》GB3323的規定。要求一級焊縫100%探傷。
7.9焊縫表面不得有裂紋、焊瘤等缺陷。不得有咬邊、未焊滿、根部收縮等缺陷。
每批同類構件檢查10%，且不少于3件。
7.10主拱安裝應符合以下質量標準
項
目
允許偏差
卸荷完成后很大下撓量
由設計計算得出（本工程42mm）
定位軸線
L/20000，且不超過3mm
箱性截面高度
±2.0mm
箱形截面寬度
±2.0mm
8.
安全措施
8.1起重機的行駛道路，必須堅實可靠。起重機不得停臵在斜坡上工作，也不允許起重機兩個履帶一高一低。
8.2安裝時搭設穩固可靠的臨時工作平臺。并嚴防高空墜落事故發生。
8.3施工用電嚴格遵循用電規程，保證安全用電。
8.4焊接作業場地不得有易燃易爆物品。電焊機外殼必須接地良好，電源的拆裝應由電工進行，應設單獨的開關。焊鉗和把線必須絕緣良好，連接牢固。
8.5防止高處墜落，操作人員在進行高處作業，必須正確使用安全帶。安全帶一般應高掛低用，即將安全帶繩端掛在高的地方，而人在較低處操低。
8.6安裝過程中遇大風季節（6級以上），應立即停止吊裝、焊接等其它施
13
工項目。對已安裝結束還沒焊接的箱型梁，在遇到大風時箱型梁兩端用落地鋼支撐撐住鋼梁，兩端再增設兩根攬風繩以減少風力對鋼梁的風荷載。焊接前再對鋼梁的標高、垂直度進行測量，復測無誤后在進行焊接。
8.7在支架卸荷過程中，必須對主拱架的變形情況進行全程跟蹤觀測，并做詳細記錄，應避免突變情況的產生。
9.環保措施
9.1嚴格控制人為噪音，進入施工現場不得高聲叫喊、亂吹口哨、限制高音喇叭使用，很大限度的減少擾民。施工噪音遵守《建筑施工場界噪聲限值》（GB12523—90）。
9.2加強對施工現場粉塵、噪音、廢氣、廢水的監控工作，及時采取措施消除粉塵、噪音、廢氣、廢水的污染。
9.3保持施工機械的整潔。電纜、氣割帶、風帶等沿施工臺架成束之下而上拉放。并應捆扎牢固。
10.效益分析
主拱吊裝采用分段吊裝施工技術，施工較為方便，工序交叉影響少，保證了施工質量，加快了施工速度，提高了工作效率，節省了人工開支，從而降低了工程造價。
10.1節省人工費、機具租賃費、縮短工期帶來的效益
縮短工期合計按33天計算。
人工費節約：33天×90人×70元/天=207900元
機具租賃費33天×20000元/天=660000元
合計：86.79萬元。
10.2社會效益
本工法所涉及的內容在不同程度上解決了目前國內大跨度拱型鋼結構安裝的空白，為目前國內同類型鋼結構的很長跨度，對安裝中的關鍵技術進行較全面、細致的研究，實現技術先進、經濟合理和施工方便等目標，為保證工程質量和結構安全提供了理論的依據，可為同類工程積累寶貴的施工經驗。此項目通過了省建設廳組織的專家鑒定，成果達到了國際先進水平，目前已申報河北省科技進步獎。
11.工程應用實例
11.1工程實例概況
呼和浩特白塔機場擴建工程航站樓工程結構形式為混凝土框架及鋼結構，
7.2米以下為混凝土框架梁板，南北方向跨度92米，東西方向長度168米，上部為兩榀變截面箱型鋼性斜主拱，落地長度205.44米，主拱平面內半徑約141.1m，拱斷面采用下大上小的變高度箱型斷面，由鋼板焊接而成，翼緣寬度1.4m不變，截面高度由1.8m至1.4m漸變，壁厚25mm，在拱的自身斜平面內呈圓弧型，拱頂距離12m，主拱很高高度40m，拱與地面成64度角，主拱自重391.7噸。
11.2航站樓主拱在施工過程中，計劃吊裝開始工期為4月15日，如采用整體吊裝，所有構件須在4月15日全部到場，實際采用分段吊裝后，構件按吊裝計劃分批進場，既減少了運輸費用，又減少了單構件吊裝起重量，減小了起重機噸位，降低了吊裝難度，施工時采用了首鋼的利瑪7707型300覆帶吊進行主拱吊裝作業，施工安全、快捷，同時可與航站樓其它土建工序穿插作業，減少了工序間的施工影響。從而加快了施工進度，航站樓鋼結構主拱于同年6月19日順利實現合攏，確保了計劃工期，為航站樓工程的順利竣工奠定了堅實的基礎。