大跨度钢结构连廊的设计要点和施工技术

大跨度钢结构连廊的设计要点和施工技术

陶华钧,章炯磊

浙江精工钢结构集团有限公司  浙江省绍兴市   312000

摘要：施工单位需要在具体技术层面加以规范，将整体滑动与吊装、无支撑等多种技术有效应用到工程领域，同时也要重点加强钢结构施工管理，规范强度参数，并优化处理预应力技术和焊接处理工艺，保证整个工程作业环境更加安全。本文主要分析大跨度钢结构连廊的设计要点和施工技术。

关键词：大跨度；钢结构连廊；设计要点；施工技术

引言

钢结构连廊是一种用于建筑、桥梁等建设工程的重要结构。随着我国城市化进程不断加快，城市基础设施的需求越来越大，人们对房屋和桥梁建设工程的要求越来越高，钢结构连廊也随之得到越来越多的应用。钢结构连廊的设计、制作和安装施工均会影响建设项目的进度和质量。因此在设计钢结构连廊时，需要充分考虑各方面因素，对各个参数的取值范围做出客观分析和准确计算，并结合施工现场具体情况选择合理的设计和施工方案。

1、连廊结构概述

采用设缝与主楼脱开的形式，结构设计总长度66.2m，总宽度34.5m，主体结构高度13.88m，连廊中部设置了楼梯和电梯，局部凸出的楼电梯间高度为18.55m。为满足建筑外形的特殊造型要求，结合下部道路横穿而过的实际情况，连廊沿纵向设置了2榀3跨连续折线形钢桁架和2榀单跨折线形钢桁架，与11根混凝土柱和4根箱型截面钢柱共同组成了连廊的空间结构支撑体系。为减小温度效应对混凝土柱的影响，在所有混凝土柱顶设置了球形钢支座。由于中部设置的楼电梯间结构上具有特殊要求，无法设置球形钢支座，故将楼电梯间周围的4根箱型截面钢柱升到钢桁架顶部，与此4根箱型柱相连的钢梁和折线形钢桁架均为刚性连接，故此形成了球形钢支座与局部刚接钢柱组合的复杂结构体系。钢桁架体系具有自重轻、受力性能好、跨越能力强等特点，但折线形钢桁架与复杂的支座条件成为技术难点。

2、施工分析

2.1施工方案

通过比较多种常用的钢结构空中连廊施工方案，如上海国金中心使用的分榀桁架整体提升、高空抬吊散拼、整体钢结构提升等施工措施，结合中小型空中连廊体积与重量较小的实际情况，选择了“先在四层连廊拼装为牢固框架体系，再采用整体提升至合拢位置，随后补齐剩余钢构件”的方案，采用整体提升与高空散拼相结合的施工方法进行施工。在整个施工过程分为2个施工工况，具体如下。1)提升段拼装。根据拼装荷载对连廊结构的承载力进行复验，在混凝土顶板上预埋埋件，方便后续拼装胎架的固定。采用全站仪在地面进行测量定位放线，支设拼装胎架，胎架限制连廊的拼装位置与尺寸，使组装段位置准确，保证组装段下锚点与预分段的上锚提升点在同一直线。胎架采用H200×100×6×10型钢组成框架，与顶板预埋件焊接固定，胎架共设置5道，主梁两段及中部各1道，钢柱位置1道，胎架固定后先将底层钢梁(主梁、次梁、支撑)全部组拼形成稳定单元，构件拼装采用塔吊;钢梁组拼校正固定后安装钢柱，钢柱安装完成后进行预起拱5．5mm焊接，最后进行剩余构件的安装。2)提升阶段。地面提升段连廊拼装完成，再利用塔吊将提升支撑部分构件安装在主结构顶上，吊装穿好钢绞线的液压千斤顶，将其就位在提升牛腿上锚点工装上，钢绞线垂下端与桁架上提升下锚点固定。吊装液压泵站至两侧主结构屋顶层，连接油路、电路，并调试。调试完毕确认一切正常后，试提升桁架，离开胎架20cm，悬停12h后，检查无问题就可以正式提升。

2.2连廊构件的焊接

焊接前的准备工作，钢结构的焊接变形与焊缝的形成是相互关联的2个方面，控制焊缝的成形和焊缝应力非常重要。在选择焊接接头时，要根据现场施工条件综合分析和考虑：一是要对材料的力学性能做出合理的评价，二是要对焊接工艺参数作出科学的计算，三是要结合现场的具体环境制定适合的施工方案，四是要做好试件检验、试样设计与布置工作。通过以上准备工作，才能保证焊接的成品构件达到预期效果，满足技术要求。

2.3预拼装准备工作

预拼装准备工作主要包括以下4个方面：一是在基坑开挖之前，先测量好基坑的标高和轴线位置，并根据基准点的坐标确定基坑的具体尺寸，然后将其转交给设计单位，完成土方挖运设计。二是为了保证工程施工的质量和进度，需使用挖掘机、吊车、起重机等各种土方、运输机械，以确保顺利完成土方挖运施工。除了要配备专门的施工机具之外，还要安排专业的人员负责，以防出现问题。三是在开始正式预拼装作业之前，应制作、准备好足够数量的结构件，并将其运至预拼装现场，以便施工人员的有序拼装。四是所有的结构件都必须用经纬仪进行精确测试，并经监理工程师批准后方可投入使用。某些特殊部位的结构件要有相应的保护措施。

2.4主体结构的稳定性控制

大跨度钢结构连廊的主体结构在焊接和吊装时最容易发生变形。而在主体结构的拼装过程中，由于受力不平衡，会产生较大的弯曲扭矩，导致降低主体结构的稳定性。为了保证主体结构的稳定性，必须对其进行有效的控制和管理。首先，严格控制焊缝质量。焊缝的长度一般为2~3m，焊缝的宽度一般为10mm。焊缝的具体尺寸应根据实际情况来确定。其次，采取锚固处理方法。锚固的作用就是将钢柱与节点之间的联系切断，避免因连接处的张力过大而影响主体结构的安全性能。最后，主体结构的加固方法。主体结构的加固，可采用锚栓的方式来完成。在使用锚栓加固方式之前，先用砂土垫底，再浇筑混凝土，最后浇捣密实，这样才能确保其强度。

2.5吊装策划

为了保证大跨度钢结构连廊整体吊装的安全施工，在吊装施工之前，需要对各个部位的施工材料和施工机械设备等，进行安装与调试。在对连廊进行三维建模后，需要对其施工过程中的关键参数和主要工程量进行计算，并得出相应的控制数据，为下一步的工作提供依据。通过ANSYS软件建立连廊整体提升策划模型，并利用该模拟方法，实现连廊的精确化布置，确定最合适的位置和具体施工流程。吊装施工包括以下4个步骤：一是在吊装部位设置好支撑的间距；二是将所有构件按照一定顺序排列，保证相邻2个节点之间的距离大于等于5m，避免连廊位移，提高连廊的稳定性及承载能力；三是对其内部的钢筋网、楼板、支架等的尺寸做合理的调整与布局，使其达到最佳的组合效果。

3、操作要点

3.1胎架布置安装

在地下有柱的位置顶端预埋埋件，横向4道钢梁采用工字钢500×158×12×20双拼在预埋件上安装焊接布置，有劲性柱超出地面的与劲性柱（报告厅劲性柱）直接焊接固定，有负下区域的采取直径245mm的钢管做立柱进行顶撑，两端靠近A/B主楼结构是空洞，在17轴和26轴的8根主立柱侧面预埋钢牛腿，上方各横担800×300×14×26H型钢，与工字钢500×158×12×20的双拼梁连接，有效将空中连廊的重量通过加固梁传至地下立柱。拼装区域采用H型钢梁及双拼工字钢梁架空做法，局部降板位置采用钢立柱。钢立柱及钢梁受力点均作用在地库混凝土柱头位置。

3.2液压提升设备安装

1）液压提升器。吊机将每台提升器（含导向架）分别吊装在各吊点位置，依液压锁方位来调整放置角度，便于与液压泵站之间的油管装拆。焊机配合用压板将提升器临时焊接固定于上吊点平台，每台提升器底部采用4块压板固定。2）承重钢绞线。钢绞线的安装根据实际情况选取不同的方法，钢绞线穿过提升器下端并与底锚固定。3）导向架。导向架位于液压提升器附近，其顶部的横杆高于天锚高约1.5～2m（总高约3.5m），偏离提升器0.4m为宜，保证钢绞线垂直导出，延导向架顺利移动。4）液压管路的连接。管路连接顺序由低往高，逐根进行。取下油管接头内部原有的垫圈与对接头的O形圈连接。5）液压泵源系统连接。泵源布置以靠近提升器为原则，使提升器与泵源间的液压油管尽可能短，具体布置依据场地情况。6）计算机同步控制系统的布置。型号为YT-1型的同步控制系统布置时尽可能与液压提升器和泵源系统相接近，需置于可避雨且安静的环境内。

3.3钢结构焊接技术要点

焊接技术是建筑钢结构施工中经常使用的一项技术。建筑钢结构施工工作量较大且复杂性较强，焊接施工人员需要掌握各种先进的焊接工艺，了解钢结构的特点，并且根据工程实际情况来选择符合要求的焊接工艺。首先，在施工之前，施工单位需要组织所有焊接施工人员参与培训，并在培训结束后全面考核焊接施工人员对知识的掌握情况，确保所有焊接施工人员都能掌握先进的焊接技术知识。其次，焊接施工人员要做好焊接施工环境优化工作。钢结构焊接工作需要在高空进行，如果外界环境达不到要求，则会直接影响焊接效果。在这种情况下，焊接施工人员需要停止施工，以避免外界环境对焊接质量产生不良影响。另外，在对焊缝进行热处理时，焊接施工人员需要采取相应的措施来控制温度。最后，焊接施工人员要加大焊接质量的检查与验收力度。不同类型的焊接工艺及质量标准有一定的差异，在检验焊接质量时，焊接施工人员需要合理选择检验方法，保证焊接的长度、厚度等符合施工要求，确保焊缝表面没有任何质量问题。

3.4严格控制安装过程

建筑的钢结构由大量的钢材组装而成，并且钢结构施工过程中涉及不同的工种，施工人员需要长时间进行高空作业，这些情况会对材料安装工作造成一定的不利影响。因此，施工人员要做好衔接工作，以提高钢结构施工质量。在开展材料安装工作之前，施工人员要做好安装过程规划工作，并充分利用BIM技术来构建三维立体模型，了解施工中存在的问题，对安装方式进行优化。在实际施工时，施工人员需要严格按照施工工序开展施工工作。对每一道工序，管理人员都需要进行验收。比如，在完成钢材吊装工作后，测量人员要重新测量钢材定位轴，并做好标记，以保证钢结构安装控制点的合理性。同时，施工现场管理人员还需要建立完善的监督管理机制，全面监督钢结构安装过程，加强安全管理，明确划分工作职责，落实责任机制，一旦发生问题，立即追究相关人员的责任，以提高建筑钢结构施工质量。

3.5建筑对所需材料的处理技术分析

在建筑钢结构的施工过程中，所需的建筑材料应在性能和技术复杂性上有所提高，从而保证建筑的施工质量。在建筑的钢结构整体施工中，尤其要格外关注施工材料的质量技术要求需达到相应的规范要求。在建筑施工前，一般需要对施工材料进行全面科学的维护和保养工作，使其符合相关的施工安全技术要求，建筑钢结构材料在施工前需要进行彻底的除锈和防锈涂料的涂抹工作。并在在焊接安装施工结束后，必须对焊接的部位和需要焊接连接的螺栓进行有针对性的防锈技术处理，如果在施工过程中发现焊接部位出现损伤和磨损的现象，需要采用防锈涂料技术对其进行处理。并且需要对建筑物钢结构的所有表面进行专业化的清洗操作，然后在钢结构表面涂抹一定的防火材料，从而使建筑钢结构具有一定的阻火性能，在后期发生火灾时能保证建筑钢结构主体的稳定性和安全性。在建筑质量和防御性控制方面，确保施工的关键技术所需的材料能在特定的条件下使建筑物达到技术要求。

3.6建筑中钢结构柱施工过程中的关键技术

在建筑的结构中，柱体构造起到的作用是十分重要和关键的，柱体结构在支撑建筑钢结构主体中的关键作用，是保持建筑钢结构主体达到一定的安全性和稳定性。因此，在建筑钢结构的柱体结构施工过程中，要更加关注管理人员和施工人员对这一施工环节的流程管理和管控，加强施工各个环节的施工技术控制和技术管理人员的管理，提升这一环节施工过程中关键技术的质量水平。建筑钢结构根据整栋建筑的总施工流程合理选择施工技术。在吊装施工过程中，首先要在施工前确定建筑钢结构立柱体及轴线的定位状况。同时，将地面施工控制网作为基准点，进行选择性放样。在建筑吊装施工作业中，要控制吊装的表现形式，防止建筑钢结构的构造柱出现拖地情况。在确定建筑钢结构柱的安装位置、安装位置层次和结构选择上，要明确先进行垂直后进行水平操作的操作顺序，继而根据实际情况进行合理的位置调整和位移操作。在这些操作完成后在垂直角度进行测量和观察，然后进行误差的修正和调整。

3.7大跨度空间钢结构的施工与安装

以往施工时往往只关注结构使用时的受力情况，却忽略了施工期间的受力问题，这必然会引起施工质量问题，埋下安全隐患。大型构件吊装期间的仿真模拟需要模拟所有环节的钢结构受力情况，特别是结构安装中容易变形位置的模拟，同时还要模拟结构拼接、卸载过程等一系列内容。施工前，需要提前了解工程中存在的问题，这样才能在项目开展中规避不良现象，从而完成工程施工全过程控制。例如，体育中心在卸载过程中，构件因卸载造成局部受力过大发生变形，通过模拟仿真技术提出整体卸载、分级卸载等措施，最终实现了整体结构的施工稳定。工程施工时还需要使用全过程仿真技术，仿真验算所有施工阶段的工程施工方式，然后确定预应力张拉顺序及其方法和力度大小。此外，还要分析单层网壳结构初始缺陷，判断下部支撑架会给张拉施工环节带来哪些影响，以更好地控制工程施工质量。另外，应提高对计算机辅助制造技术与计算机辅助设计技术的重视程度，在科技不断更新的同时确保使用一系列先进数控设备与信息技术。空间结构产品需要综合使用管理技术、制造技术、设计技术以及信息技术，这样才能保障生产效率，明确生产目标，创新钢结构产品。对于预应力施工二阶平台的设计，预应力索和网壳施工属于交替施工，安装网壳时，支撑条件对张拉与预应力索的穿索均有影响。设计胎架时，要从两个环节搭设，并采取有效手段，避免径向钢拉杆与环向索相互碰撞，影响工程安全。对于大跨度空间钢结构施工而言，合理选择安装方法十分重要。选择安装方法时要保障安装的合理性与经济性，保证安装质量达到工程建设标准。过去常用的施工方法包括分块、分条、高空散装法。但随着大跨度空间钢结构体型越来越大，跨度不断增加，各种工程材料也持续更新，原先的安装方法逐渐无法满足需求，因此必须创新安装方法。为了确保工程施工有序进行，施工中通常会应用多种类型的安装技术，不同工程应当依据工程实际特征选择相应的安装方案，并合理使用安装技术，从而提高工程水平。

结束语

综上所述，大跨度钢结构连廊的设计和施工，是高大建筑物一项重要建设项目。组织好大跨度钢结构连廊的设计和施工，不仅可以提高建筑物的整体质量，还能够为高大建筑物主体工程的顺利完成提供有力施工方案和注意事项的保障。

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