超长倒三角弧形管桁架整体安装技术研究

1　工程概况

首都博物馆东馆结构分为主楼和共享大厅两栋单体建筑，两栋建筑之间采用地下展陈通廊和地上钢结构连廊连接。连廊采用滑动支座，使两个单体地上部分完全脱开。

共享大厅及连廊钢结构由地下劲性结构、地上箱形钢柱、异形柱及屋面析架组成。屋面析架采用倒三角弧形管析架结构，北侧长145.2m，南侧 192.3m。共享大厅屋面整体南高北低、东西两端高、中间低，最高点标高25.200m，北侧悬挑 9m、南侧悬挑4.5m，屋面架最大跨度 40m，架南北高差约11m。连廊主要为析架结构。

共享大厅及连廊主要截面形式包括圆管、焊接箱形、梭形、H形截面等，最大板厚为 50mm。材质包括Q345B、Q345C、Q355B、Q390B。

2　技术特点

与常规钢结构安装方式相比，超长倒三角弧形管桁架施工具有以下特点。

超长桁架为弧形倒三角桁架，桁架在加工厂整体加工，桁架组拼与预拼装结合，根据运输能力，分段运输至现场拼装后整体吊装，有效解决了因分段吊装或高空散装，空间角度的弦杆及腹杆，高空对接难度极大的难题。

根据桁架两端安装高差大的特点，对球铰支座特殊设计，低区支座锚固后，直接与桁架、钢柱焊接，高区支座锚固并设计临时连接螺栓，安装过程中支座栓接，使支座既能释放施工变形，又能满足支座整体受力前不变形。整体安装完成后，高区支座焊接，并解除高、低区支座锚固装置。

根据桁架安装就位位置的高差，设计吊装钢丝绳、桁架高点的两个吊点，直接采用钢丝绳吊装桁架低点的两个吊点，通过两个手动葫芦连接钢丝绳，再通过卸扣连接构件吊装耳板，通过调整葫芦从而调整构件角度。在吊装就位前，将构件高差调整至预定角度，需精准计算吊点位置。

现场拼装场地需平整、坚实，拼装胎架设置位置应与加工厂拼装胎架位置相同，最大限度地还原工厂预拼装条件，有效保证拼装精度。

对起重机作业区域软弱地基铺设路基箱，并对路基箱进行加固设计，所有路基箱均横向满铺，并通过临时连接板将路基箱连成整体。

采取铺设路基箱的方式加固地基，有效解决了大型履带式起重机在回填土路面作业路基软弱的问题。

3　工艺原理及流程

根据整体钢屋盖的受力特点，桁架整体尺寸长、跨度大，单榀桁架两端高差大，桁架与钢柱通过球铰支座连接，桁架安装过程中侧向力很大，且桁架下方混凝土结构复杂，一侧主楼屋盖已吊装，均无起重机站位条件。

这就要求在施工过程中只能选择单侧场地作为吊装作业面，施工过程中桁架自身稳定，不能发生侧向移动，要有足够的变形能力释放应力，且桁架与连系梁整体受力前，支座不能发生位移、转动等变形。

采用大型履带式起重机整榀吊装的方案，对桁架支座节点进行设计，预先锚固球铰支座，并将高点支座设计为临时栓接，使应力、应变顺利释放，并保证支座整体受力前不发生位移，保证了结构整体性，提高了施工速度，大幅缩短了施工工期，确保了工程质量及安全。

超长倒三角弧形管桁架整体吊装施工工艺流程：桁架加工制作→实地调查、收集资料→测量放线→吊装作业面处理→大型履带式起重机进场→钢柱安装→支座安装→桁架地面拼装、焊接→桁架整体吊装，与支座焊接→第二榀桁架吊装→桁架间联系梁吊装→下一单元吊装→整体屋盖安装完成。

4　整体安装技术要点

4.1　桁架加工制作

桁架在加工车间由单杆整体组拼成桁架，一整榀桁架作为一组加工单元，整体加工完成后，按运输长度拆分、发运至现场。

此加工方案，相当于将车间组拼与预拼装结合，保证了现场桁架对接精度。

（1）钢管弯弧。钢管采用专用的液压设备弯弧，钢管大多采用冷压成型，如钢管径厚比较小、冷压成型母材易开裂的情况下，采用热压成型。

（2）钢管相贯线切割。在专用相贯线切割设备上切割腹杆相贯线。

（3）桁架组拼。桁架在加工车间设计专用拼装胎架，分段整体拼装。拼装后拆分成运输分段，进入涂装车间，喷砂除锈、喷涂底漆和中间漆后运输至现场。

（4）由于屋面桁架超长，根据运输长度对桁架进行分段，每段不超过18m。

（5）现场拼装时应控制桁架的尺寸和桁架的预起拱值，按照深化设计说明要求预起拱值达到L/500，即107mm。

4.2　实地调查、收集资料

（1）桁架施工前应具备资料：吊装作业区地基承载力报告；钢柱焊接完成，钢柱连系梁焊接完成，且焊缝探伤合格；测量基线和水准点资料；工程设计有关文件。

（2）及时清除履带式起重机作业面地面障碍物等。

（3）施工场地应基本平整，地耐力满足设备行走要求。

（4）现场应有足够的拼装场地，且拼装场地的地耐力应满足要求。

4.3　测量放线 

施工前先根据设计图纸和坐标基准点，精确计算出梭形柱支座，尤其是钢托座销轴孔的坐标，进行坐标数据复核。利用测量仪器进行放样，通知相关单位进行放线复核。

（1）吊装期间，利用全站仪全程跟踪测量。

（2）单体构件吊装完成后，及时对已安装构件进行复测。

4.4　吊装作业面处理

（1）履带式起重机行走区域为原基坑出土马道或回填土，局部坡度较大，对马道面平整、压实，并满铺钢板，设置排水设施。

（2）履带式起重机行走区域地面满铺路基箱，路基箱规格为2m×6m，履带与地面接触长度为8.7m。按两条履带下部承压10块路基箱计算，路基箱与土接触面积为120m²，按履带式起重机自重约400t为例，带载及考虑动力系数约480t，要求地基承载力约为40kPa。

考虑吊装时主臂与履带垂直，单侧履带受压极限值为80kPa，要求履带式起重机行走路线地基承载力为96kPa。

4.5　大型履带式起重机进场组拼

履带式起重机采用主臂+副臂工况，履带式起重机散件进场，由设备厂家组拼，组拼需100m长、10m宽相对平整的场地，组拼后经各方验收完成使用。

4.6　钢柱安装

（1）钢柱采用履带式起重机吊装。

（2）钢柱吊装完成后，吊装钢柱间连系钢梁。

（3）钢柱钢梁校正、焊接完成并探伤合格后，准备吊装桁架支座。

4.7　支座安装

（1）支座采用铸钢球铰支座。

（2）低区球铰支座出厂前焊接临时锚固装置，安装后与钢柱直接焊接。

（3）高区球铰支座出厂前除焊接临时锚固装置外，还需焊接4块长圆孔耳板，支座安装时暂不与钢柱焊接，仅在耳板处栓接固定，保证支座可整体小范围位移。

（4）桁架及连系梁整体安装完成后，焊接高区支座，拆除长圆孔耳板，并割除支座锚固装置。

4.8　桁架地面拼装

（1）桁架地面拼装长度应坚实、基本平整，场地软弱处需垫钢板，并通过拼装胎架调节标高。

（2）桁架拼装胎架设计位置应与加工厂分段胎架设计位置一致，最大限度地还原工厂预拼装条件，保证拼装质量。

（3）桁架现场拼装完成后，对接口焊接并探伤完成后整体吊装。

4.9　桁架整体吊装、焊接

（1）根据桁架重量选择吊装钢丝绳及卸扣，如图1所示。

图1　单榀屋面桁架吊装立面示意

（2）桁架吊点位置选择应使用软件计算分析，以首都博物馆东馆共享大厅桁架为例（图2），吊点位置左端钢丝绳距边距离为13.3m，右端钢丝绳距右端14m；构件重心距左端26.2m，距右端26.8m；钢丝绳左侧长度15.8m，右侧长度18.6m；夹角45°。应力最大值为48.90MPa。

图2　应力云图

以上计算结果可知，吊装过程中悬挑端变形：20.76mm < 13288/200=66.44mm；应力最大值为48.90MPa，满足规范要求。

5　结束语

采用桁架整体吊装技术有效减少了现场高空对接，实现了现场桁架弦杆零偏差对接，整体安装偏差小于规范要求。

将吊装的关键线路工期分解到地面拼装的非关键线路上，共节约工期20d，节约机械费及人工费共计110万元，经济效益明显，对同类工程施工具有很好的借鉴作用。