刚性支撑架在大跨度网架安装施工中的应用

时间：2024-08-31

张明亮向思宇谢伟黄浩黄晶

1. 湖南建工集团有限公司湖南长沙 410004；2. 中南林业科技大学湖南长沙 410004；

3. 湖南省建筑施工技术研究所湖南长沙 410004；4. 长沙三远钢结构有限公司湖南长沙 410014

随着建筑技术的进步与经济建设的发展，越来越多的大跨度、异形结构被应用于大型公共建筑与工业建筑。为了满足建筑使用功能与结构安全性要求，此类建筑一般采用管桁架、张弦梁、网架等空间结构体系。针对网架安装，通常有7种施工方法：高空散装法[1-2]、分条或分块安装法[3-4]、高空滑移法[5-6]、整体吊装法[7]、整体提升法[8-11]、整体顶升法、折叠展开整体提升法。在这7种施工方法中，除整体吊装法、整体提升法、整体顶升法外，最常用的安装方法为高空散装法与分条或分块安装法，采用此类施工方法均需搭设支撑架[5-6]。由于网架纵、横柱间距较大，在施工过程中存在支撑架体量大、施工工效低等问题。针对此类问题，本文提出了一种刚性支撑架施工技术，该技术利用网架自身刚度，从根本上改变了常用的连续支撑方法。同时，刚性支撑架就场地占用、支撑架体量较其余几种常用支撑架[12]有着明显的优势，适用于大跨度网架工程的安装。

1 项目概况

湖南烟叶复烤有限公司郴州复烤厂易地技术改造工程项目，主车间屋面网架为正方四角锥螺栓球单层平面网架，网架平面分为A、B、C区域（图1），3个区域的总面积为27 069 m2；网架柱距为9.00 m，最大分区跨度为45 m，网格尺寸为3 m×3 m。找坡形式为结构找坡，厚度为2.5～4.8 m。网架总质量约为1 786 t，设计含钢量为65 kg/m2，局部最大含钢量为150 kg/m2。

2 施工技术比选

本项目为大跨度网架结构，最大柱网尺寸达到45 m×45 m，在施工时常采用的方法为分片吊装或高空散装法施工，其支撑架形式有满堂脚手架和滑移支撑架等。

项目拟采用的施工方法是一种与上述支撑完全不同的支撑方式，即刚性支撑。刚性支撑有2个含义，一是支撑架本身的刚性大；二是支撑架与网架下弦刚性连接，使其与网架成为一个整体。

图1 网架平面布置

2.1 施工技术综合对比

2.1.1 工期比较

满堂脚手架施工时工期为35 d，滑移操作架施工时工期为51 d，而刚性支撑架施工时工期为12 d。可见，采用刚性支撑架进行施工时工期最短，较满堂脚手架快23 d，比滑移操作架快39 d。

2.1.2 质量比较

采用不同的施工技术，网架安装执行的质量标准、施工过程质量控制、检验方法均相同，对网架安装本身并无明显的质量区别。采用满堂脚手架或滑移支撑架施工，全部工作均在操作平台上进行；刚性支撑架施工除高空散装外大部分操作在地面上进行，相对而言，采用刚性支撑架施工，工程质量更容易得到保证。

2.1.3 造价比较

使用满堂脚手架，工程造价较高，约需180万元；使用滑移支撑架居次，约需120万元；使用刚性支撑架，则需30万元。从造价方面比较，采用刚性支撑架进行安装更加经济，可节约施工的直接成本。

2.1.4 场地要求

1）场地平整度要求。采用满堂脚手架，需对场地进行平整；采用滑移操作架，需对场地进行平整，要求场内全部硬化；采用刚性支撑架，需对场地进行平整，要求场内局部硬化。

2）场地占用要求。使用满堂脚手架，施工场地将会全部被脚手架占满，由于网架建筑面积较大，材料型号种类较多，网架构件将无法进行合理摆放；使用滑移支撑架，需要占用2/5的施工场地，有效的施工场地被挤压；使用刚性支撑架，占用场地面积较小，有效的施工场地基本可以全部使用，且当构件摆放与刚性支撑设置冲突时，将妨碍设置刚性支撑的构件移开即可。

因此，针对场地的综合适用性，采用刚性支撑架更为合理。

2.1.5 施工工效

1）采用满堂脚手架或滑移支撑架施工，施工降效比较显著。网架拼装前，螺栓（焊接）球、杆及附件，必须先用吊车移动至支撑平台，再由人工对其进行平移抬运，操作较为不便。网架拼装中，由于上弦与下弦高差较大（2.5～4.8 m），安装上弦球及腹杆时，不能利用吊车，只能使用卷扬机进行吊装。

2）采用刚性支撑架施工不受平台限制。地面运输利用叉车或胶轮；网片经地面拼装后再通过吊车（或提升设备）整体吊装到位；高空散装部分可地面拼成三角锥后再由吊车直接把锥体吊到安装位置。

综上所述，对于大跨度网架工程安装，采用刚性支撑架施工能获得更好的综合效益。

2.2 刚性支撑架施工特点

1）刚性支撑架安装、调节、拆移方便。刚性支撑的高度调节系统设在柱底，每个高度调节系统设有4组支撑，支撑均由限位环、机械式千斤顶、钢底板组成（图2）。限位环用螺栓固定在柱底螺栓球上，防止千斤顶滑出支撑面；千斤顶下放置钢底板，钢底板下为砂石找平层或混凝土垫层。当现场地面比较松软时，可通过扩大钢底板尺寸，减小压强的方式处理，以防止支撑沉降。千斤顶主要用于高度调节，当千斤顶高度不够或调节量不足时，可在千斤顶底部添加钢板和短管，用于辅助高度调节。

2）刚性支撑架可循环使用。当网架安装覆盖土建混凝土支座，且支座杆安装完成后，可将最先安装的刚性支撑卸载、拆移，对其进行循环再使用，满足国家提倡的绿色施工要求。

3）刚性支撑架设置灵活。本项目刚性支撑架截面尺寸为3 m×3 m，吻合于网格尺寸，其4个支撑柱与网架任何相邻的4组下弦球可通过高强螺栓实现无缝对接（图3）。刚性支撑理论上能设置在网架投影面下的任意部位，可避让建筑物内的设备基础、基坑等障碍物。

图2 刚性支撑架高度调节系统

图3 刚性支撑架与网架连接

4）占用的施工场地少。本项目使用的单个刚性支撑架占用面积仅为9 m2，按支撑周边设置防碰撞围挡计算，每个支撑架占用面积为25 m2，总占地面积不足施工场地的7%。

5）满足局部集中承载力要求。大跨度网架结构面积大，坡面较长，屋面板一般只能采用现场压制。若在地面进行压制，由于屋面板过长，吊装至屋面较为困难。当采用刚性支撑时，压制机（7～10 t）可直接安放至屋面操作，不受屋面承载限制。

6）稳定性程度高。独立支撑的设置，不仅应该具备足够的支撑力和稳定性，还须具有一定的抵抗意外力碰撞的能力。在工程应用过程中，曾发生过刚性支撑被场内施工吊车意外碰撞的事故，4肢支撑的其中1肢柱被撞毁，杆件被撞弯，螺栓被撞断。但另外的3个肢柱安然无恙，整体稳定性没有受任何影响。

3 施工技术原理

3.1 工艺原理

大跨度网架结构施工时设置刚性支撑架，就是利用网架自身的刚性，将整体网架视作一个刚体，把多个刚性支撑与网架相结合，使之成为网架整体的延伸。通过有选择的设置，将刚性支撑灵活地放置在预期位置，从而实现改变柱网尺寸的目的。使大跨柱网或超大跨柱网尺寸变为满足建筑（工艺）使用功能要求的柱网尺寸，从而将比较复杂的网架安装变得相对简单。

3.2 理论原理

对于网架结构，虽然整体结构力系复杂，但就螺栓球杆件而言，其均为轴心受力构件，受力相对简单；焊接球网架杆件则稍复杂，杆件除受轴力外，还受弯矩作用。但不论杆件是承受拉力还是压力，杆件结构均相同，仅长细比控制稍有差别。对于拉杆，容许长细比[λ]=250；对于压杆，容许长细比[λ]=180。

通常小尺寸网架结构在不改变网架刚性的前提下，扩大柱间距，缩小柱的支撑密度，可能会导致杆件应力超限；相反，大跨度网架结构在不改变网架刚性的前提下，缩小柱间距，增加柱的支撑密度，则不受应力超限的限制。虽然在改变柱密度的同时，可能会改变杆件受力方向（俗称变性），但在网架自重的工况下，即便杆件改变了其受力方向，应力超限杆件数量也几乎为零。

基于上述理论原理，本工程经3D3S软件模拟计算，柱网尺寸缩减为1/2时，无应力超限杆件；柱网尺寸缩减至1/3与1/4时，均无应力超限杆件。故本项目增加柱支撑密度方式合理可行。

3.3 刚性支撑验算

3.3.1 刚性支撑的选用

本项目刚性支撑为4肢组合格构柱。支撑截面尺寸为3 m×3 m，总高度为12 m，节距为3 m，支撑4肢为φ114 mm×4 mm钢管，缀杆分别为φ76 mm×4 mm和φ60 mm×3.75 mm钢管，其材质均为Q235（图4）。

3.3.2 有限元分析

单个刚性支撑按承受500 kN竖向恒载、100 kN竖向活载计算。荷载作用于其上部节点。由于底部支撑考虑采用千斤顶，底部边界条件使用节点弹性支撑进行模拟。利用Midas建立其有限元模型（图5）。

图4 刚性支撑构造

图5 有限元分析结果

经分析，其在最不利荷载作用下竖向位移为8.24 mm，最大应力比为0.831，满足局部承载力和变形要求。

4 施工技术应用及操作要点

4.1 刚性支撑安装

1）刚性支撑上部安装。首先利用吊车将起步架抬升，待其靠土建混凝土支座一侧落座就位后，再用另一吊车将刚性支撑起吊至安装位置；然后用螺栓将刚性支撑的4个柱顶与网架下弦球连接固定（图6）；同时在刚性支撑架的4个柱脚对应位置铺设大小约0.4 m2、厚度约200 mm的砂石垫层，并对其进行找平。砂石垫层找平后，分别将4块600 mm×600 mm×20 mm的钢板放置在砂石垫层上。根据垫板与刚性支撑柱脚的距离，设置高度调节垫。

2）螺旋千斤顶安装。将千斤顶分别放置在悬空刚性支架的4个柱脚下方，调整千斤顶的高度，使其顶住柱脚（图7）。螺旋千斤顶顶升高度不宜超过50 mm，如顶升高度超出80 mm，宜更换合适的高度调节垫块。

图6 刚性支撑上部连接

图7 刚性支撑柱脚连接

4.2 起步架安装

1）起步架平面分片。将起步架进行平面分片，根据其坡度和网架自重，将起步架分为4个片区（图8）。

2）吊车的选用。起吊第1、2、3片区时选用2台70 t级的吊车；起吊第4片区时选用1台70 t级吊车起吊。起吊高度均为27 m。

3）片区起吊安装。先安装第1片区起步架，设置2个刚性支撑；再起吊第2片区起步架，同样设置2个刚性支撑。待第2片区起吊就位后，将第1、2起步架进行高空无缝对接；接下来安装第3片起步架，对其设置1个刚性支撑；最后起吊第4片区起步架，无需设置刚性支撑，起吊就位后与第2片区安装对接（图9、图10）。

图8 起步架平面分片

图10 吊装现场

4.3 网架结构安装

起步架安装完成后，可继续进行网架的吊装安装，在吊装过程中，刚性支撑架可循环利用。

4.4 误差控制

1）刚性支撑沉降观测。刚性支撑在承载过程中，受荷载变化或雨水浸泡，会出现不均匀沉降。刚性支撑初次承力时，应做高度标记，并将高度引至混凝土柱上。施工过程中要进行监测，承载初期每天进行1次，沉降稳定以后，监测频率可适当缩短，但下雨后必须进行观测。

2）刚性支撑沉降补偿。当沉降量大于10 mm时，需对刚性支撑进行沉降补偿，保证支撑高差在10 mm范围以内。由于起步架一边支撑在混凝土支座上，考虑另一侧刚性支撑处可能会有一定的沉降量，其标高可略高10～15 mm。调整千斤顶进行顶升高度补偿时，当沉降量较大，宜选择成对角的2个千斤顶同时顶升，一次顶升高度不宜超过2 mm，然后换位顶升另外2个千斤顶，其过程需交替进行，不能一次顶升到位。

3）刚性支撑卸载、拆移。当网架形成稳定的结构体系后，刚性支撑即可卸载、拆移。刚性支撑卸载时，需要2人分别从对角同步操作，然后换位进行另一对角操作。卸载过程需交替进行，不能一次下降到底且每次下降距离不能超过20 mm。支撑架完全卸载后，其将吊挂在网架上，需尽快拆移。