大跨度球杆网架钢结构屋盖整体顶升施工技术

大跨度球杆网架钢结构屋盖整体顶升施工技术

陈会品

中铁建工集团有限公司西北分公司  陕西西安710000

【摘要】

在包银铁路惠银站房工程石嘴山南站，钢结构屋盖共140吨，根据工程特点、难点，充分利用现场条件及满足车站使用要求，采用大跨度球杆网架钢结构屋盖整体顶升施工技术，施工采用地面拼装成型，多点整体顶升技术，完成钢结构屋盖施工，整体达到设计及规范要求。

【关键词】钢结构；大跨度；整体顶升。

1   前言

随着建筑行业进入21世纪，国内建筑类型不断发展，新建了大量的钢结构建筑，钢结构的建筑形式也日益新颖，构造越来与复杂，结构跨度越来越大，随之而来的是大跨度球杆网架安装方式成为一大难题，为了避免传统的安装方式，容易造成应力分布不均、结构弯曲变形等危害，以及工期长，场地要求高等问题，因此随着计算机技术的发展与应用，发展出智能化的计算机控制多点整体同步顶升技术，相比于传统安装工艺，无论是在经济型、适用性、安全性方面都有巨大优势。

2   技术特点

2.1 杆件与网架球采用地面拼装，有效减少大型吊装机械使用，缩短拼装周期，易于控制拼装精度。

2.2 多点液压同步整体顶升，利用计算机进行控制，减小顶升过程结构受力不均匀，构件变形，安装精度易于控制。

2.3 减少高空焊接量，有效降低了高空作业的安全风险。

2.4 通过顶升设备的统一操作，顶升重量、跨度、面积、高度可不受限制。

2.5 液压顶进设备体积小、自重轻、承载能力大，特别适用于在空间受限制钢结构安装。

3   适用范围

本技术适用于施工场地狭小、工期短、高空焊接量大的大跨度、超大跨度的公共建筑与民用建筑钢结构施工。具有科学合理、构造简单、造价合理、易于施工等优点。

4   工艺原理

4.1 球形网架在施工现场拼装成顶升单元，为确保网架拼装质量，必须整体放样、下料、制作胎架

4.2 通过受力计算选择合适的受力顶升点，使用顶升支架与顶升油缸连接，利用主控计算机控制所有顶升油缸统一动作，将构件顶升至设计位置，在顶升系统中，每个顶升设备下面均布置一台距离传感器，在顶升过程中这些距离传感器可以随时测量当前的构件上升高度，并通过现场实时网络传送给主控计算机，保证各个顶升的位移同步。确保安装精度。

5   工艺流程及操作要点

5.1 大跨度球杆网架钢结构屋盖整体顶升施工流程

拼装地面平整硬化→测量定位→胎架搭设→球形网架地面拼装→顶升设备安装→整体顶升→卸载→设备拆除

5.2 操作要点

5.2.1 拼装地面硬化

本工程采用整体顶升故网架屋盖定位通过建模后将各定位点投射至地面定位后将候车大厅整体地面作为网架地面拼装场地，地面提前采取平整并硬化处理，以顶升设备中心点为中心划定4平方米范围进行顶升支座基层，通过动力触探实验确保地基承载力达到≧150kn/㎡，浇筑2m×2m×0.3m混凝土块作为顶升设备支座，待混凝土支座达到设计要求强度后安装顶升设备底座并采取四周固定膨胀螺栓形式确保顶升设备支座定位牢固。

5.2.2 测量放线

在拼装场地四周框架柱中心均弹出轴线，形成一个闭合控制网。并在网架中心线一侧设置永久坐标原定（0；0；0），利用电脑三维放样计算各杆件的空间坐标（X；Y；Z），使用全站仪进行实测投点，通过与电脑模型的理论数据核对进行控制。

5.2.3 胎架搭设

网架地面搭设过程中需离地拼接焊接，故需若干胎架支撑，由于胎架在网架拼装过程中需不断上升，现场使用前期混凝土浇筑预料预制混凝土块及废弃钢板组合拼装为胎架，按照图纸尺寸和轴线在地面测放下弦球平面控制网，交点为球心的投影点，在交点位置设置胎架，保证球中心高度与设计标高相对一致。胎架使用混凝土预制块及钢板填充制作，现场需支撑球底部先使用C30混凝土预制块衬垫，后续根据网架球标高使用不同厚度钢板调整标高。

5.2.4 球形网架地面拼装

（1）利用汽车吊在已搭设完成的胎架上进行网架拼装，按照下弦钢球→下弦杆→上弦钢球→斜腹杆→上弦杆的顺序进行施工。

（2）构件进场后，应根据深化图纸对构件外形尺寸进行验收，误差控制在允许范围内。

（3）所有杆件预拼装完成后，利用全站仪对其进行空间位置测量，满足图纸要求后，再进行焊缝满焊，全部完成，按规范进行焊缝检测。

5.2.5 顶升设备安装

本次顶升设备共为10套液压千斤顶，每套起重能力为80吨，千斤顶底座为22a工字钢与钢板焊接制作，十字交叉焊接22a工字钢与10钢板中加筋箱板式焊接，尺寸1500x1500x100。千斤顶底座法兰盘与底座法兰盘通过8-M20高强螺栓连接，底座与地面用8-M16胀栓固定。顶升支架标准节采用螺栓球网架原理制作，通过特定的连接件连接，每顶升1米，加一次标准节，直到就位标高。下面为顶升设备部分参数：

液压千斤顶参数：

设备类型：液压油缸千斤顶；

设备尺寸: 150mm（内径）/194mm（外径）/1200mm（高度）；

起重能力:80吨；       最大顶升距离: 1100mm；

额定工作压力：63 Mpa

加压设备：6000w柱塞泵

标准节参数

结构类型：螺栓球节点平行桁架，钢件Q235B，螺栓球45#钢锻件

上椎：杆件Φ140*6，高强螺栓M33

立杆：Φ140*4，高强螺栓M30  横杆：Φ60*3.5， 高强螺栓M20

斜撑：Φ48*3.5， 高强螺栓M20，螺栓球：Φ130

标准节高度：1000mm。按照21米高度计算80吨荷载计算时最大位移3mm。

本楼栋进场共12套顶升设备（2套备用）

 顶升设备示意图

顶升设备图片

5.2.6 整体顶升

（1）同步顶升设置

要保证每一组顶升设备同步：每台供油泵及同步马达控制同一规格型号千斤顶工作；液压同步马达作为流量平衡装置，同步操作多个油缸达到多个千斤顶顶升同步以下是一个经典的四路油缸液压原理图：

其中：溢流阀 1 的目的是防止在液压缸出口， 由于压力放大现象而产生过高压力，从而保证即使回路中有一只液压缸已经提前完成整个行程， 其他的液压缸仍然可以正常完成其工作行程； 阀 2 和阀 3 的作用是保证分流器的每腔室都能维持一个大约 4bar 的最小压力； 阀 3 在开启压力上有 1bar 的压差是因为阀 2 的开启压力为 1bar；保证系统最小压力是非常重要的，以上图为例， 当其中一只液压缸已经完成其余全部工作行程时， 分流器仍在为其他速度较慢的液压缸继续运行，这时，系统的最小压力就保证了管路畅通、速度快的液压缸不会发生吸空现象。 阀 4 具备一个经常被分流器液压回路所忽略的重要作用： 当高压油从泵流入液压缸时， 分流器的任务是收集液压缸的回油并保证流量的一致性。 这时阀 4 的作用就是防止分流器按照最快液压缸的速度来运行而导致其他液压缸没能及时跟上。 保证所有组的顶升同步：统一指挥同时启动或关闭设备控制按钮来达到同步。 可行性分析如下：本工程所用的各组顶升系统千斤顶油缸每伸张一个行程 1.0 米需要 20 分钟时间，每秒钟的行程为 1000 毫米/1200 秒=0.0.833 毫米， 每一个操作工的口令反应时间不超过 1 秒，所以最大同步误差不到 1 毫米，可以满足本工程顶升需要。

（2）试顶升阶段

解除钢架与地面的所有连接；

认真检查分部顶升系统的工作情况（液压千斤顶、顶升支架、同步顶升系统、检测系统等）；

运用前述的控制策略，采用顺控方式完成第一步顶升；顶升结束后，认真检查设备以及钢架情况；确认一切正常后，再完成第二、第三步顶升，此即试顶升阶段，每次顶升高度为500mm。

试顶升结束，经指挥部确认后，顶升至预定高度。

试顶升后，提供各点受力、结构总重量、各点顶升高度等数据。

空中停滞2小时以上，检查整个顶升系统的情况。

（4）顶升过程中位移监测

顶升过程中每顶升100mm为一个行程，每顶升1000mm则需增加一节标准节，随后收回液压千斤顶重新进行顶升，故过程中顶升支架垂直度、顶升高度（保持一致），网架定位等均需要专人进行观测，现场安排专人使用全站仪上下扫视顶升架顶部提前划定监测点与顶升架底部杆件边缘垂直度；并使用全站仪五棱镜测量测定顶升架顶部测定点上下位移与千斤顶液压杆上下位移核对确定网架各顶升点上升位移同步。

（5）整体顶升顺序

本网架顶升分两个阶段进行：

第一阶段为第一步：起步网架部分按照图纸就地拼装、焊接， 完成后将该起步网架部分整体顶升，设置 6个顶升点（图中黑色圆点）。

第二阶段为第二步~第三步：顶升过程中逐步向两侧延伸网架，网架安装时用水平仪控制每个网架球的理论高差，保证网架的外形尺寸。随着网架的不断扩展，增加4个顶升点，网架继续顶升至设计标高后（超出50cm）停止顶升并锁死设备， 在完成的网架上吊挂安装框，施工人员在框内将网架支座及顶升过程中不能安装的杆件、 焊接球利用吊车配合与顶升网架进行拼装、 焊接， 该工作称为封边。封边工作完成将液压顶升系统慢慢回油使网架支座球落在支座板上，调整、焊接支座球。

第一步：起步网架6~9轴/A~F轴在地面拼装，6个顶升点。

第二步：随着顶升高度升高，在地面安装网架9~10轴/A~F轴和5~6轴/A~F网架；继续顶升直至将4~5轴/A~F轴和10~11轴/A~F在地面拼装完成，在10轴及5轴外侧设置4个顶升点。

第三步：将拼装完成的网架利用10套顶升设备顶升至就位标高，空中拼装四周封边网架。

（6）顶升过程中安全措施

1）顶升前将顶升架与拼装的网架用钢丝绳通过倒链拉结，顶升设备顶部设置有十字交叉的钢板（同网架支座）与球镶嵌接触连接，并通过钢丝绳揽住。为保证顶升过程中顶升架稳定用D16钢丝绳通过倒链在4个方向与网架下弦球第一道拉结。

2）当顶升架高度超过 10 米时设置第一道缆风绳。每增加10米，加第一道缆风绳。D16缆风绳由4个方向对称设置与拼装完成的网架有效拉结。

3）当顶升至设计高度时，加缆风绳。D16缆风绳由4个方向对称设置，与原有混凝土结构有效拉结。

（7）顶升就位

1）将成品支座放置于就位点，再次复测各项数据。

2）一切就绪后调整每台液压千斤顶支架高度，使其慢慢回落到就位高度，支座和钢架均匀受力后停止支架回落，复查就位高度和偏差，符合设计要求后将钢架就位节点与支座焊接。焊接完成后最后卸载。

3）安全及质量控制重点

①在支座没有完全受力的情况下，液压顶升不应卸压，以确保安全就位后安全卸载。

②由于顶升是一个技术难度高，有一定风险的工序，顶升前必须对千斤顶全数检查，要求安检率100％。

③统一指挥，协调配合，保证施工能同步进行整体稳压安全上升与下降。

④卸载速度控制在≤3mm/min,保持整体下降稳定性

6   材料与设备

6.1 主要材料

6.1.1 钢材：

钢结构构件采用Q345B，全部钢材应按照《碳素结构钢》GB/T700-2006及《低合金高强度结构钢》GB/T1591-2008，《建筑结构用钢板》GB/19879-2005规定，保证抗拉强度、屈服强度、伸长率、冷弯试验和碳、硫、磷含量的限值，钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0.85，应有明显屈服台阶，且伸长率不应小于20%，钢材应有良好的焊接性和合格的冲击韧性。

6.1.2焊接材料：

（1）手工电弧焊用的焊条，应符合现行国家标准《碳钢焊条》（GB/T5117）的规定，Q235级钢选择的焊条型号为E43xx系列，Q345级钢选择的焊条型号为E50xx系列，对不同强度钢连接时，采用与低强度钢材适应的焊接材料。

（2）自动焊接或半自动焊接用焊丝HOBMA和焊剂F4Axx型，与主体金属强度相适应，且其熔敷金属的抗拉强度不应小于相应手工焊条的抗拉强度，焊丝应符合现行国家标准《熔化焊用钢丝》（GB/T14957)、《气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝》。焊剂应符合《埋弧焊用碳钢焊丝焊剂》（GB/T5293)及《低合金钢埋弧焊用焊剂》（GB/T12470),（GB/T8110)及《碳钢药芯焊丝》（GB/T17493)的规定。

6.2 施工机具

液压油缸、液压泵源系统、计算机同步控制系统。

7   质量控制

7.1 规范标准

《钢结构工程施工质量验收标准》GB50205-2020

《钢结构焊接规范》GB50661-2011

《重型结构和设备整体提升技术规范》（GB51162-2016）

7.2 焊接质量控制

7.2.1 开始顶升作业前，应对所有焊缝按照规范要求进行检测验收，并全部合格。

7.2.2 焊缝表面严禁有裂纹、夹渣、焊瘤、焊穿、弧坑、气孔等缺陷；对焊道尺寸，焊脚尺寸，焊喉进行检查；

7.2.3 在完成焊接24小时之后，对焊缝进行探伤检验，其检验方法需按照JGJ81-2002《建筑钢结构焊接规程》和GB11345《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》规定进行：

7.3 顶升过程中关键点描述及控制措施

1）为减少风荷载对顶升过程的影响，在顶升前必须对顶升上空的障碍物进行清理。

2）顶升设备的布置及缆风绳必须进行拉紧；在安装前必须先对设备及顶升支架进行检修；在顶升过程中设置11个监测员对每个千斤顶的实时工况进行监测，支架和钢架的位置是相对固定的。

3）为了保证钢架能尽快回落就位，必须把钢架下部的支座提前就位，待钢架顶升到位后马上安排人员进行安装，把时间控制在2天之内；顶升到预定高度。

4）由于本工程的特殊性，必须做好天气的预报工作，做好应变措施。

5）在顶升的前一天，业主、监理、施工单位共同对准备工作进行验收，发现问题及时改进，确保顶升工作的万无一失；

7.4 顶升过程中的注意事项：

（1）在顶升期间除操作人员外，其他人一律不可进入作业区；

（2）顶升过程由现场副总指挥一名，统一进行协调；

（3）在顶升开始时必须控制速度，派专人对钢架支座进行观察，待支座确实离开地面30cm后才算开始正常顶升；

（4）待钢架支座离开地面20cm时，应悬停30分钟，对钢架进行检查，检查内容包括：下部的顶升支架是否正常，有无严重的偏斜、钢架杆件有无弯曲现象、钢架支座离开地面是否基本等高等；

（5）在试顶阶段，必须对千斤顶的油泵压力进行记录，根据此数据计算出每个支撑点的支座反力，并把此数据与钢架的设计支座反力进行对比；如果两者的数值基本相符，则证明钢架验算无误；如果中间的油泵压力基本稳定，4个角点支撑反力交替增大，说明千斤顶发挥了自我调节作用，即受力小的顶升的快，受力大的顶升的慢；记录的数据填入下表：

（6）在顶升过程中，开始阶段，每顶升500mm应对钢架进行检测，如果钢架各个顶点标高差距不大（在25mm内），检测距离可放宽至1000mm，即在每次更换支架标准节前进行，如此可以保证在整个顶升过程中钢架基本水平，各个顶点的高差不大于50mm；检测后的数据应填入下表：

8   安全措施

8.1 在一切准备工作做完之后，且经过系统的、 全面的检查无误后，现场吊装总指挥检查并发令后，才能进行正式进行顶升作业。

8.2 在钢网架整体液压同步顶升过程中， 注意观测设备系统的压力、荷载变化情况等， 并认真做好记录工作。

8.3 在液压顶升过程中，测量人员应通过测量仪器配合测量各监测点位移的准确数值。

8.4 现场无线对讲机在使用前，必须向工程指挥部申报，明确回复后方可作用。通讯工具专人保管，确保信号畅通。

8.5 顶升到位后顶升支架底部支撑及网架屋面采取抗风加固措施：

8.5.1 网架顶升到预定高度后将首先将千斤顶锁死并在顶升支架底部用支撑钢柱及钢板支撑垫实，防止千斤顶下滑降低高度。

8.5.2 将网架下弦用ф16钢丝缆绳双向45°拉索到地锚上。防止网架屋面偏移或大风造成的危险。

8.5.3 在拉索缆绳时注意屋面结构稳定及偏移状况，将缆绳按步骤对称调节到位，把绳卡紧固，绳卡拧紧时要把缆绳紧到有一定的卡槽深度为止。

8.5.4 加固工作完成后再逐个检查每个环节部位加固是否还有问题，如有问题及时处理确保万无一失。

8.6 顶升预警方案

提前制定应急预案措施，为确保顶升万无一失。按总控制计划，顶升安装应提前收听一周天气预报，遇雨、大风和大雾天气停止施工。对顶升的系统认真检查，并预演两次，保证操作系统正常工作。为防止液压千斤顶出现故障，除加强检查措施外，另配备两台同等型号的千斤顶以便及时更换。

9   环保节能措施

9.1 施工现场及时完成“三通一平”，设置工点标牌，标明工程项目概况、施工、技术负责人。及早修建排水设施，现场的施工用电安装规范、安全、可靠。

9.2 施工现场设置醒目的安全警示标志、安全标语，作业场要有安全操作规章制度，建设安全文明标准化工地。

9.3 按照施工组织设计的平面布置图，认真搞好施工现场规划，做到布局合理，井然有序，施工现场的临时用电和排水设施符合规定，创造良好的施工环境，建设文明工地。

9.4 生产区规划布局合理，符合消防、环保和卫生要求。做到场地平整、排水畅通。各种设施安装符合安全规定，并定期进行检查。

9.5 施工场地内各种器材要分类堆放整齐，挂设标牌，标明材料规格、产地等。

9.6 工程完工后，及时清理好场地，周转材料及时返库。做到工完料净、场地清洁。

10   效益分析

与整体吊装方案对比，由于该项目场地及整体条件总和考虑整体吊装所需特种吊装设备，租赁费按照30000/台·天预估，一般该类型钢网架吊装所需时间约为10天计算所需费用高达三百万左右，采用球形网架整体顶升施工技术节约吊装设备租赁费用二百八十余万元，具有良好的经济效益。同时施工采用地面拼装成型，多点整体顶升技术，减小了钢构件安装偏差以及网架整体变形量，钢结构安装精度大幅提高，取得良好的社会效益。

11  结语

采用本技术施工不需要大型吊装机械，对主体混凝土结构施工影响较小，不需搭设满堂脚手架操作平台，节约了大量的搭拆及租赁脚手架的费用；大大加快了工程施工进度，缩短工程工期，工程质量容易保证，施工安全性好，具有广泛推广价值。