大跨度網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)的水上施工方法

何建民

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，大跨度網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用在國內(nèi)外工程中逐漸普及。不同于混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)具有強度高、重量輕的優(yōu)點，同時，由于鋼材具有良好的塑性和韌性，鋼結(jié)構(gòu)還具有優(yōu)越的抗震性能。而網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)除了具有鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點外，還具有剛度大、施工周期短和造價低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于體育場館、機場航站樓、工業(yè)儲料堆場等大跨度構(gòu)建筑物中。但網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)也存在節(jié)點多、跨度大、整體提升困難、拼裝精度要求高等施工難點，施工方案對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性有著重要影響。一般情況下，網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)可分為由兩向或三向平面桁架組成的交叉桁架體系和由三角錐體、四角錐體組成的空間桁架體系。本文以京杭運河支線碼頭上的某水泥公司熟料卸船網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)工程為例，介紹該工程的主要施工難點、水上安裝解決方案、工程實施過程等，供此類項目施工參考。

1 工程概況

本工程位于浙江省京杭運河支線碼頭，該碼頭承擔著水泥生產(chǎn)所需原材料的卸船任務(wù)。考慮到運輸原材料的船舶大型化的發(fā)展趨勢，需要建造跨度及高度均能滿足大型船舶使用要求的構(gòu)筑物，以實現(xiàn)碼頭熟料卸船區(qū)域全封閉，進而實現(xiàn)24h不間斷連續(xù)卸船，并達到綠色環(huán)保標準。

網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)工程場地地貌屬浙北杭嘉湖沖湖積、湖沼積平原地貌，陸地部分場地地勢平坦，局部略有起伏。場地表層土為10～15.5m厚的回填土及淤泥質(zhì)黏土，且持力層較深，地基條件較差，因此本工程采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。該地區(qū)為抗震設(shè)防6度區(qū)，基本風壓為0.35kN/m2，結(jié)構(gòu)承受水平荷載作用較小，可采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

本工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)長127.0m，寬57.4m，高29.0m，最大跨度達到48.5m。網(wǎng)架三維結(jié)構(gòu)示意見圖1。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋系統(tǒng)采用平板式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架形式為正方四角錐型，網(wǎng)架支承結(jié)構(gòu)采用混凝土獨立柱與網(wǎng)架墻相結(jié)合的方式。本工程屋面水平投影面積為9 811m2，檐口標高28.54m，屋脊標高31.05m，總用鋼量384.5t，網(wǎng)架覆蓋區(qū)域2/3的面積位于水面上方，現(xiàn)場場地實景見圖2。

圖1 網(wǎng)架三維結(jié)構(gòu)示意

圖2 現(xiàn)場場地實景

2 常規(guī)施工方法及本工程施工方案

2.1 常規(guī)施工方法

（1）高空散裝法。在結(jié)構(gòu)下方搭設(shè)腳手架，在支架上鋪設(shè)工作平臺，將散件運至平臺后，在相應(yīng)的設(shè)計位置進行拼裝。該方法施工工藝簡單，但所需使用的腳手架數(shù)量多，搭設(shè)和拆除耗時較長，且工人勞動強度大。

（2）分條分塊吊裝法。將整個結(jié)構(gòu)分條或者分塊，在地面分別組裝，再由起重機吊至設(shè)計位置，最后把各個分塊拼裝成整體。分條和分塊的網(wǎng)架單元，其自身應(yīng)具有足夠的剛度，否則需采取臨時加固措施。

（3）懸臂安裝法。適用于球殼類結(jié)構(gòu)，借助已安裝好的結(jié)構(gòu)部分作為后續(xù)結(jié)構(gòu)安裝的工作面，利用開口殼支承殼體自重，由外到內(nèi)逐圈拼裝。此種安裝方法所需使用的腳手架材料數(shù)量少，施工成本較低，但危險性較大。

（4）滑移法。將整個平面單元或分為條塊的單元，從事先設(shè)置的滑動軌道滑移至設(shè)計位置，然后拼裝成整體。由于其滑移的對象是結(jié)構(gòu)的支承單元或胎架，腳手架使用數(shù)量較少，節(jié)省了支架安裝時間，但需特別驗算支架的穩(wěn)定性。

此外，還有大多應(yīng)用于穹頂施工的攀達穹頂施工法、折疊展開式施工法和張拉弦鋼拱架施工法。

2.2 本工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工特點

（1）網(wǎng)架2/3的面積位于水面上方，使用汽車式起重機進行結(jié)構(gòu)吊裝。因起重機臂長有限，無法直接將桿件吊到指定位置上，分塊分條吊裝及高空散裝均難以實現(xiàn)。

（2）網(wǎng)架屋面結(jié)構(gòu)形式為平板結(jié)構(gòu)，最大跨度達48.5m。網(wǎng)架在未整體成形前，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在網(wǎng)架墻網(wǎng)架初始安裝處也處于不穩(wěn)定狀態(tài)，較大的跨度會造成分塊吊裝的網(wǎng)架單元自身剛度不足。

此外，由于施工期間，碼頭仍需正常作業(yè)，本工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工不能影響碼頭的生產(chǎn)經(jīng)營。

2.3 本工程安裝施工難點及解決方案

綜合上述情況，本工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工條件較差，常規(guī)單一的網(wǎng)架安裝方法不適用于本工程。經(jīng)多次專家論證及模擬施工，決定采取分塊吊裝和高空散裝相結(jié)合的方法進行網(wǎng)架施工。本工程的主要安裝施工難點及解決方案如下。

2.3.1 難點一及解決方案

（1）難點一

網(wǎng)架大部分位于水面上方，可用的陸地安裝面積十分有限，全局搭設(shè)腳手架較難實現(xiàn)，且起重機無法進入場區(qū)，浮船式起重機高度無法滿足吊裝要求。

（2）解決方案

結(jié)合現(xiàn)場情況，采取塔式起重機和汽車式起重機相結(jié)合的施工方式。在場地中央靠近水線位置處設(shè)立塔式起重機，以最大限度地利用塔式起重機進行水面區(qū)域的空中安裝作業(yè)，再利用汽車式起重機進行陸地部分的網(wǎng)架吊裝作業(yè)。對塔式起重機覆蓋范圍外的區(qū)域設(shè)置臨時支撐。

（3）施工注意事項

拼裝順序應(yīng)合理，為減少累計偏差，可以從中間向兩邊開展拼裝；控制標高與軸線的定位，拼裝中應(yīng)隨時測量和調(diào)整標高和軸線。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)總體拼裝完成后，縱、橫向總長度偏差、中心支座偏差等指標均應(yīng)符合驗收標準要求。

2.3.2 難點二及解決方案

（1）難點二

分塊吊裝的網(wǎng)架單元自身剛度不足，需采取臨時加固措施，保證拼裝過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（2）解決方案

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工區(qū)域布置平面示意見圖3。如圖3所示，該項目將施工區(qū)域劃分為8個區(qū)域，分別進行作業(yè)，以滿足生產(chǎn)及施工場地的需要。在1軸與F 軸相交處，同時沿軸線逐步安裝墻面，并拉鋼絲繩至屋面，以形成三角穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；按計算要求在薄弱位置架設(shè)格構(gòu)式臨時支撐，采用千斤頂進行調(diào)節(jié)，以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。網(wǎng)架從1軸向6軸安裝，臨時支撐支架設(shè)在4軸，待1～4軸網(wǎng)架安裝完成后，拆除部分臨時支撐支架，并移至4～6軸使用。

圖3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工區(qū)域布置平面示意

以上分區(qū)域安裝方案，既不會影響碼頭船塢的正常使用，又保證了網(wǎng)架施工的進度要求。

3 工程施工方案實施

3.1 施工工藝流程

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工工藝流程如圖4所示。

圖4 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工工藝流程

3.2 施工前的準備

施工前需平整場地，使其具備吊裝條件；網(wǎng)架按現(xiàn)場安裝順序分批加工和進場，要求各構(gòu)件的加工精度滿足要求且編號準確；復核桿件的規(guī)格尺寸、埋件及標高，復核網(wǎng)架支承基礎(chǔ)及獨立柱的定位及標高。將偏差控制在允許范圍內(nèi)方可進行下一步施工。

結(jié)合場地條件及網(wǎng)架空間位置選擇施工機具，通過計算選擇適用的汽車式起重機、塔式起重機等吊裝機械。

3.2.1 汽車式起重機

（1）確定吊裝重量

網(wǎng)架吊裝分起步跨網(wǎng)架吊裝及錐體型小拼裝單元體吊裝，起步跨網(wǎng)架為1 軸與F 軸小拼裝單元體，汽車式起重機吊裝重量G為2t。

（2）確定吊裝幅度和吊車臂長

吊裝幅度取6m，吊車臂長取32m。汽車式起重機吊裝示意如圖5所示。

圖5 汽車式起重機吊裝示意

（3）檢驗起重機型號

使用QY25K型汽車式起重機，查閱《起重機起重作業(yè)狀態(tài)主要技術(shù)參數(shù)表》可知，當?shù)跹b幅度為6m，臂長為32m 時，起重量Q1=6.5t，Q1>G，QY25K型汽車式起重機滿足要求。

3.2.2 塔式起重機

主要用于高空散裝和錐體型小拼裝單元體的吊裝。

（1）確定吊裝重量

根據(jù)施工圖，網(wǎng)架錐體型小拼裝單元體吊裝的最大重量為200kg。確定G=0.2t。

（2）確定工作幅度

根據(jù)吊裝要求，塔式起重機最大工作幅度為58m。塔式起重機吊裝示意如圖6所示。

圖6 塔式起重機吊裝示意

（3）檢驗起重機型號

使用QTZ80 型塔式起重機，查閱《起重機作業(yè)狀態(tài)主要技術(shù)性能參數(shù)表》可知，當最大吊裝幅度為60m 時，起重量Q1=1t，Q1>G，QTZ80 型塔式起重機滿足要求。

3.3 搭設(shè)臨時支撐體系

網(wǎng)架在整體成形之前穩(wěn)定性較差，需搭設(shè)臨時支撐體系。本項目2/3 的網(wǎng)架位于水面上方，如何搭設(shè)水上臨時支撐體系是施工難點。經(jīng)論證，決定利用轉(zhuǎn)換桁架支撐鋼支架，二者組合構(gòu)成臨時支撐體系。臨時支撐體系示意見圖7。

圖7 臨時支撐體系示意

轉(zhuǎn)換桁架及鋼支架均為角鋼格構(gòu)式構(gòu)件。鋼支架高27m，重達2t，在15m 高左右設(shè)置系桿和纜風繩，其主桿采用L90×6 角鋼，腹桿采用L50×5 角鋼；轉(zhuǎn)換桁架計算跨度為28m，平均分為10節(jié)，斷面尺寸為2 300mm×1 000mm，上弦主桿采用2L100×8角鋼，下弦主桿采用2L90×6角鋼，腹桿采用2L75×5角鋼，總重量約5t。桁架兩端支承于混凝土柱樁基承臺上，采用鋼板底座并用膨脹螺栓固定。

通過3D3S計算軟件計算確定轉(zhuǎn)換桁架及鋼支架的搭配。在軟件中輸入恒荷載和活荷載兩種工況，計算需采用的荷載組合為“1.30恒荷載+1.50活荷載”。運算結(jié)束后，查看各單元的計算結(jié)果，構(gòu)件單元的穩(wěn)定、應(yīng)力比、長細比均滿足規(guī)范要求。臨時支撐體系中各桿件的強度應(yīng)力比如圖8所示。

圖8 臨時支撐體系各桿件的強度應(yīng)力比

3.4 安裝網(wǎng)架與卸載臨時支撐

3.4.1 安裝網(wǎng)架

網(wǎng)架安裝的總體施工思路是按照劃分的區(qū)域，先安裝塔式起重機及臨時支撐，從轉(zhuǎn)角開始安裝墻面網(wǎng)架，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后，再進行屋面網(wǎng)架的分塊吊裝及空中散裝。具體實施時，應(yīng)以臨時支撐體系為支點，按照下弦、腹桿、上弦的順序，在分片區(qū)域內(nèi)從中間向兩邊逐步拼裝各構(gòu)件，將累計的施工誤差在邊緣釋放。完成屋面網(wǎng)架安裝后，自上而下進行剩余墻面網(wǎng)架安裝。

3.4.2 卸載臨時支撐

在安裝過程中，網(wǎng)架頂面網(wǎng)格分塊依靠臨時支撐作為臨時受力體系，因此，在完成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安裝后，必須卸載臨時支撐。

臨時支撐卸載是將網(wǎng)架頂面鋼結(jié)構(gòu)從支撐受力的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到自由受力狀態(tài)的過程，即在保證現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐體系整體受力安全的基礎(chǔ)上，網(wǎng)架主體結(jié)構(gòu)由施工安裝狀態(tài)順利過渡到設(shè)計狀態(tài)。卸載方案遵循“分區(qū)、分節(jié)、等量、均衡、緩慢”的原則，卸載過程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力與變形應(yīng)相互協(xié)調(diào)、均衡變化。

（1）卸載方法：不同區(qū)域的臨時支撐數(shù)量不盡相同：1 區(qū)有9 個臨時支撐，2 區(qū)有12 個臨時支撐，3區(qū)有12個臨時支撐，4區(qū)有8個臨時支撐，5區(qū)有9個臨時支撐，6區(qū)有6個臨時支撐。2區(qū)和5區(qū)是船塢所在位置，需先行卸載，卸載時由中間向兩邊同步進行，其他區(qū)域類似。

（2）卸載操作：主要是對支撐頂部的千斤頂進行泄壓。為防止卸載過程中構(gòu)件出現(xiàn)較大變形，應(yīng)分3 次進行卸載，千斤頂逐次下降5mm，每次時間間隔>30min，以確保桿件內(nèi)應(yīng)力調(diào)整和重新分布。待千斤頂完全泄壓后拆除臨時支撐，在臨時支撐卸載過程中，需注意監(jiān)測變形控制點的位移量，如出現(xiàn)較大偏差應(yīng)立即停止，修正后方可繼續(xù)。

（3）卸載變形觀測：卸載前觀測各觀測點的位置并記錄；卸載過程中采用全站儀適時觀測各觀測點的變形情況；卸載完成后采用全站儀進行一次全面的變形觀測；對比卸載前后各觀測點位置數(shù)據(jù)，計算各觀測點的變形量。

3.5 保證施工安全

工程施工前需對現(xiàn)場施工人員進行安全培訓，使施工人員具備良好的施工安全意識，防范違反安全操作規(guī)程的事件發(fā)生。施工管理人員應(yīng)主動承擔安全管理責任，精準管理與落實施工現(xiàn)場所涉及的安全管理問題，對施工現(xiàn)場所涉及的重點安全問題進行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理部署，從根本上確保網(wǎng)架施工安裝的安全。建立應(yīng)急領(lǐng)導小組、現(xiàn)場搶救小組，配備足夠的消防器材，做好人員落水、起重傷害、物體打擊和觸電等突發(fā)事件的應(yīng)急準備。在不同的施工階段，防火工作應(yīng)有側(cè)重點，應(yīng)特別注意焊接、切割等容易引起火災的隱患點。針對網(wǎng)架水上施工條件，應(yīng)建立水上救援預案，在港池邊配備一定數(shù)量的救生衣等救生器材。施工過程中，應(yīng)避免雨天作業(yè)，采取可靠的防滑措施。

3.6 進行施工觀測

施工過程中，需進行水平角觀測、沉降觀測和位置觀測。

（1）水平角觀測宜采用方向觀測法。當方向數(shù)不多于3個時，可不歸零；導線測量中，當導線點上只有2個方向時，應(yīng)按左、右角觀測；當導線點上多于2個方向時，應(yīng)按方向觀測法觀測。方向觀測法與全組合測角法的操作程序，應(yīng)按國家現(xiàn)行三角測量和精密導線測量規(guī)范執(zhí)行。測回數(shù)應(yīng)根據(jù)要求的測角精度和觀測條件確定。

（2）沉降觀測應(yīng)以全面反映建筑物地基變形特征為目標。由于本項目網(wǎng)架部分位于水面上方，水域邊線兩側(cè)的土質(zhì)差異較大，為保證結(jié)構(gòu)的整體性，每次觀測時應(yīng)記載施工進度，增加荷載量以及各種影響沉降變化的情況。

（3）位置觀測采用前方交會法或方向差交會法、導線測量法或近景攝影測量等方法。單個建筑物亦可采用直接測量位移分量的方向線法，在建筑物縱、橫軸線的相鄰延長線上設(shè)置固定方向線，定期測量基礎(chǔ)的縱向位移和橫向位移。

3.7 做好驗收工作

構(gòu)件全部安裝完成后，需對其開展驗收工作。主要內(nèi)容如下：

（1）檢查網(wǎng)架各桿件的長度，支座的中心偏移與高度偏差，確保每個構(gòu)件安裝正確，連接牢固。

（2）對撓度進行測量，由于網(wǎng)架跨度>24m，應(yīng)測量跨中及四分點的撓度，得到的撓度結(jié)果不應(yīng)超過現(xiàn)荷載條件下?lián)隙扔嬎阒档?.15倍。

（3）防腐蝕、防火等措施應(yīng)符合設(shè)計要求。

（4）網(wǎng)架安裝的總體驗收應(yīng)具備下列文件：網(wǎng)架施工圖、竣工圖、設(shè)計更改文件、施工組織設(shè)計文件、所用構(gòu)件的材料質(zhì)量證明書與試驗報告；網(wǎng)架安裝各道工序的驗收記錄、焊縫質(zhì)量和高強螺栓的質(zhì)量檢測資料、網(wǎng)架安裝就位后的幾何尺寸偏差與撓度記錄。

4 結(jié)語

本文以京杭運河支線碼頭上的某水泥公司熟料卸船網(wǎng)架工程為例，介紹了大跨度鋼網(wǎng)架水上施工技術(shù)要點。通過科學選擇施工方法、合理布局吊裝機具、設(shè)置臨時支撐體系，保證了網(wǎng)架工程水上安裝過程中的穩(wěn)定性和安全性，有效解決了陸地面積有限、網(wǎng)架安裝初始穩(wěn)定性不足等問題。對面積較大且場地情況復雜的水上鋼網(wǎng)架，應(yīng)根據(jù)實際條件合理劃分施工區(qū)域，實行分區(qū)安裝，這種施工方式具有質(zhì)量可靠、安裝誤差小、節(jié)點易控制等優(yōu)勢，能夠有效加快工程進度，縮短施工工期，提高施工效率，降低安全風險，取得良好的經(jīng)濟效益。