中冶（上海）钢结构科技有限公司 上海 200941
摘要：大跨度多腹板箱型钢桁架广泛用于现代建筑单体之间的连接，其位置特点和结构特点决定了施工复杂程度较高，容易形成安全和质量隐患。针对浦东青少年活动中心及群艺馆项目钢结构工程，场地条件复杂，综合考虑了结构形式、吊装机械起重能力、运输条件、吊装分段点位置等因素影响，将桁架上弦和下弦加工制作成片状吊装单元，斜腹杆作为现场散拼单元，便于运输。采取“临时胎架支承、分段高空散装”的施工方法，通过工厂整体预拼装和支撑胎架平台，保证现场安装精度。通过制定合理的厚板现场焊接工艺措施，确保焊后桁架的安装精度。临时支撑胎架顶部设置转换梁和千斤顶，采用整体逐级卸载工艺，保证了工程质量及安全，对类似项目有一定参考意义。
关键词：吊装；独立基础；安装精度；厚板焊接；卸载
1 工程概述
浦东青少年活动中心及群艺馆项目钢结构工程，包含大跨度多腹板箱型钢结构桁架桥。桁架桥桥面位于二层楼面，楼面标高4.800m（钢桥桁架下部最低处标高3.680m），桥宽30m，桥跨为42.25m，此钢桥主要包含两榀主桁架及三榀垂直次桁架，桁架高度4.92m，两榀主桁架相距15m，河道宽约20.6m；桁架桥重990吨。
本工程主要采用钢材型号为Q345B、Q345GJB；钢结构中厚板较多，其中最大板厚为50mm。钢桁架桥上下弦为“目”字型截面；现场紧邻河道、地基软弱，钢桥跨内下部为地铁规划线，不允许残留桩或其他类型基础，具有较大的施工难度。
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图1-1 整体建筑效果图
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图1-2南桁架桥主、次桁架模型简图
2 施工工艺
根据大跨度多腹板箱型钢桁架的特点，首先通过有限元软件进行施工全过程的计算分析，综合考虑受力情况、运输条件、吊重能力，确定合适的分段制作与吊装单元；同时在现场安装大跨度多腹板箱型钢桁架支撑操作平台及下方独立基础；在准备就绪后，将大跨度多腹板箱型钢桁架分段分片吊至指定标高，并及时安装次桁架，形成较为稳定的框架体系，并在操作平台上进行桁架卸载操作。安装过程中，测量人员进行全过程数据监控位移与变形。
2.1钢桁架吊装单元的划分
综合考虑结构形式、吊装机械起重能力、运输条件、吊装分段点位置等因素影响，
将桁架上弦和下弦单元加工制作成片状单元，斜腹杆作为现场散拼单元；通过分段宽度控制在3m，长度控制在21m，重量控制在60t以内的原则，这样有利于运输载重搭配。
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图2-1 钢桁架分段三维示意图
2.2地基基础处理方案及临时支撑胎架设计
南连桥支撑架设置于主桁架的下弦节点附近，同时为保证支架下地基承载力满足要求，支撑架下设钢筋混凝土基础，独立基础根据结构上部施工荷载进行设计计算复核。
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图2-2钢筋混凝土独立基础施工图
临时支撑设计需要注意以下事项：
1）临时支撑及基础应有足够刚度和强度，能够保证吊装过程中安全性；
2）临时支撑顶部托板高度应满足大跨度桁架卸载需要；
3）临时支撑与桁架结构不得焊接，以确保桁架对接口焊接作业过程中应力向外延展。
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图2-3支撑胎架示意图
4）多腹板钢桁架自重大，在安装期间不可避免发生变形、支撑架也会出现沉降的情况，除采取独立基础加固夯实支撑胎架支柱下方、对大跨度钢桁架预起拱外，还应有一套可对重型钢桁架标高调整的设备装置，用其对一定范围内的标高变化调整。设计如图2-4所示支撑操作平台，操作平台上设置支墩、箱型转换梁和千斤顶，形成顶部支撑体系。利用千斤顶顶起转换梁，通过加塞或减少钢垫片，达到调整标高的目的。此外，在该转换梁上设置限位板，当钢桁架吊装时，遇切角可顺方向向下滑至设计定位点，达到了快速精确定位的目的。
2.3吊车站位基础处理方案
汽车吊紧邻河边站位，为保证施工安全，在汽车吊站位点临河侧打设4#6m长拉森钢板桩进行加固，然后在汽车吊支腿位置下设置路基箱。拉森钢板桩距离河边尺寸500mm，每段打设宽度为6m。
打设钢板桩平面和立面视图见图2-4与2-5。
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图2-4 汽车吊吊装河中南侧主桁架平面视图
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图2-5汽车吊吊装河中南侧主桁架施工河道剖面示意图
施工时，在每个支腿下设置1块2m*4m的路基箱（路基箱厚100mm）；
施工注意事项：
（1）铺设路基箱，利用汽车吊自身重量打脚支腿对路基箱施加压力；
（2）待沉降基本稳定后，再进行吊装作业。
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图2-6汽车吊吊装河中南侧段主桁架一景
2.4多腹板箱型钢桁架安装精度控制及实施方案
1、通过工厂整体预拼装确保现场安装精度
在构件出厂前，对钢桁架进行工厂整体预拼装，保证现场安装精度。因多腹板钢桁架成型后高度方向较宽度方向尺寸更大，地面拼装时采用桁架侧放倒拼装技术，较传统的桁架正放拼装降低了高空作业，更加安全，同时便于桁架拼装就位及起拱值控制。
2、吊装就位控制方案
本工程大跨度多腹板箱型钢桁架上下弦及腹杆均为焊接连接，通过钢桁架单榀分片分段吊装，采取先两端后中间的吊装方式，端部采用球铰支座安装，较由一端向另一端吊装减少了累积变形；结合支撑胎架快速定位平台，解决了安装时对接口精度及焊缝间隙控制难度较大的问题。
（1）边段桁架的吊装：
a）构件的合理分段保证桁架每个构件的重量均在汽车吊的起重范围以内；
b）采用有限元软件，建立大跨度多腹板箱型钢桁架的计算模型，然后对整个分段吊装过程进行模拟计算。通过分析不同工况，确定钢桁架在安装过程中稳定、挠度、应力比满足规范要求，边跨两段安装就位后，最大位移值为：
7.14mm<13500/400=33.75mm，满足设计要求。
c）边跨单榀吊装结束后，采用H型钢梁斜撑做为刚性支撑，确保桁架的稳定与安全。
（2）中间段桁架的吊装：
a）通过计算南桥跨中主桁架单片安装就位时最大变形为10.58mm，下弦杆跨度约12.5m，
10.58mm<13500/400=33.75mm，满足设计要求。
b）在南桥中间段下段和中间段上段安装过程中，除了在中间段顶面设置H型档板，同时在中间段两侧面设置“一”字型连接板。
在中间段上段安装过程中，保证中间段上段腹杆和中间段下段腹杆之间预留5-8mm空隙，以避免在中间段形成整体前中间段上段的荷载压在中间段下段上。
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图2-7边段与中间段连接工装示意图
2.5厚板焊接施工
1、焊接工艺评定及焊前准备：
a）焊接前做好焊接工艺评定，确定焊接工艺参数；搭设操作平台和焊接防风棚；并做好焊前检查记录。
b）在焊接前，将坡口表面、坡口边缘内外侧30~50mm范围内的油污、氧化皮、焊渣、铁锈等杂物清除干净，露出金属光泽。
c）施焊前，应复查拼装质量，定位焊质量和焊接部位的清理情况，如不符合要求，应修正合格后方可施焊。
d）衬板应按规定的规格制作加工，保证其尺寸，坡口要符合标准。
2、焊接顺序：
a）边段桁架焊接工艺顺序：按照从中间向两端、从下至上的原则焊接，整体遵循对称焊接原则，同一节点应先焊直腹杆，然后焊接斜腹杆。
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图2-8边段焊接顺序示意图
注意此处4-2、5-2、6-2的焊接需要分别在4-1、5-1、6-1焊接完成后实施。
说明：
①腹杆对称焊缝由2名焊工同时对称分段退焊。
②每条焊缝多层多道焊。
③腹杆对接四个角须绕焊，长度不小于50mm。
④焊接时进行多层多道焊，接头错开50mm以上，并连续施焊。
⑤每一层焊道焊完后及时清理检查，清除缺陷后再焊。
⑥斜腹杆两端接头不能同时施焊。
⑦焊接完毕后，立即进行后热处理，用岩棉被等保温材料覆盖保温冷至环境温度。
b）中间段桁架焊接工艺顺序：按照从中间向两端、从下至上的原则焊接，整体遵循对称焊接原则，同一节点应先焊直腹杆，然后焊接斜腹杆。
c）对接口位置焊接步骤：
①腹板螺栓定位后，上下翼缘板定位焊接100mm，取掉腹板连接螺栓，先焊接腹板，再焊接焊H型截面下翼缘，最后焊上翼缘；若两名焊工焊接，则两名焊工同时对称施焊。
②安装中间侧腹板，四边坡口加衬板焊。先焊接竖向焊缝，再焊接横向焊缝；若两名焊工焊接，则两名焊工同时对称施焊。
③安装最外侧腹板，四边坡口加衬板焊。先焊接竖向焊缝，再焊接横向焊缝；若两名焊工焊接，则两名焊工同时对称施焊。
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图2-9对接口焊接步骤示意图
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图2-10对接口焊接步骤示意图
2.6桁架卸载施工
（1）钢桁架自重大，在安装期间不可避免发生变形、支撑架也会出现沉降的情况，除采取独立基础加固夯实支撑胎架支柱下方、对大跨度钢桁架预起拱外，还应有一套可对重型钢桁架标高调整的设备装置，用其对一定范围内的标高变化调整。操作平台上设置支墩、箱型支托梁和千斤顶，形成顶部支撑体系。利用千斤顶顶起转换梁，通过加塞或减少钢垫片，达到调整标高的目的。
（2）在两榀主桁架及三榀垂直次桁架安装焊接完毕后，即可进行胎架分级卸载。卸载遵循“整体卸载，逐级操作”的卸载原则，每一级整体卸载5mm，待结构稳定，监测数据无误后，进行下一级整体卸载操作。卸载步骤如下：
a）在大跨度钢桁架安装前，操作平台上设置“U”形槽口支架、支托梁和千斤顶，形成顶部支撑体系，确保桁架下弦杆与支托梁接触面顶紧。
b）根据卸载步骤，统一号令，同时控制千斤顶向上缓慢顶升1~2mm，使钢结构卸载点脱离垫板，这个区域的受力完全由千斤顶支撑。
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图2-11 千斤顶顶升示意图
c）待受力由支墩完全转移到千斤顶后，将两边的支墩上的第一块5mm后垫板抽出。
d）根据卸载步骤，统一号令，同时控制千斤顶缓慢下降至垫板顶，并由放置垫板的两根支墩受力，从而消除卸载过程中千斤顶所受的水平力。
e）操作千斤顶，按照卸载步骤，重复步骤（b）~（d）直至卸载完成。
（3）卸载监测
a）为了保证钢结构与支撑塔架的安全，以及卸载工作的顺利进行，成立结构健康安全监测工作组、支撑塔架应力及变形监测工作组，分别对钢结构应力应变状况、支撑架变形情况进行监测。
b）卸载过程中，每完成一小步卸载后，通知监测机构进行相关的监测工作。监测完毕，监测机构及时将数据传递给信息处理中心，如属于操作正常信息，及时反馈到指挥中心，由总指挥下达下一步操作指令；如属操作不正常或紧急情况，由信息技术处理小组汇报领导小组研究处理措施，由领导小组下达暂停或其它处理措施指令。
（4）卸载注意事项
支撑架卸载过程既是拆除临时支撑架的过程，也是结构产生变形和结构内力转换的过程。在此过程中，支撑架和结构体系中的受力十分复杂。为防止发生意外，确保卸载的顺利进行，卸载过程中应注意以下事项：
a）卸载前除应对结构进行预验收外，还要仔细检查各支撑点的连接情况，让结构处于自由状态，不要有附加约束，特别要避免支撑架与结构本体之间的固接。
b）卸载前，应对结构上的杂物进行清理或固定，卸载过程中，结构上下不得进行其它作业。
c）风、雨天气致使检测和操作困难时，应停止卸载，且卸载宜选择在白天进行。
d）卸载过程中，应统一行动，服从指挥，做到信息反馈及时。
e）采用千斤顶卸载的点，考虑到千斤顶同步工作的需要和在卸载同步操作过程种可能存在的差异，千斤顶应选择为同型号产品，确保千斤顶可以提供同样的顶升力。在布置上，保留原安装状态的支撑点，并随卸载过程逐步降低，作为卸载过程中的安全保护。
3.施工仿真分析
为确保钢桁架桥安装过程中结构自身安全性，通过对安装过程进行施工过程模拟分析来科学指导现场安装。
3.1 计算模型
计算机控制提升施工技术目前在钢结构施工中得了快速的发展，辅以计算机模拟分析可以使整个提升施工过程安全可控，本工程分析时的计算条件如下：
荷载，考虑杆件自重、风荷载。
3.2 计算结果
下图为安装阶段的应力比图和变形图。由位移图可知，最大位移值为17.28mm。
17.28mm<48750/400=121.88mm，满足《钢结构设计标准》GB50017-2017要求。由应力图可知，构件的最大应力47.80MPa＜290MPa，满足《钢结构设计标准》GB50017-2017要求。
4.结语
本文主要对浦东青少年活动中心及群艺馆项目钢桁架桥施工过程进行了介绍，着重介绍了桁架结构吊装单元的划分、基础的处理方案及临时胎架设计、吊车站位基础处理、安装精度控制、厚板焊接工艺及卸载施工技术。同时通过有限元分析，保证了工程施工的顺利进行，钢结构施工质量满足设计、规范的要求。结果表明，本工程的施工技术参数可靠，取得了良好的经济和社会效益，为今后类似工程提供了参考。
参考文献：
[1]北京钢铁设计研究院，GB50017—2017钢结构设计标准，北京：中国计划出版社，2017。
[2]中冶建筑研究总院有限公司，GB 50661-2011钢结构焊接规范，北京：中国建筑工业出版社。
[3]中冶建筑研究总院有限公司，GB 50205-2020钢结构工程施工质量验收标准，北京：中国计划出版社，2020。
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