大跨度重型悬臂桁架胎架法施工工法.docx
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大跨度重型悬臂桁架胎架法施工工法
大跨度重型悬臂桁架胎架法施工工法
1、前言
当前建筑业发展迅猛，大跨度及空间钢结构领域也得到了蓬勃的发展。
国内基础设施建设,尤其是大型场馆和文化艺术类建筑建设的需要为我国大跨度及空间钢结构的发展提供了机遇。
从建筑造型看，为了迎合现代社会的审美要求，钢结构建筑的造型日趋多变。
从结构形式看，大跨钢结构从比较单一的网架、网壳逐渐发展至各式组合杂交体系，结构体系呈现出变化多端、不断创新的格局，在有限元技术不断进步的今天，钢结构建筑的性能可以比较准确地进行分析控制，建筑师天马行空般的概念设计能得以彻底的实现。
与此同时，大跨度及空间钢结构的施工技术也得到跨越式发展，先进、创新的施工方法层出不穷，不少技术方案及措施思路巧妙，令人赞叹。
目前大跨度及空间钢结构施工工艺归结起来不外乎三大类:
高空拼装、滑移以及整体提升。
本文将以天津数字电视大厦二期工程为例，介绍大跨度重型悬臂桁架的高空拼装工艺，重点阐述胎架法的应用。
2、工法特点
本工程A区屋顶共18榀大跨度悬臂桁架,为获取更大的使用空间,取代和减少空间立柱,满足建筑使用功能的要求,采用了吊柱式钢结构体系,与普通的梁柱结构形式不同，吊柱结构受力途径是自下而上传递，其传力途径一般为吊柱下部结构→吊柱→吊柱上部桁架梁→立柱。
由于吊柱与普通的梁柱体系立柱受力情况大不相同，因而在施工过程中不能简单套用普通梁柱体系的施工工艺，必须仔细考虑吊柱结构体系的受力传递途径和受力情况，并充分考虑施工过程中结构受力的变化，采取有效技术措施以确保施工质量。
高空拼装施工工艺简单,操作简便,同时结构受施工影响较小。
而高空拼装工艺一般分为两种施工方法：
一是将整个桁架分为若干单元，各单元在地面拼装完成后再由起重设备吊至安装部位进行整体拼装；二是在作业面下搭设胎架支撑体系，再由起重设备将散件吊至作业面进行散件拼装。
相对于整体拼装而言，胎架法有一下几点优势：
2.0.1胎架法对施工场地要求不高，单件胎架占地面积小，散件可以直接从料场吊至作业面。
而整体拼装法需要专门的拼装场地，并且起重设备作业半径较大；
2.0.2胎架法由于散件个体重量不大，起吊设备可以采用施工现场现有的塔吊，而整体拼装法由于单元体钢构件自重比较大，一般需要租赁专门的重型起重机；
2.0.3胎架法相对于整体拼装法，结构对施工的影响更小。
3、适用范围
胎架法适用于大部分的大跨度悬臂桁架、网架或网壳等空间结构。
尤其是施工现场场地狭小，作业面比较受限的工程，胎架法在造价及安全性上有时更为明显。
4、工艺原理
4.0.1胎架法的结构原理
胎架法施工工法将吊柱体系变为普通梁柱体系进行施工，解决了设计受力传递路线与常规施工顺序之间的矛盾，用常规的自下而上施工工艺组织施工，其作用是在上部钢结构安装期间将荷载安全可靠的传递至下面基础或支撑，同时也作为上部钢结构分段安装的支撑点，施工完成后拆除。
胎架的设计要满足承担上部荷载包括楼板、吊柱、屋盖在内的所有传递的竖向荷载以及施工荷载，胎架为型钢组成的格构式柱，具体尺寸和型号要经过计算确定。
4.0.2胎架的布置
胎架的布置位置位于吊柱的正下方，胎架应牢固支撑在基础或楼板上，从底层开始搭设，胎架与楼板接触点的胎架底部可采用型钢底座与基础预埋件焊接固定的方式进行稳固，胎架安装时以钢丝绳作为缆风绳，增加其安装及使用过程中的稳定；胎架下部如有地下室，则要计算胎架部位楼板受力情况，必要时要采取回顶等加固措施，确保竖向力传递安全可靠。
胎架顶端要设置操作平台，在胎架顶部布置工字钢横梁，在横梁上布置4组千斤顶，千斤顶用于支顶吊柱节点和结构安装完毕后胎架的释放。
5、施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程及示意图
5.1.1工艺流程
施工工艺流程见下页表。
第一步：
按照钢结构施工顺序，安装框架内的桁架后延段钢梁
第二步：
桁架后延段安装完毕后，在悬挑桁架端部位置搭设型钢胎架
第三步：
以型钢胎架作为临时支撑，安装3层悬挑段的桁架下弦
第四步：
安装3层平面内的其余钢构件
续表5.1.1
第五步：
安装悬挑桁架端部的钢柱并焊接完毕
第六步：
安装吊柱之间的边桁架，其余桁架照此顺序依次安装
5.1.2桁架安装三维示意图
表5.1.2
第一步，桁架内部的后延伸段随结构安装完毕，我司标准化型钢胎架支撑已安装完成
续表5.1.2
第二步，由塔吊散件安装悬挑下弦箱型梁
第三步，沿着建筑物外围，由南、西北的顺序依次安装悬挑箱型梁
续表5.1.2
第四步，安装3层悬挑梁平面内的次梁
第五步，在悬挑梁端部安装桁架柱（立于桁架下弦的箱型梁上）
续表5.1.2
第六步，安装悬挑桁架的上弦箱型梁
第七步，安装4层桁架箱型梁平面内的次梁
续表5.1.2
第八步，散件安装桁架立柱和立柱之间的边桁架（上下弦箱梁）
第九步，依照上述顺序，沿着建筑物的外围，依次散件安装完毕所有钢构件（包括斜腹杆）
续表5.1.2
第十步，桁架安装完成后，分区域卸载，卸载完成后，拆除脚手架
5.2操作要点
5.2.1胎架基础承载力保证措施
1、基础承载力验算
胎架基础如位于地下室室顶板上，为保证胎架基础承载力能够满足桁架安装的要求，需通过有限元计算软件MIDAS-GEN对楼面结构进行整体建模计算，计算中将支撑自重荷载和上部荷载等效为相应的集中荷载或面荷载，荷载施加至楼面结构得出相应的结构截面面积与配筋结果，通过与实际配筋对比得出基础承载力不足的部位，从而制定相应的结构措施。
图5.2.1-1楼面结构整体建模示意图
图5.2.1-2-0.050m标高楼面结构在临时支撑作用下Mx-x和My-y弯矩云图
2、结构加固措施
如现场桁架安装时，地下一层的满堂脚手架还未拆除，为保证胎架基础承载力满足安装要求，待桁架全部安装完毕后再拆除负一层的满堂脚手架。
同时，在地下室顶板施工时，在胎架基座位置预先留置预埋件，待胎架基座就位后与预埋件焊接固定，从而保证胎架的整体稳定性。
5.2.2桁架安装控制措施
桁架的拼装控制整体拼装时要注意桁架的变形，在安装过程中用经纬仪、水准仪进行跟踪测量，发现现有变形立即校正如主弦杆之间的错口，下绕，弯曲和整体长度等。
如果节主弦杆与下节主弦杆错口要用千斤顶将其校平整，在每个胎架上放置千斤顶当下绕是就应用千斤顶将下绕处顶上来；整体长度就要求校正时保证相邻分段桁架焊缝口的焊缝如果整体长度长了就应该缩小焊缝，反正则扩大。
当校正好后可以进行加固最后焊接。
5.2.3监测控制措施
1、使用塔吊对散件进行起吊安装，在安装就位时用全站仪进行跟踪测量。
桁架安装之前需要对支撑胎架的标高轴线进行复测、调整，以便进行桁架的安装。
桁架安装之后，通过对桁架端部设置于支撑胎架顶部的千斤顶，进行桁架端部预调值的控制。
测出桁架的轴线偏差。
在向东西两侧拉上缆风绳来调整轴线偏差。
外挑桁架最长有12m，根据轴线尺寸、构件截面尺寸，计算构件中心点坐标，并绘制出构件点位坐标图。
2、全站仪架设于控制点上，对中整平,向全站仪输入测站点和后视点坐标值,完成仪器的设置。
瞄准各构件顶中心线，得中心线坐标，与设计坐标比较得到钢柱轴线偏差，每根构件测点最少不得低于三点，便于校核观测误差和计算构件扭曲。
3、构件焊前、焊后轴线偏差资料，使构件在焊接前，可根据偏差值决定焊接的顺序，方向及收缩的倾斜预留量。
4、桁架标高测量，用水准仪测出桁架上下弦杆对应点的标高，根据构件截面尺寸，计算出构件的标高，桁架的垂直度需要对桁架的主弦杆两侧拉设缆风绳进行调整。
5、次桁架及次梁的定位校正，次桁架及次梁安装时要等到外挑的主桁架焊接完成时安装，在主桁架上相连的两榀间方出定位轴线，或者预留的安装牛腿，同时用水准仪控制上下错口，当主桁架与次桁架或次梁上下发生错口时，在节点处用千斤顶进行校正。
最后整个悬臂部分进行全站仪和水准仪的整体校正，先控制与主桁架的节点再用坐标控制端部的轴线标高。
6、材料与设备
6.1材料
6.1.1胎架的组成
由钢管桁架标准节，钢管桁架底层节，钢管桁架调整节、胎架底座及胎架顶梁（胎帽）组成，其中胎架标准节规格为2000*2000，高度为4000，胎架设计采用焊接钢管标准节设计，大标准节之间采用法兰连接。
胎架顶部设有胎帽，刚度较大，可以保证传力均匀。
胎帽顶部根据预调值和卸载的需要，采用20#工字钢焊接工装，工装高度可根据现场实际尺寸进行调整。
在胎架和胎架之间设一道联系桁架，以提高胎架的整体稳定性。
胎架材质采用Q345B钢。
6.1.2胎架构件表
表6.1.2
序号
胎架名称
胎架材质
杆件规格
备注
1
底座
热轧型钢
Q345B
HW300*300*10*15
2
底层节
焊接钢管
Q345B
立杆φ219*10水平横杆
φ76*5斜杆φ89*5
3
标准节
焊接钢管
Q345B
立杆φ219*10水平横杆
φ76*5斜杆φ89*5
4
调整节
焊接钢管
Q345B
立杆φ219*10水平横杆
φ76*5斜杆φ89*5
5
标准胎帽
焊接钢管
轧制型钢
Q345B
立杆φ219*10顶梁HN450*200*9*14
6
非标胎帽
焊接钢管
轧制型钢
Q345B
立杆φ219*10顶梁HN450*200*9*14
7
柱顶工装
工字钢钢板
Q235B
横梁工20a
钢板30mm
6.2设备
6.2.1钢结构安装主要吊装设备
表6.2.1
序号
机械或设备名称
型号规格
国别产地
制造年份
额定功率KW
生产能力
备注
1
螺旋千斤顶
5t/10t16t/20t
中国
2011年
/
/
钢柱校正
2
角向磨光机
φ100
中国
2011年
/
/
钢结构吊装
3
高强螺栓枪
M16/20/22/24
日本
2011年
/
/
钢结构吊装
4
过孔冲
中国
2011年
/
/
钢结构吊装
5
高强螺栓箱
/
/
2011年
/
/
钢结构吊装
6.2.2钢结构安装主要焊接设备
表6.2.2
序号
机械或
设备名称
型号规格
国别产地
制造年份
额定功率KW
生产能力
备注
1
交流焊机
BX-500
中国
2011年
25KW
/
钢结构焊接
2
空气压缩机
XF200
中国
2011年
7.5KW
/
钢结构焊接
3
二氧化碳焊机
CPXDG-600
中国
2011年
36KW
/
钢结构焊接
4
焊缝量规
/
中国
2011年
/
/
钢结构焊接
5
加热、气割设备
/
中国
2011年
/
/
钢结构焊接
6
碳弧气刨枪
600A
日本
2011年
/
/
钢结构焊接
7、质量控制
7.1质量标准及验收规范
7.1.1《高层民用钢结构技术规程》（JGJ99-98）
7.1.2《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）
7.1.3《建筑机械使用安全技术规程》（JGJ33-2012）
7.1.4《建筑施工高处作业安全技术规范》（JGJ80-91）
7.2质量要求
7.2.1质量控制目标
项目
规范允许偏差（mm）
项目内控目标（mm）
总体垂直偏差
e≤H/2500且e≤50
e≤10
高度偏差
H/1000≤e≤H/1000
-30≤e≤30
-20≤e≤20
平面弯曲偏差
e≤L/1500
e≤25
e≤25
定位偏差
e≤L/20000
且≤±5mm
e≤±5mm
7.2.2分项控制尺寸
项目
工程允许偏差（mm）
项目内控目标（mm）
柱子的底座位移
e≤3
E≤3
上柱和下柱的扭转
e≤3
E≤3
柱底标高
-2≤e≤2
-1.5≤e≤1.5
单节柱的垂直度
e≤L/1000
e≤10
e≤L/1000
e≤10
同一根梁两端水平度
e≤L/1000
e≤10
e≤L/1000
e≤10
7.2.3避免累计误差的方法
序号
避免累计误差的方法
1
提高测量精度，充分利用螺栓孔与螺栓之间隙进行控制，当某一跨的间距出现正公差时，调节下一相邻跨时，必须出现负公差，并且数值基本相等。
2
测量及时跟踪，及时提供测量数据，为安装工序提供依据，做到校正时心中有数，不盲目施工。
3
利用焊接对柱偏差的校正，当柱向西偏移时，先焊接柱的东部，若钢柱向东偏移时，先焊接西边，使到偏差进一步减小。
4
要对钢柱钢梁的长度进行严格的检查，安装时充分考虑长度误差对校正的影响。
7.3施工过程中质量控制措施
7.3.1防止变形
构件在运输、堆放过程中应设计专用胎架，拼装时必须设计专用胎架。
转运和吊装时吊点及堆放时搁置点的设定均须通过计算确定，确保构件内力及变形不超出允许范围。
运输、转运、堆放、拼装、吊装过程中应防止碰撞、冲击而产生局部变形，影响构件质量。
所有构件在运输、转运、堆放、拼装及安装过程中，均需轻微动作。
搁置点、捆绑点均需加软垫。
7.3.2禁止随意割焊
施工过程中，任何单位或个人均不得任意割焊。
凡需对构件进行割焊时是，均须提出原因及割焊方案，报监理单位或设计院批准后实施。
7.3.4组装前，应按构件明细表核对进场的构件零件，查验产品合格证和设计文件；工厂预拼装过的构件在现场组装时，应根据预拼装记录进行。
7.3.5结构件安装就位后，应立即进行校正、固定。
当日安装的结构件应形成稳定的空间体系。
钢结构组装安装、校正时，应根据风力、温差、日照等外界环境和接变形等因素的影响，采取相应的调整措施。
7.3.6测量质量控制
仪器定期进行检验校正，确保仪器在有效期内使用同，在施工中所使用的仪器必须保证精度的要求。
8、安全措施
8.1高空作业安全措施
8.1.1高处作业中的设施、设备，必须在施工前进行检查，确认其完好，方能投入使用。
8.1.2攀登和悬空作业人员，必须经过专业技术培训及专业考试合格，持证上岗。
8.1.3冬季进行高空作业时，必须采取可靠的防滑措施。
积水应及时清除。
遇有6级以上强风、浓雾等恶劣气候，必须立即停止钢结构吊装、焊接作业，及时将未就位的构件进行临时固定，对扳手、螺栓、焊条等小型材料用具必须装入工具包中带走；对于未安装使用的轻型板材，用麻绳将板与主体结构牢牢捆绑，防止被风刮走。
8.1.4为防止人从高处坠落，操作人员进行高处作业时，必须正确使用安全带。
安全带应高挂低用，即将安全带的绳端挂在较高处，而人在较低处操作。
8.1.5施工作业场所有可能坠落的物件，应一律先进行撤除或加以固定。
高处作业中所有的物料，均应堆放平稳，不妨碍通行和装卸。
随手用工具应放在工具袋内。
作业中的走道内余料应及时清理干净，不得任意乱掷或向下丢弃。
传递物件禁止抛掷。
8.2构件吊装安全措施
8.2.1安装前要再次对塔吊具进行检验。
仔细检查钢丝绳、卡环等工具是否符合规格要求，是否有损伤，所有起重指挥及操作人员必须持证上岗。
8.2.2构件起吊时应保证水平，均匀离开平板车或地面。
起重吊钩应在重心的正上方，起钩后构件不作前后、左右摆动。
检查钢绳受力状况，几根钢绳应均匀受力。
吊钩要求具有防跳绳装置，无排绳打搅现象。
构件吊点应牢固，无滑落现象。
起钩由地面人员指挥，塔机操作员应仅听从地面的专职人员指令。
起钩速度应缓慢，施工人员不得站在构件上。
8.2.3构件起重高度应在人手可触及的高度，不能在空中自由任意摆动。
构件吊运通道应无障碍物，施工人员不要站在构件运动方向，构件不得超跃头顶。
8.2.4落钩前应明确构件位置，摆正构件，落钩要使用慢速，经充分落钩钢丝绳不受力才能靠近取钢丝绳。
忌手放在构件下取物，钢绳退出时不允许使用吊钩直接拉动避免钢绳弹出伤人。
8.3防火安全措施
8.3.1施工现场明确划分用火作业区，易燃可燃材料堆场、仓库、易燃废品集中站和生活区域。
8.3.2施工现场必须道路畅通，保证有灾情时消防车畅通无阻。
8.3.3施工现场应配备足够的消防器材，指定专人维护、管理、定期更新，保证完整好用。
8.3.4焊、割作业点与氧气瓶，乙炔瓶等危险品的距离不得小10m，与易燃易爆物品不得小于30m；乙炔瓶和氧气瓶的存放与动火点距离不得小于2m，使用时两者的距离不得小于5m。
8.3.5氧气瓶、乙炔瓶等焊割设备的安全附件应完整有效，否则不准使用。
8.3.6施工现场的焊割作业必须符合防火要求，严格执行“十不焊”规定。
8.3.7严格执行动火审批制度，并要采取有效的安全监护和隔离措施。
8.3.8施工现场严禁吸烟。
9、环保措施
9.0.1夜间施工现场周围有噪声敏感区域，必须对周围社区告知，在夜间23：
00-凌晨6：
00期间禁止施工，根据现场情况，夜间施工尽量安排噪音小的工作，避免影响邻近居民休息。
当因工程需要连续施工时，需按规定向相关部分申请办理夜间施工证，并应提前征得居民的谅解。
9.0.2钢构件的装卸、运输及吊装应采取措施（如：
洒水）减小扬尘，避免对周边环境造成污染。
9.0.3对现场料场统一规划，材料分类码放并挂上标识牌。
对废料、旧料做到每日清理。
10、效益分析
10.1经济效益分析
胎架法相比于整体拼装法在机械费上优势很明显，尤其在现场施工场地限制比较大的情况下，采用胎架法进行高空散件拼装的方式在经济上是非常合算的。
表10.1
施工工法
胎架法
整体拼装法
对比说明
涉及工程量（吨）
1261
1261
1、整体拼装法中由于每个单元重约30t，根据现场场地情况，需租赁200t汽车吊；
2、机械费单价均按工程量折算单价；
3、材料费中仅对措施费进行对比，主材量、价均相同，因此不作对比；
4、材料费总价均作了0.3的系数折算。
人工费
数量（工日）
160*60
145*60
单价（元/工日）
300
300
总价（万元）
28.8
26.1
机械费
数量（吨）
1261
1261
单价（元/吨）
500
850
总价（万元）
63.05
107.18
材料费
数量（吨）
300
250
单价（元/吨）
12000
12000
总价（万元）
108
90
金额总计（万元）
199.85
223.28
通过分析对比可以看出，胎架法在本工程的应用经济效益还是十分明显的，相对于整体拼装法节省了约23.43万元。
10.2环保与节能效益分析
利用胎架法安装大跨重型桁架，在施工工艺选择、过程控制，以及在施工资源使用等方面经科学组织、合理安排，能够满足相关规定要求。
胎架法施工过程中，由于无需地面拼装，大大减少了施工噪音。
同时对施工现场进行合理规划，料场摆放整齐，施工产生的废料头及时清理并回收，避免了资源浪费。
所有钢构件防腐喷涂均在出厂之前完成，从而避免现场喷涂给周边环境造成污染。
10.3社会效益分析
利用胎架法施工大跨度的重型悬臂桁架，其相对可靠地安全性也正是施工工艺选择时考虑的重要因素之一。
同时，规划齐整的现场布置、流畅合理的工序衔接也体现出了作为大型建筑施工企业的施工素质和企业风采。
1、胎架底座安装
2、胎架底座与楼板预埋件、胎架格构柱与底座焊接固定
3、胎架整体安装完成效果图
4、胎架穿结构梁板处构造措施
5、下弦桁架梁吊装
6、边桁架梁吊装
7、吊柱吊装
8、斜腹杆吊装
9、上弦桁架梁吊装
10、悬臂桁架安装完成效果图
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