论文推荐大跨度空间双曲雨棚结构安装方法

作者：许立山朱炜张跃国焦斌蒲雨雪

中建三局有限公司

.中建钢构有限公司

摘要

雨棚结构是建筑物常见的附属结构之一，通常位于建筑物下方，起到遮风挡雨的作用。大跨度造型各异的雨棚可以美化建筑物，但对施工带来了较高的难度。提出了一种高效的复杂雨棚构件安装方法，通过采用有限元软件分析、分段分节优化、安装方法优化、支撑胎架布置等一系列措施，可以精确实现空间双曲异形悬挑雨棚结构的安装作业，且可以显著提高安装效率，大幅节省塔吊的起吊次数。

引言

现代建筑工程中，雨棚是建筑物必不可少的辅助构件。公共建筑中雨棚的相对位置较低，不仅要具备遮阳避雨的功能，而且在保证结构的安全性和耐久性的前提下还需要体现建筑规模及美化建筑。在实际工程中，受到主体建筑物的外形要求以及实际使用需要，雨棚的跨度较大，传统平板型钢筋混凝土结构雨棚已无法满足需要。实际工程中需要的是造型丰富多彩，有些雨棚已经成为许多建筑物的一大亮点。

近年来，随着钢结构的不断发展，大跨度雨棚的设计理念逐渐创新，越来越多造型迥异的雨棚结构出现。其中较为典型的是车站站台雨棚和大悬挑钢结构雨棚，此类结构由于跨度大、安装精度要求高，高空安装作业量大，对施工技术提出较高的要求。

中国尊大厦的雨棚结构造型复杂、悬挑长度长、跨度大、且在空间呈现异形弯扭造型，给雨棚施工中的分段分节、高空精确安装、高空焊接带来了较大的难度。在现有的工况下，根据安装中的重、难点，结合以往的悬挑大跨度结构安装经验，设计了一种适应于空间复杂异形结构的施工方法，通过软件控制合理分段分节、有限元模拟施工过程等理论分析，解决了工程中遇到的重、难点问题。一方面，保证雨棚结构的安装效率和安全性；另一方面，保证了整体结构在焊接和落架完成后的精度控制。

雨棚的精度要求及影响因素

中国尊雨棚结构其主杆件为空间双曲弯扭箱型，借助支撑牛腿与首道桁架箱梁及桁架下弦相连，向外最大悬挑约为14.1m，跨度最大达54m(图1)。在钢结构施工过程中，首先需要解决分段分节问题，根据现场堆场能力、起重机设备、道路运输、车间制作、安装方法等要求，进行合理的分段分节，如此才能保证后续的施工过程顺利进行。空间悬挑弯扭构件的精度控制是最大难题，因雨棚上方玻璃幕墙是成品制作，如若出现主体结构安装偏差过大，将导致幕墙无法顺利安装等一系列后续问题。再有，该结构在空间呈双曲交叉造型，构件综合交错数量较大，最大板厚25mm，如何控制焊接变形是一大难题。最后就是落架问题，众所周知，悬挑类结构都会面临落架后下挠的问题，如何控制大悬挑重型构件在落架后的下挠是一个挑战。国内外超高层建筑中如此大跨度、大悬挑的雨棚结构十分罕见。经分析，工程主要有以下技术难点：1)雨棚分段分节；2)雨棚精确安装及焊接；3)复杂节点高空组装；4)复杂弯扭构件高空合龙；5)支撑胎架拆除。

a—模型；b—局部结构。图1雨棚结构

分段分节及现场拼装

雨棚结构的深化设计应该是在充分考虑并结合了原材料规格、运输的各种限制以及最终确定的安装方案的基础上进行的。为使深化设计与加工制作及运输等方面更加密切结合，分段的拆分应考虑如下因素：起重吊装设备的能力；加工制作切割、焊接等设备；运输的长度、宽度与高度、运输单元重量；工厂检验设备、检验控制点、隐蔽焊缝的检验等；结合焊接工艺，保证构件与节点翻身起吊后的俯焊、平焊、立焊位置；分段接口的做法(切口和坡口)等。

经综合分析采用：1主挑梁+1竖龙骨+4横龙骨+顶横梁+2牛腿，总质量为7.2t，两榀构件在现场实测数据的基础上，结合图纸进行放样(放样要采取足尺放样)，严格控制构件长度、外观尺寸。

2.1拼装胎架说明

现场拼装时在节点与拼接的主挑梁下方设置拼装胎架，将两段雨棚结构拼装为一体，拼装后单元长11.6m，宽7.6m。拼装时注意雨棚支撑朝上，下方垫4个临时拼装胎架用于支撑，完成拼装后起吊。雨棚拼装主要采用现场汽车吊进行地面拼装(图2)。

a—雨棚拼装胎架三维模型；b—雨棚现场拼装。图2拼装胎架

拼装胎架主要用于两节雨棚结构进行地面拼装，为节省钢材，采用桁架拼装时胎架，方便雨棚整体吊装。

2.2现场拼装质量保证

在现场实测数据的基础上，结合图纸进行放样，严格控制构件长度、外观尺寸，放样要采取足尺放样。制定合理的焊接工艺和防变形措施。对于出现的变形尽量采用机械校正。因拼装雨棚的横龙骨焊接需要在胎架上完成，必须将横龙骨对接口全部焊接完并自然冷却后再将雨棚下胎，防止造成雨棚变形，面拼装后总质量为16.5t。

安装方法

根据有限元软件施工全过程模拟分析，根据现场实际工况对雨棚安装进行优化，具体安装流程如下：

第1步，在地面拼装雨棚上端顶横梁与支撑，利用全站仪对桁架处连接位置进行标记，随后采用汽车吊将雨棚支撑安装至3～5层桁架处，采用马板临时连接固定。

第2步，将雨棚的上节结构形成小型框架后，与已安装完成的支撑进行连接，标高范围为19.～29.m，利用马板进行临时连接。安装顺序为先安装与巨柱相连的雨棚，随后由两端向中间依次安装桁架连接部分的雨棚。雨棚主挑梁、雨棚竖龙骨与巨柱本体、首层桁架腹杆通过雨棚支撑相连接，形成稳定的支撑体系。

第3步，对上部分结构之间的小横梁嵌补，使得上部结构形成完整框架。

第4步，主要对下部分雨棚进行安装，由于该部分雨棚仅有主、次挑梁端头两个点连接，在安装前搭设支撑胎架作为主要受力点，保证安装的稳定性。胎架布设位置以上端支撑在雨棚边梁位置，不仅可以提供很好的稳定性，而且胎架间形成的通道可以方便边梁的安装。雨棚每个单面布设6组胎架，一共布设24组。

第5步，下部分雨棚结构安装顺序与上部一致，由两侧向中间依次安装，通过上口处设置倒链配合塔吊进行微调，准确定位后下端与胎架顶部进行刚性连接。随后补齐主次挑梁之间的小横梁，进行焊接工作。

a—巨柱部分上部雨棚在地面拼装好后进行安装；b—安装相邻部分雨棚结构；c—安装中间补档横龙骨；d—继续向跨中安装雨棚结构，随后补档横龙骨；e—继续安装中间补档横龙骨；f—桁架跨中依次安装，上部雨棚结构安装完成；g—下部巨柱部分雨棚结构拼装后进行安装；h—支撑胎架布设完成后，安装相邻雨棚结构；i—补档横龙骨；j—继续向跨中进行雨棚安装；k—雨棚结构安装完成；l—焊接完成后进行胎架落架。图3落架过程示意

支撑胎架措施

4.1胎架布设

采用标准化胎架。主要由标准节、顶部钢板及底部柱脚组成。胎架最大高度14m，共设置18组。胎架立柱采用4根φ×10圆管作为主要承重立杆，缀管采用75×7角钢。根据中建钢构有限公司《装配格构式支承结构应用手册》5.1节，单组标准化胎架可承受最大载荷kN。

4.2落架与胎架拆除

根据“变形协调，落架均衡，由中间向两端，每面单独落架”的原则，通过放置在支架上的可调节点支撑装置千斤顶，多次循环微量下降以实现荷载平衡转移。

临时支座分批逐步下降，第一次缓慢落架中间部分雨棚下的千斤顶，落架方法为：先将千斤顶向上顶起5mm，抽去马凳上方的10mm厚钢板一张，再将千斤顶回落。如是反复，完成落架。随后拆除两端的千斤顶，落架顺序是由中间向两侧，采用每步不大于10mm的等步下降法拆除支撑点。

胎架与雨棚分离且待雨棚稳定之后，按照“先安装的后拆除，后安装的先拆除”原则利用塔吊依次将胎架拆除。

在落架过程中，支撑系统和结构体系中的受力十分复杂。为防止发生意外，确保落架的顺利进行，在落架过程中应特别注意以下事项：

1)落架时要统一指挥，保证同步进行。

2)落架前先计算好支撑点的钢结构变形量，通过变形量确定千斤顶的行程，如变形量超出千斤顶的最大行程，则要在落架过程中更换千斤顶。

3)落架点水平位移较大时，在落架之前利用垫铁调整千斤顶垂直度，释放其水平位移。

4)落架前要仔细检查各支撑点的连接情况，对已经安装好的巨柱、大斜撑、桁架进行测量，记录标高数据。

5)落架时要进行跟踪测量和监控。

6)落架前要清理钢结构上的杂物，落架过程中，钢结构上不得进行其他作业。

7)落架前要作好一切安全措施，并检查好千斤顶的使用性能。

胎架立面布置如图4所示。

图4雨棚胎架立面布置示意

胎架顶点详图如图5所示。

图5胎架顶部节点详图

精度控制方法

5.1吊装校正控制

在钢结构安装测量过程中建立可靠的测量控制网体系及塔楼内外筒结构变形差检测体系，控制允许偏差及主控目标见表1。

表1吊装控制允许偏差mm

注：H为垂直度允许偏差；e为偏心距。

5.2焊接原则及顺序

根据本工程结构特点，焊接时采取分区域整体对称焊接的方式进行，焊接过程中要始终进行结构标高、水平度、垂直度的监控。先焊接主要构件，再焊接次要构件，先焊接变形较大构件，在焊接变形较小构件。

1)结构对称、节点对称、全方位对称焊接；2)焊接节点采取对称的焊接方法；3)焊缝采取窄道、薄层、多道的焊接方法；4)遵循从高向底，从巨柱向两侧扩展的顺序进行；5)东、西、南、北中间各留一道焊接活口。

优先焊接雨棚与巨柱、桁架的支撑梁，焊接顺序为由巨柱向桁架中间进行，先焊第5层支撑梁再焊第3层支撑梁。

针对主挑梁、次挑梁、横龙骨以及边梁的焊接，总体原则应从巨柱向桁架跨中进行，每两榀散件之间的焊接按照图6中1～20的顺序进行。先焊接主次挑梁，再焊接顶部补档横龙骨两端以及底部横龙骨两端(图6中5～8)，以控制整榀雨棚的横向变形。最后由上往下依次焊接剩余横龙骨。

雨棚边梁的焊接在上述所有焊接完成后进行。为避免应力集中，相邻焊缝不能同时焊接，即一个构件不能两端同时焊接，要采取间隔焊接的方法。东、西、南、北处各留一跨横龙骨作为焊接活口，待其余所有构件焊接完成后才可施焊。

a—正视；b—侧视。图6雨棚焊接顺序

结论

1)通过地面拼装、高空整体吊装技术，可以方便快捷地完成复杂构件的安装工作，大幅提高施工效率。

2)局部调节安装细节，先行安装定位支撑梁，大幅度增加了雨棚安装精度，使得施工过程更加有序。

3)采用标准化支撑胎架辅助安装方法，优化胎架布置，增设胎架间连系梁，不仅保证了施工安全，并且为后续焊接工作提供了便捷的可操作空间。

来源：许立山，朱炜，张跃国，等.大跨度空间双曲雨棚结构安装方法[J].钢结构,,34(6):89-92.

doi:10./j.gjg06017

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