武汉建筑工程集团有限公司
概括
以光谷科技大厦裙房大悬挑钢结构安装施工为例，介绍无支撑高空现场安装施工技术在悬挑钢结构安装中的应用。由于本项目悬挑钢结构安装需在裙房非悬挑区域安装完成后实施，现场施工场地狭小、吊点设置困难，无法进行地面拼装、整体吊装施工；加之悬挑结构安装位置高，设置安装临时支撑架成本高，支撑架本身稳定性难以保证。因此，采用无支撑高空现场安装施工方法，分析利用悬挑结构本身受力特点，采用临时拉杆辅助超重构件定位稳定。 采用有限元软件模拟吊装过程中内部受力及变形，制定先主后辅、由内至外的构件吊装顺序，逐步形成悬臂结构本身受力体系，完成大悬臂钢结构安装施工，确保施工安全钢结构挠度，节约成本。同时对施工过程中的质量控制与监控、工序衔接、施工安全保障等进行了说明。悬臂钢结构安装精度满足设计及规范要求，在具体施工中验证了方案的科学性、安全性。
0 前言
近年来，随着高层建筑对使用功能和建筑美观度的要求越来越高，高层建筑的结构形式也日趋复杂多样，如不规则平面建筑、带转换层建筑、竖向凹陷建筑、悬挑建筑等。尤其是悬挑结构，由于其充分利用空间资源、占用土地资源少、视觉冲击力大、建筑艺术性强等优点，在高层建筑裙房设计中得到广泛的应用。钢材具有强度高、刚度大、塑性好、自重轻、抗动荷载等优点，往往成为悬挑结构材料的首选。但这种大悬挑钢结构的施工需要克服场地、吊装设备、结构安全、施工成本等多方面的困难，给具体施工带来了很大的困难。
目前悬挑钢结构常用的安装方式有无支撑现场安装、有支撑架现场安装、整体吊装等。现场安装需要根据悬挑结构形式、场地空间、吊装设备、施工安全、施工成本等多方面因素综合考虑。本文以光谷科技大厦裙楼悬挑钢结构安装为例，介绍无支撑现场安装施工技术在悬挑钢结构安装中的应用。
1 项目概况
武汉光谷科技大厦由A塔、B塔和3层整体地下室组成。A塔设有裙房，A塔及其裙房称为建筑区域A，结构模型如图1所示。A塔地上19层，地下室3层。结构形式为钢筋混凝土核心筒内设刚架+外围钢柱、钢梁框架结构；裙房地上5层，地下室3层。结构形式为5层以上钢框架+钢桁架；塔楼、裙房楼板均为钢筋桁架楼板+现浇混凝土。裙房5层至屋顶层为四面悬挑钢桁架结构。 悬挑楼面尺寸为41.45 m×24.65 m，北、南、东三面各悬挑4 m，西侧各悬挑12.5 m。裙楼悬挑结构平面图如图2所示。悬挑结构最低标高为17.840 m，桁架高度为6.90 m。本文重点介绍裙楼悬挑桁架的安装施工技术。
图1 A区模型及主席台实景
2 施工方案
裙房五层至屋面层周边设置悬挑结构，裙房北侧、南侧及东侧悬挑较短（悬挑4m），施工难度较小，采用无支撑高空现浇拼装施工，不再详述。
裙房西侧大悬挑钢结构悬挑12.5m，构件截面、长度及对应重量较大，此区域悬挑结构需在裙房非悬挑结构安装完毕后进行安装，以使悬挑结构安装时传力路径顺畅，快速形成满足设计状态的受力体系。但此时悬挑结构下方无整体拼装场地，已安装结构上难以设置吊点，无法在地面上整体拼装；加之搭建竖向支撑框架投资成本高、施工周期长、框架拼装高度高（24m），框架本身稳定性无法保证。经综合比较考虑，大悬挑结构安装采用无支撑高空现拼装方案。
无支撑高空现场拼装工艺简单，不受下方施工场地限制。通过对悬臂结构本身受力特点分析，制定合理的吊装顺序，逐步安装构件。先安装的构件承受后续构件自重及施工荷载，很快形成受力单元体系，施工速度相对较快。另外，先用临时拉杆辅助超重构件吊装定位稳定。施工前采用有限元软件模拟吊装过程中内力及变形，为吊装作业提供理论依据。安装过程中将监测数据与理论数据进行对比，动态调整。
图2 裙房悬挑区域平面图
3 施工难点分析
3.1 无支撑高空吊装过程中结构安全难以保证
大悬臂钢结构无支架高空吊装要求各环节配合良好、衔接良好，高强螺栓施工、焊接作业、拉杆设置与拆除、起重机吊装、吊钩松开等工作均须严格按方案实施，确保吊装过程中的结构安全。
3.2大悬臂钢结构安装精度控制与监测难度大
裙房西侧大悬臂钢结构，自重260t，悬臂长度12.5m，部分构件为大截面超长超重型构件，最长钢梁长16.2m，重12.4t，截面为H1 400×600×22×35。如此超重型超长悬臂构件，采用无支撑体系的汽车起重机吊装，安装精度控制和位移监测难度较大。
3.3 无支撑体系的高空悬臂结构吊装作业安全风险大
悬臂组件安装位置较高，裙房五层标高为17.840m，部分区域位于地下室负一层（标高-6.100m）以下，安装位置距地面高达24m，组件就位时，监测、高强螺栓、焊接等工种穿插施工，安全隐患较大，需采取相应措施，确保高空作业人员安全。
4.起重机选型及施工准备
项目施工阶段，现场仅布置1台塔吊，型号为TC7020，位于核心筒北侧，距离裙房较远，无法进行大悬臂钢结构吊装，需租用汽车吊进行施工。该项目施工区域狭窄，东、西两侧均有其他在建项目，仅东、西两侧设置了狭窄的施工便道，材料堆放和汽车吊就位困难。为尽量减少租用费用，汽车吊布置在裙房南侧施工区域，该区域靠近大悬臂安装位置，仅需1台130 t汽车吊即可满足吊装要求（图3）。但该区域为地下室负层。 为保证汽车吊站位混凝土结构的安全，需保证汽车吊支腿落在混凝土梁上，并在支腿处设置钢板分担压力，同时需在支腿处对混凝土梁设置反向顶支撑（图4）。
图3：汽车起重机起吊位置示意图
图4 混凝土梁顶支撑
5座悬臂钢结构安装施工
5.1 无支撑原位提升结构安全控制
5.1.1 应先安装非悬臂结构
为保证大悬臂钢结构安装时的力由悬臂部分传递到非悬臂结构，以迅速形成满足设计条件的受力体系，裙房四边悬臂桁架的安装必须在裙房五层及屋面层非悬臂结构安装完毕，且梁柱节点（螺栓节点）所有高强螺栓终拧紧、上下翼缘满焊，梁梁节点（铰接节点）所有高强螺栓终拧紧到位后，即在确保非悬臂结构具有足够的强度和刚度后进行。
5.1.2严格遵守大悬臂钢结构构件吊装顺序
无支撑现浇拼装是通过先安装构件尽快形成受力单元体系，以承受后续安装构件的自重和施工荷载，因此吊装的顺序是方案能否顺利实施的关键。通过对整个悬挑结构受力特性分析可知，与五层及屋面层钢柱直接相连的4根钢梁及两层钢梁之间的梁柱是悬挑结构的主要受力体系（图5）。整个悬挑结构的自重通过2个受力体传递到非悬挑区域的钢框架结构上。因此，应先吊装4根悬挑钢梁及梁柱，尽快形成闭合的受力体系。 同时，在吊装5层与钢柱直接相连的两根大悬臂钢梁时，需采用临时拉杆辅助悬臂钢梁落到位，待受力架吊装完毕，焊接及高强螺栓施工完成后，方可拆除临时拉杆。
图5 大悬挑钢结构主承重框架示意图
根据以上分析，确定大悬臂钢结构构件吊装顺序如下（图6）：
1）裙楼五层安装
轴和
轴线上有两根大悬臂钢梁，吊装到位后立即进行梁柱节点处理，同时设置[16a作为临时拉杆支撑，确保结构安全。
2）裙楼五层安装
轴和
在轴线上的2根大悬臂钢梁上安装上部立柱，并完成上部立柱与钢梁上翼缘的焊接。
3）安装裙楼顶板
轴和
轴线有两根大悬挑钢梁，满足裙房5层要求，两根钢梁吊装到位后随即进行梁柱节点处理。
4）安装第5层4根大悬臂梁与屋面层之间的横梁，形成稳定的承重实体，安装完成后即可拆除临时槽钢拉杆。
5)在步骤4)形成稳定的承重结构的基础上，由内向外逐步安装悬臂结构的其他构件。
a—5层悬挑钢梁安装及临时支撑设置；b—5层悬挑钢梁上部柱安装；c—屋面层悬挑钢梁安装；d—悬挑梁间横梁安装；e—由内向外安装其他悬挑构件。
图6 大悬臂钢结构构件吊装顺序
5.1.3 设置临时拉杆，确保结构安全
由于是无支撑安装，需要先用汽车吊、临时拉杆等措施将构件吊装到位，确保结构安全后再进行节点加工就位。前5层安装
轴和
对于大悬臂钢梁，在梁柱节点处高强螺栓最终拧紧及上下翼缘焊接完毕前，钢梁始终处于吊装状态。下钩前需设置临时拉杆，拉杆一端焊接在钢柱上部，另一端焊接在钢梁上翼缘，同时必须保证拉杆焊缝的质量。汽车起重机应缓慢下钩，并实时监测钢梁的位移及临时拉杆焊缝。大悬臂钢结构受力单元成型后，将节点处高强螺栓穿入固定后方可松开二次构件安装。
5.1.4 无支撑吊装模拟验证
为了验证方案的可行性,为悬臂结构吊装提供内力、位移等参数,利用MIDAS Gen软件对某施工工况下构件的内力与位移进行分析。
1）位移分析。
按照大悬臂钢结构安装顺序，挠度最大的位置为裙房5层及临时支撑拆除后的屋面层。
轴和
轴线4根大悬臂梁（图7）端部是在吊装第4步拆除临时拉杆后安装的。
最大位移（31.426 mm）发生在悬臂钢梁端部，考虑到其余结构的继续安装和混凝土楼板的浇筑可能产生较大的挠度，安装过程中5层及屋面层均发生了均匀位移。
，
4根轴梁端部标高均加高50mm。
图7 大悬臂钢结构构件位移分析（mm）
2）构件安装过程中的内力分析。
裙楼大悬挑结构安装遵循结构最终受力状态现场拼装，在连接节点处理妥当的情况下，确保构件本身强度满足受力要求。仿真分析的重点是临时拉杆是否能承受吊装过程中产生的内力。实施中采用Q235B材料[12A作为临时拉杆。通过软件对拆除前最大应力状态下临时拉杆的内力进行分析，临时拉杆内力为302 kN（图8），满足受力要求。
图8 大悬臂钢结构构件内力分析kN
5.2 超长超重构件无支撑现场提升精度控制
首先通过全站仪将基准轴线和标高反映到与悬臂结构连接的钢柱上，为后续的悬臂结构吊装提供依据。悬臂结构承重单元构件吊装时，保持构件处于吊装状态，在梁柱节点处安装高强螺栓，但不拧紧，确保钢梁不左右晃动。以标准轴线和标高为依据，用经纬仪测量钢梁安装位置，并用水准仪校准悬臂钢梁端部标高。对于首批安装的与钢柱直接连接的梁（第5层及屋面层），
轴和
对于大轴线悬臂钢梁钢结构挠度，根据仿真分析结果临时调整梁端标高50mm，然后终拧高强螺栓、设置临时拉杆，依次焊接上下翼缘，待结构连接强度达到要求后缓慢松开挂钩，测量端部标高下降值，实测数据为后续大悬臂钢梁吊装调整提供参考。
裙房5层及屋面层钢筋桁架楼板的铺设可在悬挑结构安装完成后进行，但楼板混凝土的浇筑必须在悬挑结构最终变形完成后进行，防止因结构变形引起楼板开裂等质量问题。
5.3 起重过程中的人员安全
起重前需要在钢梁上设置生命线，保证工人在钢梁上作业时有地方扣安全带。
悬挑结构吊装过程中，工人需要进行定位、监控、校准，同时需要进行高强度螺栓及焊接施工，高空悬挑作业非常危险，尤其是第一次吊装5层。
轴和
轴线较大，悬臂钢梁无法定位，无需操作平台即可进行挠度测控，为保证施工安全和质量，
轴和
在轴向钢梁端部设置2.5 m×2.5 m的脚手架平台，两平台间采用脚手架连接，并在竖向与三层钢柱连接，保证脚手架平台的整体稳定性（图9）。
图9 脚手架操作平台
六，结论
采用无支撑高空现拼装方案，顺利完成光谷科技大厦裙楼大悬臂钢结构安装，保证了安装质量，节省了施工成本。该方案的成功实施总结了以下经验：
1）通过大悬臂钢结构受力特点分析及有限元软件仿真分析结果，制定了合理的吊装顺序，同时采用临时拉杆辅助超重构件的就位及稳定，逐步形成悬臂结构自身的受力体系，实现了无支撑高空现拼装在本项目大悬臂钢结构安装中的应用。
2）在大悬臂钢结构安装应用中，无支撑高空现拼装工法，需要控制好构件安装定位及标高，将过程监控与理论分析相结合，实时调整吊装数据，确保各工序之间的衔接，确保施工期间的结构安全和安装质量。
来源：马建,叶闯,夏文才. 大悬臂钢结构无支撑高空现浇安装施工技术[J]. 钢结构（中英文）, 2021, 36(4): 26-31。
doi: 10.13206/j.gjgG20052501
