钢–混凝土组合空腹网格结构施工关键技术.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 22 期 2023 年 11 月Vol.54 No.22 Nov.20232704钢 混凝土组合空腹网格结构施工关键技术杨永洪，门贤君（中交一公局集团有限公司，101118，北京）摘要：在钢空腹梁施工时，为了解决吊装机械选择、吊装顺序、临时稳定等难题，在某工程施工中，基于 BIM 技术进行施工模拟，并结合检测等数据支撑，总结出成套技术措施，成功地解决了相关难题，可为类似工程施工提供参考。关键词：钢 混凝土；组合空腹网格结构；钢空腹量施工；BIM 技术中图分类号：TU 74 文献标志码：文章编号：1000-4726(2023)22-2704-04KEY CONSTRUCTION TECHNOLOGY FOR STEEL-CONCRETE COMPOSITE HOLLOW GRID STRUCTURE YANG Yong-hong,MEN Xian-jun(CCCC First Highway Engineering Group Co.,Ltd.,101118,Beijing,China)Abstract:In order to overcome difficulties in lifting machinery selection,hoisting sequence and temporary fixing in steel hollow beam construction,construction simulation was carried out for a project based on the BIM technology.In addition,a complete set of technical measures were summarized with test data and other data to successfully solve relevant problems.This provides a reference for construction of similar projects.Keywords:steel-concrete;composite hollow grid structure;hollow steel structure construction;BIM technology近年来，我国大跨度空间结构的技术水平得到了长足发展，作为大跨度承重楼板的结构体系主要有管桁架、空间钢桁架结构或预应力混凝土空间结构等。某大跨度钢结构工程楼板功能为运动场地，需承受较大的动荷载；钢结构的最大跨度 48 m，原设计钢桁架结构的主梁截面高度 3 m；截面尺寸大、标准化工厂制作率低、施工难度大、成本高；通过类似工程调研，项目引入贵州大学研究的“新型钢 混凝土组合空腹网格结构”体系，在贵州大学团队的理论支持下，由原设计院完善了结构设计，最终设计主梁截面高度由原来的 3 m 优化为 1.8 m，用钢量节约了20%，且能利用盒式空腹梁内部空间布置各种管线，节约层高。项目团队采用理论分析、数值模拟及现场测试等方式，对此种大跨度钢结构体系施工技术开展研究，并提出设计注意事项、施工方法、检验评价方法，为工程实施提供了科学依据与理论支撑。1 结构体系介绍新型钢 混凝土组合空腹网格结构是将装配整体式双层空腹梁形成空间网格，且与成品的钢筋桁架楼承板进行高度结合，可大幅降低现场作业工作量，提高预制装配率，机电管道均可利用空腹桁架中部空间敷设，此种楼盖结构由表层混凝土薄板和交叉的钢空腹梁组成。钢空腹梁的典型结构形式如图 1 所示，其基本构件由钢板焊制的 T 形上肋、下肋、双 H 形剪力键组成，上肋通过栓钉与表层的楼板混凝土连接。T 形梁上下肋运到现场，在弯矩最小处用高强螺栓连接形成整体，T 形梁的上肋、下肋各自组成“十字”单元，通过竖向的剪力键连接组成空间网格结构，网格形式有正交正放网格、正交斜放网格和斜交斜放网格等，具体可根据楼盖的平面尺寸对比选择，当长边尺寸与短边尺寸之比小于 1.5 时，宜采用正交正放 网格。2网格设计将空腹夹层板看作空腹梁交叉组成，上下肋、剪力键、外墙密柱和柱间层间梁均采用空间梁单元，表层混凝土采用薄壳单元。因下表层无混凝土板，刚度为下肋的等代平面刚度。上表层板的刚度取上肋刚度与混凝土薄板刚度的叠加，上肋刚度可取下肋刚度。根据马克俭院士研究团队的研究资料显示，跨中的竖向最大挠度与网格尺寸、夹层高度有关，如网格尺寸为 2.0 m 时，取夹层板高度为 0.9 m，跨中的竖向最大收稿日期：20230817作者简介：杨永洪(1984)，男，四川仪陇人，高级工程师，e-mail:.2023 年 11 月2705二次浇筑钢筋混凝土弯起钢筋与板筋核相链上肋 T 形钢上切 T 形钢钢管剪力键加劲板下肋 T 形钢下肋 T 形钢水平连接加劲板剪力键钢管（a）（b）图 1钢空腹梁的典型结构形式示意（a）钢空腹梁单元组成；（b）连接上下层钢梁的剪力键挠度较小。根据此结论进行有限元分析得知，挠度最大不到20 mm，远小于跨度允许的挠度范围。3吊装工艺分析3.1构件拆分在空腹梁在设计阶段，应用 Tekla 软件进行建模分析，对构件拆解、进行柱埋件与钢筋碰撞核查，提取加工尺寸图，指导构件加工制造。拆分后的典型节点如图 2 所示。拼接点剖口对焊剪力键方形钢管加劲板图 2拆分后的拼装节点设计示意3.2吊装模拟在空腹梁施工前，应用BIM技术建立结构模型，应用 SketchUP 模拟吊装顺序、辅助设备选型，使施工作法一目了然，精确指导现场施工。3.3吊装方案对比可选吊装方法包含高空散拼法、整体稳定单元吊装法、单跨吊装临时固定法。其中，散拼法不用借助大型吊装设备，即能保证安全、变形可控，但需要提前搭设整体脚手架作为拼装平台，工期长、措施费高。整体稳定单元吊装法，即在地面拼装为一个稳定空间体系的单元节段，一般为至少2跨梁拼装为整体，进行整个节段吊装；需要提前设置充足的拼装场地，借助大型吊装设备一次吊装，优点是自成稳定体系，吊装后不用临时固定，但吊装设备需用的吨位过大。经测算，需用 500 t 汽车式起重机，现场环境不满足拼装及此吨位汽车式起重机的布设。单跨吊装临时固定法，即单片整跨梁在地面拼装后一次吊装就位，可直接放置在两端支座上，中部不需另做临时支座，但需临时固定防倾覆、且需配置满足吊重的起重机，经测算需 260 t 汽车式起重机。经综合分析比选，最终确定选用此方法，不需大面积拼装场地、起重机吨位相对可接受、空中临时固定较易操作，现场条件能满足且能保证安全。3.4辅助安装用具研究为保障作业人员施工安全、提高安装作业效率，研发了钢结构盒式空腹梁安装配套的专用辅助用具，由盒式空腹梁安装用配套双层可移动式挂篮、配套便于安装及周转的螺栓调节紧固的生命绳安装杆、带扁钢挂钩及花篮螺栓的盒式空腹梁稳固用缆风绳 3 种工具组成。3.4.1配套双层可移动式挂篮采用角钢为主框架，设置有上下两层脚手板，为空间形式的盒式空腹梁安装提高上下两层操作平台，人员就位时通过爬梯上下，挂篮外侧用穿孔钢板网保证安全，形式如图 3 所示。施工安装时可通过挂篮滚动轮，由工人自行移动位置，移动时不再借助起重机，以节约起重机吊次。工字钢梁盒式空腹梁组片空腹梁组片图 3配套双层挂篮侧剖面、正立面示意杨永洪，等：钢 混凝土组合空腹网格结构施工关键技术建 筑 技 术第 54 卷第 22 期27063.4.2螺栓上下调节紧固的生命绳安装杆利用钢管、固定钢板卡等制作，采用扁钢拉片、固定螺栓等制作生命绳固定杆安装卡。通过调节固定螺栓的位置，实现活动钢板卡与下部的工字钢固定牢固，拧紧固定螺栓，即可将生命绳安装杆固定在工字钢上。筒瓦形垫板可避免钢管在滑动槽处受力变形。作业人员进出挂篮，需在工字钢顶部行走，工字钢顶部提前设置好生命绳安装杆，工人行走时将安全带挂在生命绳上，可保证安全。3.4.3缆风绳将缆风绳固定于相邻混凝土柱或剪力墙的预埋锚环上，防止构件产生弯扭，确保主桁架梁的侧向稳定。特制的带扁钢挂钩及花篮螺栓的盒式空腹梁稳固用配套缆风绳由钢板挂钩、钢丝绳、花篮螺栓组成，根据盒式空腹梁高度选择合适的钢丝绳长度。缆风绳通过花篮螺栓拉结在支座预埋锚环上，两个方向的缆风绳可实现跨度方向的盒式空腹梁单元组片的临时稳定，如图 4 所示。空腹梁组片空腹梁组片图 4空腹梁稳固用配套缆风绳钢结构盒式空腹梁安装辅助用具，为盒式空腹梁安装时的螺栓安装、焊接、涂抹等工序，可节约吊装及安装时间，有效提高钢结构盒式空腹梁安装效率及作业安全，制作方便、便于周转，保证了盒式空腹梁安装时的安全性，为后续在同类型钢结构施工中提供了安装工法和安装工艺资料，也为进一步推广新型钢结构空间网格体系的应用提供了实践经验。4吊装方法4.1空腹梁安装顺序按单跨吊装临时固定法，确定吊装顺序为：安装第一跨空腹梁（号主桁架梁）临时固定安装相邻的大跨空腹梁（号主桁架梁）临时固定搭设支架、安装无柱支撑的中部主桁架梁（号桁架主梁）安装两跨之间的横向连接梁（号横向次梁）安装无柱支撑的中部主桁架梁（号桁架主梁）安装两跨之间的横向连接梁（号横向次梁）、横向连接为一个整体后拆除临时固定及支撑，如图 5 所示。图 5单元吊装顺序示意4.2空腹梁安装顺序空腹梁根据构件大小和放置位置进行起重机选型，计划采用 120 t 和 260 t 起重机进行安装。260 t 起重机吊装主跨度方向梁，120 t 起重机吊装侧向连接梁。4.2.1主桁架安装（1）柱顶预埋支座复核。对标高和轴线进行复测，确保构件安装精度。（2）搭设预拼装架。拼装场地高差不得超过5 mm，并按设计要求预起拱。（3）构件吊装。拼装后的主桁架梁，自拼装场地起吊离胎架 1020 cm 距离，静置 10 min 后起吊，起吊高度控制在超过柱顶 5 m 左右，旋转吊臂，吊运至预定安装位置上空，缓慢降落至混凝土柱顶。4.2.2连系梁、次桁架、内部小梁固定（1）两主桁架之间的两端连系梁固定。先吊装跨度方向的一跨，再安装相邻一跨，然后安装两侧垂直方向的横向连接的连系梁，将两跨连接为一个整体。（2）次桁架安装时，采用挂笼将次桁架梁与连系梁对位、连接。待构件安装完成对高强螺栓进行终拧后，起重机方可松钩。（3）小梁安装。小梁位于主、次桁架梁之间，在履带式起重机对面一侧，配以 50 t 汽车式起重机进行小梁和局部小构件的安装。安装人员在安装位置两侧采用挂笼将小梁与主、次桁架梁进行对位、连接。5施工检测5.1过程变形监测每跨空腹梁均匀布设 3 个观测点，观测点位于中 2023 年 11 月2707部的空腹梁主次梁交点处，观测点采用徕卡反射片。5.1.1变形监测基准点布置（1）变形监测首级控制点，利用已布设在建筑周围的首级 GPS 施工控制点。（2）在各层上各个独立区，布设不少于 4 个控制点，组成有两个起算方向和导线点的闭合导线网，建立加密控制网。5.1.2加密水平位移监测基准网采用全站仪测设，水平位移监测基准网观测按照CH/T20072011 三四等导线测量规范 的要求实施。5.1.3全站仪坐标法测定观测点几何形变变形观测采用高精度全站仪，测站点设置在柱支座处、相邻小舰体的甲板上等位置，测试点至目标点的水平距离控制在 2040 m，安装前、后阶段，分别测量出各观测点的空间坐标，通过前后两次坐标值的对比，分别计算出各空腹梁的各观测点的坐标变化量，得出变形值。5.1.4结论空腹梁变形的实测值小于理论计算值，与预计的值相吻合。因为计算模型中，空腹梁的上肋刚度选用下肋等同、要小于实际桁架的刚度，且计算时假定承受的可变荷载较大。5.2舒适度检测5.2.1环境噪声引起的共振测试采用环境噪声监测仪器，通过在室外（建筑周边及屋面）模拟机械操作、广播等不同噪声的环境，对室内各个功能用房进行噪声监测。通过对数据分析整理，室内噪声未超过 45 dB，满足适宜生活环境要求。5.2.2人员行走引起的共振测试从不同部位的横向、竖向、斜向，分别安排人员行走，且涉及正常行走、跑步等不同频率，模拟建筑在人员使用时的振动激励，经测试，得出以下结论。（1）空腹夹层板的自振特性类似于实心平板，低阶振型主要表现为竖向振动。（2）楼盖加速度响应随行走路线与低阶振型中心距离的减小而增大，与行走方向有一定的关系，即斜向时因行走路线长，峰值加速度较大，但最终通过对检测数据的分析得出，整体楼盖自振频率较大，远大于人行走、跑步带来的频率，能够满足舒适度要求。6结束语新型钢 混凝土组合空腹网格结构将装配整体式双层空腹梁与成品的钢筋桁架楼承板进行了高度结合，形成的空间网格结构形式，整体受力合理，较常规桁架能大幅减少自身重量，空腹内部可安装管线，整体造型美观，结构本身具有较高的推广价值。空间网格的安装施工，通过合理的构件拆分、吊装顺序及机械选择、借助钢结构盒式空腹梁安装配套的专用辅助用具，能有效保证施工安装，提高安装效率。本项目的实施，证明新型钢结构空间网格体系的结构先进、大批量施工可行，总结出的施工方法可为其他类似工程施工提供参考。参考文献1 徐增茂,马克俭,郑晋阳,等.大跨正交正放钢空腹夹层板楼盖刚度分析 J.广西大学学报:自然科学版,2019,44(4):911919.2 刘建军,马克俭,魏艳辉.单跨多层大跨度钢网格盒式结构组合空腹楼盖舒适度分析与实测研究 J.建筑结构,2016,46(16):7982.3 刘卓群,肖建春,陈靖,等.钢 混凝土组合空腹夹层板关键部位力学特性分析 J.贵州大学学报:自然科学版,2015,32(3):119120.上海市积极推进智能建造与建筑工业化协同发展为提高上海市预制混凝土构件生产加工环节自动化、智能化水平，加强本市装配式建筑混凝土预制构件管理的实施意见（沪建建材 2022 430号）明确：在沪备案的混凝土预制构件生产企业在 2023年 12 月 31 日前需具备钢筋自动加工、混凝土自动浇筑能力，2025 年智能化生产线产能占比应达到30%以上。目前在上海市混凝土预制构件生产企业中已有应用的钢筋网片自动加工生产线，可将圆钢盘料自动加工后焊接成钢筋网片，并完成网片四周及窗口、门口胡子筋折弯的全自动生产，实现由标准格式的设计数据直接导入识别，自动化加工，纵筋间距可以无极调整，班产可达 260 片。智能布模机器人基于源头标准化设计理念，通过标准化构件设计和统一数据格式标准，将 BIM 模型自动生成标准格式的数据文档，对接工厂管理系统后，实现设计与生产端数据互联互通和生产指令自动下发。采用通用组合模具，实现出筋预制叠合楼板模具通用化，布模自动化，极大程度地减少用工，生产节拍缩短至7min，人均产能提高 3 倍。通过施工现场的智能设备应用解放生产力。上海市部分智能建造试点项目通过加强智能建造及建筑工业化应用场景建设，推动科技成果转化示范应用。随着智能化生产线、建筑机器人应用场景不断丰富，凭借科技赋能的优势，智能建造未来的发展空间不可小觑。(内容来源：上海市住房和城乡建设管理委员会)杨永洪，等：钢 混凝土组合空腹网格结构施工关键技术