超高梭形柱和人字梁组安装精度控制技术创新

1　项目概况

首都博物馆东馆位于通州市民文化休闲组团的南侧、六环路与大运河交叉点东南侧，由主楼和序厅两个单体建筑组成，主楼与序厅混凝土结构距离为12~18m，主楼北半区设置6根梭形支撑柱及6组人字梁，为屋盖北半区的主要承重主构件，梭形柱与基础、屋盖均为铰接连接，最高标高58.000m，最大单根重量54t，梭形柱为双向斜柱，单根柱倾斜角度20?°~23?°，且除基础支座节点与屋盖人字梁销轴节点外，无侧向支撑。

2　工程特点分析

主楼与共享大厅钢屋盖投影相互重叠，主楼与共享大厅之间的吊装作业面仅为两栋建筑之 间的肥槽。如何在两栋建筑物之间近15m宽的肥槽上，安全、高效、经济地完成超大型构件的吊装成为项目研究的主要问题。梭形柱最大安装标高为58.000m，屋面弧形梁最大跨度38m，南侧梁最大悬挑9m，人字梁跨度38m，钢梁截面为H1000×500×20×45，截面很小，构件侧向刚度很小，吊装过程中极易变形，而且人字梁与梭形柱之间为销轴连接节点，精度要求高。

梭形柱为摇摆柱、屋面弧形梁、南侧悬挑梁，若不采取防变形控制措施，很难达到设计要求，且存在很大的安全、质量风险。正常的胎架支撑，没有预判变形量及防变形控制措施，不利于钢结构现场安装的安全、质量以及整体成形的控制。

此外，根据整体钢屋盖的受力特点，屋盖由北侧梭形柱人字梁，与既有结构相连，形成稳定体系。

梭形柱两端铰接，当人字梁完全焊接完成后，结构才能形成完整的传力体系，这就要求尽量减少梭形柱及人字梁构件高空安装时间及构件不稳定状态的 时间。

3　安装精度控制的具体措施

3.1　超高梭形柱吊装

因运输长度限制，梭形柱分多段加工、运输至施工现场，拟设置高低组合支撑，将散件拼装成2段，整体吊装，高空拼接。

对于梭形柱的吊装，运用midas Gen软件进行模拟分析，得到不同工况下位移和应力计算结果，见表1~表2。

表1　不同工况下竖向和水平位移

表2　不同工况下最大应力

由表1、表2结果可知，梭形柱在1.3D+1.5WX工况下最大水平位移为53.29mm，胎架在1.3D+1.5WX工况下最大水平位移为25.24mm，小于临时支撑设计限值。在1.3D+1.5WX工况下整体应力最大为136.01N/?mm ² ，小于Q345GJD和Q235B强度设计值，因此该吊装方案可行。

梭形柱临时支撑设置在肥槽回填土上，临时支撑基础采用300mm厚混凝土基础+路基箱的形式，保证基础不发生沉降。

临时支撑下部采用标准胎架，上面与梭形柱连接处采用现场焊接非标准胎架，上部设置调节梁与梭形柱焊接，下部与路基箱焊接。临时支撑施工拉设缆风绳，并设置拉结梁，与结构楼层形成稳定拉结。

梭形柱吊装过程中，吊点经精确模拟计算。以首都博物馆项目58m梭形柱为例，吊点位置下面钢丝绳与下端距离为9.6m，上面钢丝绳距上端6.1m；构件重心距下端16.8m，距上端13.2m；钢丝绳左侧两根长度20.8m，右侧两根长度11.5m。

第1节梭形柱吊装并焊接完成后，塔式起重机松勾，吊装第2节梭形柱，待第2节柱焊接完成后松勾。 

3.2　超高梭形柱支座安装

超大型倾斜钢柱柱脚固定球形支座与基础预埋件为焊接连接，基础为现浇混凝土，焊接过程中焊接物浓度对于混凝土的影响不可修复，对于梭形柱支座安装，若采用传统先安装埋件、浇筑混凝土，再焊接支座的顺序进行，通过现场试验发现该方式会对浇筑的混凝土造成破坏，产生裂纹，进而影响支座安装精度。球铰支座如图1所示。

图1　球铰支座示意

通过调整施工顺序，采用先安装埋件、焊接支座，再浇筑混凝土的顺序进行，可避免对支座混凝土产生破坏，由于支座安装精度要求高，安装过程中采用全站仪全程跟踪测量。支座在加工厂已预先锚固，人字梁安装完成前不允许打开锚定码板。

3.3　人字梁安装

人字梁组跨度由多根构件及销轴组成，人字梁组跨度大，整体重量大，与梭形柱通过销轴连接，与已安装框架钢柱采用栓焊结合连接，人字梁组整体由北向南倾斜，南高北低，南北标高差约5.000m。因此人字梁采用地面拼装，整体吊装的方式保证安装精度。

人字梁吊装步骤如下。

（1）在吊装区域附近设置拼装胎架，将人字梁区域构件地面拼装，完成栓、焊连接。

（2）拼装完成后，将水平安全网在地面挂设完成，避免高空操作。

（3）整体吊装。通过计算模拟重心位置，设计吊点位置，具体数据见表3。

表3　人字梁吊装参数

经过软件模拟，人字梁组吊装位移云图和应力云图如图2、图3所示。竖向最大位移为14.53mm，应力最大值为14.02MPa，均未超过相关规范值。

图2　人字梁组竖向位移云图

图3 人字梁组应力云图

3.4　人字梁与梭形柱节点安装

通过模拟软件对卸载过程进行分析，体系卸载位移云图如图4所示。通过计算分析得知，整体卸载完成后，竖向位移最大值为110mm，小于 L /250=144.276mm，满足规范要求；最大应力比为0.688，小于1.0，满足规范要求。

图4　体系卸载位移云图

根据结构受力特点，可根据理论坐标加工钢构件，卸载后任构件自由变形。为不改变屋面理论造型，保证玻璃屋面安装精度，且卸载后整体结构接近理论坐标，选择预起拱加工安装。

在人字梁吊装时，销轴预先穿入人字梁耳板，固定并焊接销轴顶穿措施。人字梁吊装就位后，销轴采用千斤顶安装就位。销轴安装完成后，焊接人字梁与既有结构节点。

钢梁焊接应在螺栓终拧后开始，同一根梁两端的对接焊缝应先焊一端，待其完全冷却后再焊接另一端，不允许同时施焊。

钢梁焊接过程中先焊接下翼缘，再焊接上翼缘。焊接引弧板长度不小于 3 倍焊缝厚度，其坡口角应与焊缝坡口一致。焊接工作结束后，待焊缝冷却后再割去引弧板，并留5~10mm，以避免损伤焊缝。

全截面焊接构件先对腹板进行焊接，后对翼缘焊接。焊接完成后，人字梁松勾。

履带式起重机松勾后，起重机后退至第2根梭形柱及人字梁吊装位置，采用同样方法吊装第2根梭形柱及人字梁。

4　结束语

该项目针对首都博物馆东馆主楼钢结构结构跨度和规模大、主要承重柱超高两端铰接、整体结构为空间曲面等技术特点，梭形柱分两段吊装，设计高低组合格构式临时支撑，避免因分段数量过多增加临时支撑及高空对接缝数量，增加整体误差，并且安装过程中预先锚固梭形柱底部支座，减少安装变形。

通过全过程施工仿真设计分析与施工等内容的安装精度控制技术，保证了工程质量和安全，取得了良好的社会效益和经济效益。