H型钢多层悬挑大跨度钢结构综合施工技术

[摘要]结合北京大学微电子大厦工程，介绍与悬挑大跨度钢结构施工相关的钢结构加工、临时支撑、悬挑钢结构安装、悬挑钢结构卸载、悬挑结构部分混凝土楼板浇筑等相关的综合施工技术。

[关键词]钢结构；H型钢；多层悬挑大跨度；综合施工技术

中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：

北京大学微电子大厦工程总建筑面积 16922.7，地下二层，地上主体部位五层，悬挑部位四层，建筑高度18m；地下为钢筋混凝土劲性结构，地上为纯钢结构，总用钢量约1800吨，建成后将作为教学楼及科研楼所使用。

本工程主要采用箱型柱（BOX柱）和十字柱两种形式，楼层钢梁主要为H型钢梁，楼面采用YXB65-170-510压型钢板组合楼盖。

地上钢结构在标高3.5m 、①～轴处外挑7.8m，共悬挑四层，悬挑部位平面及剖面如图1～2所示。

注：阴影部分为屋面悬挑部分

图1 悬挑部分平面示意

Fig.1 Plane diagram of cantilever part

图2 悬挑部分剖面示意

Fig.2 Sectional drawing of cantilever part

工程难点

本工程难点如下：①悬挑部位H型钢钢结构构件多，悬挑宽度达7.8m，吊装和高空组拼施工难度大；②悬挑部位H型钢钢结构位于基坑肥槽内，临时支撑的有效设置要求高，安全风险大；③为保证施工安全和施工质量，钢结构组拼顺序和混凝土楼板浇筑顺序复杂；④为保证结构安全，悬挑部位结构沉降预控和沉降观测要求严。

总体施工顺序

钢结构加工非悬挑主体钢结构安装悬挑钢结构临时支撑安装悬挑钢结构外边柱安装悬挑钢结构梁安装悬挑钢结构梁间支撑安装压型钢板安装临时支撑卸荷压型钢板钢筋混凝土叠合层浇筑防火涂料喷涂

悬挑部位钢结构深化设计及加工

以减少钢结构构件数量，方便吊装、方便组拼为目的，依据现场吊装设备最大吊重，将四层钢结构悬挑外边柱设计为带牛腿整柱，其余梁按照图纸要求深化设计。

从号料、划线、切割、坡口加工、制孔、定位焊、焊接、涂装等方面严格控制确保加工质量，对拼板、下料、组立、自动埋弧焊、矫正、柱梁组装、H型钢梁连接板装配、制孔加工精度控制、边缘加工等施工工艺严格要求确保加工精度。

临时支撑的支设与拆除

4.1支撑体系基座选择

悬挑结构位于肥槽正上方，在肥槽没有回填前，由于没有有效平整场地，临时支撑不能设置在肥槽内；在回填土完成后，上部结构传导重力较大，沉降周期内新回填土在压力作用下还会发生沉降，承载力不能满足要求，所以临时支撑不能设在新回填土上，最后结合场地情况，选择利用地下室窗井钢筋混凝土外墙作为临时支撑基座。

4.2支撑体系设计

根据深化图纸及结构受力分析，在每个悬挑结构外边柱下部设临时钢支撑一个，共设置6个，钢支撑设置平面图见附图3。

图3支撑体系设置平面图

Fig.3 Plane diagram of the installation of brace

每个临时支撑体系选用HW300×300×10×15钢柱作为主支撑，根部使用6M20化学锚栓与钢筋混凝土墙锚固；为了防止临时支撑左右摆动失稳，在临时支撑两侧增设附加支撑，采用［16槽钢，两端分别与钢柱顶板及预埋板焊牢，夹角为60度，根部使用4M20化学锚栓与钢筋混凝土墙锚固，临时支撑结构形式见附图4。

由于上部悬挑钢柱与地面混凝土结构墙不在一条轴线上，存在一定的偏心距。上部悬挑结构由于自身重力，对下部临时支撑钢柱根部产生很大的重力偏心弯矩，而钢柱根部不能抵抗弯矩，因此在临时支撑顶部设φ30圆钢拉结一道，与相邻非悬挑结构柱连接钢板采用双面贴角搭接满焊焊缝，搭接长度不小于100mm，具体形式及安装位置见附图5。

图4临时支撑体系结构图

Fig.4 Structural drawing of interim brace

图5临时支撑体系设置剖面图

Fig.5 Sectional drawing of the installation of interim brace

4.3支撑体系受力分析及计算

4.3.1临时支撑受力分析图

临时支撑上部传递荷载按照最大支撑面积范围内钢结构自重、压型钢板重量、钢筋混凝土叠合楼板重量及施工荷载综合计算为300KN，具体临时支撑受力分析见附图6。

图6 临时支撑受力分析图

Fig.6 Force analysis of interim brace

4.3.2钢柱强度受力计算

HW300×300×10×15型钢柱所受的内力为314.4kN，截面面积为12040mm2 ，型钢受压强度：314.4kN/12040mm2＝26.1 N/mm2＜215 N/ mm2，强度满足设计值。

4.3.3临时支撑柱脚受力计算

每个M20化学锚栓所受的剪力为102.8/6＝17.13kN，截面面积为314.2mm2，化学锚栓受剪强度：17.13kN/314.2mm2＝54.5N/mm2＜120N/mm2，强度满足设计值。

钢柱柱脚与混凝土接触面的剪力为102.8kN，而钢板与混凝土之间也存在着摩擦力，此摩擦力的大小受压力、摩擦系数的影响。钢与混凝土摩擦系数：潮湿为0.3，干燥为0.45，最大静摩擦力＝297.1kN×0.45＝133.7kN，完全可以抵抗剪力，钢柱柱脚不会发生滑移。

4.3.4悬挑支撑拉接圆钢受力计算

φ30圆钢所受的内力为102.8kN，截面面积为706.9mm2 ，圆钢受拉强度：102.8kN/706.9mm2＝145.4 N/ mm2＜205 N/ mm2，强度满足设计值。

由于上部钢结构与下部支撑结构的接触面为钢板接触面，所以此处属未处理的钢板接触面，抗滑移系数为0.3，此时临时支撑在受力后会发生变形，产生向外滑移的力，而摩擦力可抵消一部分水平向外的力。实际上φ30圆钢受力的很小的，变形量也随之减小。

4.3.5焊缝计算

柱脚与柱顶的焊缝为坡口熔透焊，受到剪力和压力共同作用。

σ＝297.1kN/12000 mm2＝24.76 N/ mm2

τ＝102.8kN/12000 mm2＝8.57 N/ mm2

4.4支撑体系安装

支撑体系安装顺序：H300×300×10×15型钢柱主支撑柱［16槽钢附加支撑φ30拉结圆钢钢垫板

由于悬挑结构受力后，会产生一定挠度。为改善外观和使用条件，减小挠度，可将结构预先起拱。预起拱值为跨度的2/1000，本悬挑结构为独臂悬挑，预起拱值＝悬挑长度×2×2/1000＝30mm。

在临时支撑安装过程中，严格观测临时支撑顶部标高，及时调整垫板厚度，保证结构预起拱同步。

派专职测量员每天分早、中、晚观测临时支撑沉降情况，根据沉降值分析结构在变形后受力状况，及时增设附加支撑。

4.5支撑体系拆除

悬挑钢桁架体系拼装完成且验收完毕后拆除临时支撑，使悬挑钢结构由临时支撑状态平稳过渡到设计状态。

4.5.1临时支撑拆除原则

遵循“变形协调，卸载均衡”的原则。

4.5.2临时支撑拆除的方法

在每个临时支撑旁边设置千斤顶支撑点，共计设6个可调节支撑点，采用30吨千斤顶卸载。支撑千斤顶的支架做法：采用方管300×300做支撑钢柱，柱底支撑钢垫板采用 25×1300×1800，钢垫板底铺100mm方木当垫木。千斤顶与钢结构之间放置25mm钢垫板。具体临时支撑点卸荷支撑安装方式见附图7。

可调节支撑点千斤顶回顶悬挑钢结构高于临时支撑垫板5mm后，用气焊切割拆除临时支撑，随后采用分阶段的方式按比例下调支撑点千斤顶，每步下降高度为10mm，分三步进行。千斤顶每次下降时间间隔应大于10min，确保各杆件之间内力重分布。

4.5.3临时支撑的拆除顺序和措施

通过放置在支架上的千斤顶，多次循环微量下降实现“荷载平衡转移，卸载的顺序由中间向四周，中心对称进行”。

4.5.4卸载观测

在卸载过程中，设置测量控制点，在卸载全过程中进行观测。

图7 临时支撑点卸载支撑安装示意图

Fig.7 Schema of unloading brace at the interim brace points

钢结构安装

在临时支撑安装完毕后，用一台塔吊把1轴悬挑钢柱安装就位，然后用一台汽车吊分别把一、二、三层悬挑钢梁安装就位，与主钢柱连接成为整体，再安装桁架支撑，在悬挑钢柱的左右两侧用缆风绳拉住，防止左右摆动。按此顺序安装3轴悬挑结构，两个轴线悬挑结构安装完毕后，再安装两轴线间纵向钢梁，使之构成一个稳定安装单元。按以上顺序依次安装下一个轴线悬挑结构。

楼板混凝土浇筑

6.1悬挑钢结构部位顶板混凝土叠合层浇筑判定

当E轴箱型柱（BOX柱）内浇筑混凝土强度达到100%后，浇筑悬挑顶板压型钢板上混凝土叠合层。

6.2混凝土浇筑顺序

6.2.1总体浇筑顺序

为使悬挑钢结构按照设计受力体系完成荷载增加，悬挑部位顶板混凝土按照以下顺序进行浇筑：

2层顶板3层顶板5层顶板 (屋面)1层顶板4层顶板。

6.2.2每层施工顺序

必须由内侧向悬挑尽端逐步平行推进的顺序进行混凝土浇筑，即由E轴开始向F轴浇筑混凝土；

6.3其它要求

在浇筑过程中，由项目部测量人员及时跟踪检测钢结构的变化情况，每层浇筑完毕后经项目技术负责人员与结构设计师确认钢结构变化符合要求后，方可进行下一层混凝土的浇筑。

各阶段测量观测

7.1观测点设置

悬挑端沉降变形观测点设置：全悬挑段共设置6个观测点，分别位于1/F、3/F、5/F、7/F、9/F、11/F轴钢结构梁底中线与临时支撑垫板相邻位置。

7.2各观测阶段及沉降观测数据

表1悬挑钢结构卸荷后各阶段沉降观测数据

Table 1Staged subsidence observation data after unloading of cantilevered steel structure

结语

本工程H型钢多层悬挑大跨度钢结构施工，由于设计合理、措施有效、施工得当，悬挑部位混凝土浇筑完成后的最大下沉挠度为15mm，小于设计理论计算要求的30mm。

此综合施工技术，有效利用了周边环境，采用可靠的临时支撑方式，合理的安装顺序和施工方法，有效的解决了H型钢多层悬挑大跨度钢结构的安装，且有效的保证了设计要求和工程质量。

[作者简介] 郭建安，男，一级建造师，工程师。2001年毕业于长安大学建筑工程专业 ，现就职于北京城建五建设工程有限公司。