超高层异形钢结构屋面施工技术

高芳照

摘要: 异形钢结构屋面在超高层建筑上是比较常见的建筑形式，突显出其独特的造型，但也给施工带来了一定的难度，本文根据工程案例，对层异形钢结构屋面的方案及钢构件等方面的施工进行论述，供同行借鉴参考。

关键词:钢结构   屋面 双曲面 安装 卸载 拆除

   一、工程概况

某超高层综合楼占地9000 m2，地下四层，地上44层，最上层为钢结构，总高度219.4m，标准层层高为4.3m，结构体系为混凝土核心筒+钢结构框架形式。屋顶钢结构自39楼（高度168.100m）起到屋顶顶端的最高点（高度219.400m），整体屋顶结构以结构中心线为对称轴线在东西方方向对称，结构造型呈钻石形，39层以上部分为空中花园由下往上呈台阶状（参见图1）。

         
图1屋面结构示意

 屋顶钢结构从168.100m开始有3根主弦延伸到结构顶部，并与从194.500米高度（44层）的主弦杆交叉构成屋顶结构的外立面，主弦直径为508mmx10mm；三根柱子中间有10组20个人字型构件，以结构中轴线为中心，左右对称，最小部分高度是2~5m，最大部分高度是18m，最大的重量是20t；在其两侧，一个直径为2m×2m×8m的三角形支架和 Z型支架，从两侧的钢管柱子顶端开始，到中心处合拢，都是管桁架结构，主要尺寸有351mm×8mm、245mm×16mm等；后表面结构为八边形，底部连接44层结构层，主要规格为299mm×12mm；主梁间的拉杆由250mmx150mm的方形钢管组成；在人字型桁架的内侧两个支柱和后侧的构造中加入了拉索，与外侧的钢管形成了一种有形有质的建筑效果。

    二、施工方案

    （一）总体安排

屋顶钢结构的结构形式、塔吊的特性和安装场地的施工情况，采取高空散装的方式一般是：在结构39-46层的地面上，按照屋顶结构的形式布置格构式胎架，并在各部件对界面的对应位置上设有临时支架作为部件的支撑点支撑点。所有的部件进入现场后，都在空中进行拼装和对接。

按“从下往上，从两边到中间”的安装次序，按“从下到上，从两边到中间”的安装顺序，分别是：三角形桁架→侧面Z型支承结构→主管→人字型结构（参见图2）。拉杆和后部结构的主杆、拉杆、拉索在两侧结构安装完毕后进行。

                

图2 屋面钢结构吊装顺序

（二）构件分段

根据施工场地的机械操作能力和加工运输条件的制约，屋顶构件按以下方式进行分段：

1)将3个大约60米长的主管分成4个部分进行处理；

2)+168.100m的立柱与主管节点，屋面与斜撑节点的连接节点全部出厂；

3)在每侧边大约60米的三角形桁架分成4个区段，从+168米到100米的第一个区段是12米，其余的都被分成三个区段，后面的桁架被分成两个区段；

4)最小的三个人字型部件从中间分成两个部分，其余的把两个腿分开

一共有三个部件。

5)整个 Z型支承结构出厂,其它部件都是零配件，可以直接从工厂生产。

三、胎架施工

  （一）胎架布置

   屋顶总重800t左右，支撑点49个，支撑点采用格子型胎架，主腿采用90×8mm，缀条采用Q235B型，采用Q235B型，采用1m×1m×6m的标准，立柱采用1m×10m×10m，缀条采用6×8mm，缀条间距1m。胎座的承载力在表1中显示。

          表1胎架承载力计算

  

（二）胎架荷载及验算

  胎架载荷和验算胎架所受的载荷主要有4个方面：上部结构的承载力、上部结构所受的风荷载、胎架所受的风荷载；

   胎架试验计算中，最不利的三种工况为：最大垂直载荷工况、最大胎架高度工况和最大弯矩工况。在进行计算时，胎座变成了悬臂梁式框架，其底部是固定的，顶端是自由的。由于该格构式胎架没有强轴和弱轴之分，所以在受力面上的作用是最大的。当一端固定一端为自由的悬臂柱在承受下弯矩和侧向风荷载的情况下，使结构发生逆向弯曲，这时，检验参数等效弯矩系数取βmx＝0∙85；吊杆式结构的长度系数用2.0表示，轮胎式结构的欧拉临界力是 N′mx＝π2EA/（1∙1λ2ox）＝196377∙84kN；胎架结构的横截面弯曲刚度是：W1x＝Ix/y1＝3.29×106mm3。

   1.最大竖向荷载位置胎架验算

在最大垂直载荷的部位，钢梁高20米左右，承载了中梁、弧线管和星型结构的重量，其中上部垂直载荷为158kN，自重为30kN，胎架的底板重188kN。车顶的横向承载力为11.69kN，车架自身的风荷载为0.25KN/m，而胎架的下部总扭矩为283.4kN·m,总剪力为16.69kN。

格构型胎架承载垂直载荷和弯矩，根据压弯构件的验算格构式胎架在平面上的整体稳定性，可以得到最大应力值115.0N/mm2＜f满足设计要求。

采用支腿作为轴向加载的构件，其断面未发生减小而无需进行强度分析，只需要进行支腿的稳定性分析。用最大的分肢处的应力值来确定133.5N/mm

2＜f满足设计要求。

   2.格构式胎架高度、弯矩最大位置胎架验算

格子胎架的最大高度，也是最大的支撑点。胎架高约29米，在这里承载着中部和R3、R4、R5的分布，上部承载61kN，自重40kN，胎架底部总重101kN，顶部承载12﹒60kN，桁架自身的风荷载0.25kN/m，胎架底部总弯矩357.1kN·m，并总剪力16.35kN。

格构型胎架承载垂直载荷和弯矩的最大应力值是由压弯构件验算的格构式胎架在平面上的整体稳定性，其最大值160.0N/mm2＜f满足设计要求。对分肢稳定计算可得最大应力值为144∙6N/mm2＜f满足设计要求。因此位置胎座最高，故经计算，其顶板横向位移为550毫米，且位移大时需用绳索将其紧固。

（三）格构式胎架制作

 格构型的胎架使用了└90x10，尾条使用了└63x8，框架柱末端的所有饰条都是Q235B，所有的材料都是Q235B，尺寸是1000mm*1000mm*6000mm，在两个标准节段之间使用16个M20的螺栓孔直径22mm。

（四）胎架安装

由于地面设计承载力只有5kN/m2，而楼板厚度只有120毫米，因此为了保证胎架的荷载不会对地面产生直接的影响，从而保证了楼板的安全。胎架安装在地面的两个钢梁上，胎架直接安装在新的钢梁上，这样就可以将荷载通过新的钢梁转移到楼面的钢梁上，而不是整个楼面的钢梁。新增加的钢梁I22a标准，采用格构型的胎架和工字钢进行焊接。新增加的钢梁见图3。

                

                        图3胎架底部支撑点

（五）过程控制

由于格构胎架的长度为1000mm×1000mm，柱高14~24 m，特别是在胎架的垂直度和标高的控制方面，应采取下列措施。

1）在水泥强度满足规定前，支撑胎架可进行安装。

2)胎座定位时采用全站仪测量地面轴线，并确定各胎座的实际位置以确保其安装精度。

3)在地面装配胎架时，采用多个支承点，对胎架的平直进行控制，并可随时进行调整。胎架安装完成后，对胎架进行垂直度检测，如有问题，应立即进行调整。

4)胎座高度可由全站仪按已知的控制点引导到胎架的底端，并按管桁架的设计标高来决定胎架的高度。由于胎架具有弹性变形和卸载后的房屋标高下降，所以对胎架的顶面标高必须比支撑点屋架的设计标高30mm以上。

5)支架必须稳定可靠，同时对胎架的垂直度、轴线偏移、顶点标高进行控制，以确保其顶面标高符合设计、规范的规定，避免出现大的偏差，从而影响到结构的力学性能和工程质量。安装后的胎架必须严格按GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》进行检验和验收。

（六）楼面加固

在支撑点处，单根立杆的最大载荷为8KN，而地面设计荷载为5KN/m2，所以对受胎架荷载影响的楼面钢梁进行加固。具体的加固方式是：在钢梁的基部增设垂直支撑，将荷载转移到钢柱或芯筒以保证其安全。

   四、屋面安装

屋顶安装主要由前管桁架、人字形构件、屋顶结构三大部分组成，其中ST70/27塔式起重机的塔臂长度50m，其特点如下:

（一）正面管桁架的安装

屋顶两侧桁架和支撑构件由两侧向中间、由下向上排列，即由外向内依次装配三角形桁架、 Z形支撑屋顶、人字桁架等，最终由39层(＋168.100m）开始向顶部（+219.400m）安装。

表2  ST70/27型塔吊性能（50m.臂长）

主要的屋顶构造由3个主管规格分别为φ508mmX10mm。在安装时，每个主管按15米的长度进行分段安装，总共4节，单根重量约2.8t。安装时，3个主管在39楼（+168.100m）同时安装，并在同一轴上。在安装时，通过在支架上设置临时支架，标高控制部件的安装精度。

根据吊车的载重情况，屋顶两侧的三角桁架分段工厂从下往上分为四个阶段，第一阶段的长度是12米，单重大约5.7t，其他的部分被分成3个阶段，每个阶段的重量大约7.2t。采用塔吊整体吊装，在高空进行对接。在安装过程中，要对下一节桁架的安装进行严格的控制。

两边的主管在水平方向上与支承桁架重合，所以在安装主管时，它的支承支架先置于支承桁架的底部，然后再架设一个龙门支架，用作主管的支承结构。

    （二）人字形构件的安装

 人字型结构的最小重量是5.0t，最大的重量是20.0t，最大的重量是3.0m。按照起重机的吊装能力和加工运输能力，采用分段加工、运输、安装方式，在高空安装。具体的分段方式：6个最小的人字型部件从中部分成两个部分，剩下的14个部件把人字型部件从两条腿上切掉，剩下的是一段，分成3段。在出厂之前，先在工厂内进行预制装配，然后将其组装好，然后再运输到工地。图4中显示了人字型部件的分段。

图4  人字形构件分段示意

在屋顶两侧结构和连接人字型构件的主管安装完毕后，再进行人字型构件的安装。在安装时，将人字型部件与主管交会处的位置标注出来，并将其位置和高度调整到与设计高度相符。同时，在人字型结构的底部标注出支撑点的位置，由塔机将其直接安装到合适的位置，再用全站仪对部件进行定位和定位，确定是否准确，再进行临时固定（见图5）。

   

图5  现场安装

   （三）背部结构的安装

后部星型结构的中央是一个环形的节点，其各角从中间向外延伸，与结构主管交叉。该构件的最大单重为1.10t，在装配过程中，首先将星型结构的中央部件暂时固定在支架上，然后将其他部件与中央结构及主管机构进行联接。在拆除主塔吊之前，先将三个星型结构的上端节点进行安装，拆掉塔吊后再用屋顶起重机进行安装。

   五、塔吊的拆除

由于ST70/27型塔吊在屋顶背面的星型结构中，在所有的屋顶结构都安装完毕之前，都要将其拆除。同时，为了节省施工时间和效率，在拆除塔式起重机之前。采用起重机尽量多地安装屋顶结构。采用屋顶起重机进行塔式起重机的吊装，其布置应考虑如下因素：①屋顶起重机的位置对其安装的影响最小；②受影响构件尺寸小、数量少、易于手工直接安装；③可以使用屋顶起重机来完成其余的部件的安装。

按照上述的设计，在建筑物中安装屋顶起重机在第44楼，在轴线17至21轴线间，在该部位设置1个WQ10屋顶起重机。在轴向南侧屋顶起重机的支承部位，不能使用起重机进行吊装，其尺寸一般为φ299mm×12mm、φ203mm×12mm等，最大可达0.8t左右，可采用手工方式直接进行装配；剩余的部分，在主塔起重机拆下后，可以使用屋顶起重机进行直接的装配。屋顶起重机的工作特性见下图3。

表3  WQ10型屋面吊性能（24m 臂长）

采用小型屋顶起重机WQ2进行屋顶起重机WQ2的拆除，最后采用人工拆除WQ2。在塔吊拆除之前，屋顶起重机的布置和顶棚的安装状况见图6。

图6  主塔吊拆除前屋面平面

   六、结束语

   该项目在整个工程施工过程中，克服了风大、气温等对高空作业的不利影响，对各主要构件进行了严格的设计，采用全站仪定位装置，较好地解决了其落差大、定位困难等问题。

参考文献：

[1]陆德高,刘亘,张萍,黄上.高层建筑屋面异形构架钢结构施工技术.建筑理论,2021-11.

[2]吕良贺忠媛.超高层异形钢结构屋面施工技术.建筑技术科学,2016-06.

[13]罗臻臻.浅谈高层建筑钢结构屋面施工技术.建筑设计及理论,2017-11.

作者简介：

高芳照（1985年2月），男，汉族：学历：本科， 籍贯：海南乐东，结构工程中级职称，研究方向：建筑工程。