一种屋盖钢结构梭形柱及其施工方法
阅读说明：本技术 一种屋盖钢结构梭形柱及其施工方法 (Shuttle-shaped column of roof steel structure and construction method thereof ) 是由 彭志勇 罗岗 贾成亮 张明 卢海丰 陈路 刘云飞 谢会雪 王罡 张伟 刘时新 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：一种屋盖钢结构梭形柱及其施工方法,梭形柱两端铰接,当钢梁完全焊接完成后,结构形成完整传力体系。本发明通过对大型履带吊配置、胎架基础设计、支座锁定设计及安装顺序设计,实现超高梭形柱设置两根胎架、分两段吊装即保证梭形柱顺利就位,采用大型履带吊即可安装就位,约四个小时即可安装完成。(A shuttle-shaped column of roof steel structure and its construction method features that two ends of the shuttle-shaped column are hinged together, and when the steel beam is welded completely, the structure forms a complete force-transferring system. According to the invention, through configuration of the large crawler crane, design of the jig frame foundation, design of the support locking and design of the installation sequence, the ultrahigh shuttle-shaped column is provided with two jig frames, and is hoisted in two sections, so that the shuttle-shaped column is ensured to be smoothly in place, the large crawler crane can be installed in place, and the installation can be completed in about four hours.)
技术领域
本发明属于钢结构屋盖领域，特别是一种钢结构屋盖梭形柱及其施工方法。
背景技术
随着社会的不断发展，各种建筑造型新颖，大跨度、超高度钢结构越来越广泛的使用，且我国建筑用地紧张，施工过程可利用空间有限、建筑群体相邻建筑物很近，给大型钢构件吊装带来极大难度。
屋盖钢结构梭形柱中的安装单元中包括梭形柱的安装时，梭形柱多为设置多节支撑架或满堂脚手架进行分段吊装，而钢梁多采用临时支撑分段吊装，操作难度大，工期长。
同时梭形柱为超高构件设计时，如安装垂直度偏差超过5mm，与使得其连接的钢梁节点就无法安装就位，同时若将钢柱分段进行胎架支撑落置在肥槽回填土上，对接角度难以控制，一旦钢柱具有倾斜角度，其安装定位难度更加明显。
根据整体钢屋盖的受力特点，梭形柱两端铰接，当钢梁完全焊接完成后，结构才能形成完整传力体系，要求梭形柱尽量减少高空安装时间，尽量减少构件不稳定状态的时间。因此亟需一种针对在回填土上安装屋盖钢结构梭形柱的方法，实现两者在高空中的高精度吊装就位以及两者在高空的销轴连接的施工方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种屋盖钢结构梭形柱及其施工方法，要解决现有屋盖钢结构梭形柱中包括梭形柱时采用多节临时支撑架、满堂脚手架的分段吊装存操作难度大，工期长的技术问题，同时在肥槽回填土上进行吊装，对接角度难以控制，安装定位难度更加明显的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
屋盖钢结构梭形柱是立于既有结构一侧的一排与地面铰接的双向倾斜的梭形柱，所述梭形柱分为上下两段，分别为柱上段和柱下段，所述柱下段的直径由下至上逐渐变大，所述柱上段的直径由下至上逐渐变小，
施工步骤如下：
步骤一，施工既有结构；
步骤二，收集梭形柱施工前的准备材料；
步骤三，测量放线：根据设计图纸和坐标基准点，精确计算出梭型柱支座坐标；然后在设计位置浇筑并施工梭形柱支座；
步骤四，素土夯实和场地回填层及路面处理：
设计与梭形柱连接的钢梁所覆盖的投影带为供履带吊行走的起吊路面范围，所述起吊路面包括底部的素土夯实和场地回填层，该部分按照回填方案分层碾压，还包括在起吊路面的上侧满的铺路基箱。
步骤五，拼装履带吊并立于起吊路面上；
步骤六，制作梭形柱并安装梭形柱底座：
在工厂预制加工钢筋混凝土的梭形柱，混凝土浇筑完成并拆模养护至强度后，在梭形柱的底部焊接梭形柱底座；底座在工厂预先锁定，在与梭形柱连接的钢梁安装完成前，不允许打开底座铰接锁定板，最后将其运至施工现场；
步骤七，根据梭形柱的指标设计并计算梭形柱临时支撑结构，在起吊路面范围内，梭形柱支座旁边施工梭形柱临时支撑结构，在梭形柱临时支撑结构的安装位置下方、素土夯实和素土夯实和场地回填层上施工有混凝土加强层，梭形柱临时支撑结构的底部与路基箱焊接；
所述梭形柱临时支撑结构为高低支撑组合，包括低支撑和高支撑，所述低支撑靠近既有结构，所述低支撑位于梭形柱支座的前侧，所述低支撑的高度小于柱下段的高度，所述高支撑位于低支撑的前侧，所述低支撑的顶部设有低支撑调节梁，高支撑的顶部设有高支撑调节梁，所述低支撑的顶部与既有结构之间设有结构拉接梁，所述低支撑与高支撑之间设有支撑拉接梁，所述梭形柱临时支撑结构与地面之间设有缆风绳；
步骤八，施工梭形柱：
履带吊行走至梭形柱支座附近，然后对柱下段采用钢丝绳和手动葫芦进行吊装，钢丝绳为主绳，手动葫芦为辅绳调整角度，起吊到位后将柱下段底部的梭形柱底座与梭形柱支座进行焊接，然后将柱下段的上部与低支撑调节梁焊接，最后履带吊松钩；
步骤九，履带吊行走至梭形柱支座附近，然后对柱上段采用钢丝绳和手动葫芦进行吊装，钢丝绳为主绳，手动葫芦为辅绳调整角度，起吊到位后将柱上段的底部与柱下段的顶部固定连接使得梭形柱连成一体，然后将柱上段的中上部与高支撑调节梁焊接，最后履带吊松钩；
步骤十，与梭形柱连接的钢梁吊装完成后，履带吊松钩前，解除底座铰接锁定板。
所述素土夯实和场地回填层采用2:8灰土回填，压实系数为0.93，采用小压路机静压3次以上压实。
所述高支撑与低支撑均为钢格构柱，所述低支撑与高支撑之间的支撑拉接梁共设有三道，包括拉接低支撑顶部与高支撑中部的钢格构梁，还包括拉接低支撑调节梁与高支撑之间的梁柱拉接梁，还包括拉接低支撑调节梁中部与高支撑下部的柱间拉接梁。
所述缆风绳包括拉接低支撑中部与地面以及高支撑中部与地面的柱地缆风绳，还包括拉接钢格构梁与钢格构柱连接位置与地面之间的节点缆风绳，还包括拉接高支撑的顶部与既有结构之间的柱顶缆风绳。
所述低支撑调节梁与高支撑调节梁的结构相同，包括水平矩形底框、竖向支撑柱、斜撑杆、支撑中板和一组刀板。
所述水平矩形底框固定连接在低支撑调节梁与高支撑调节梁的顶部，所述竖向支撑柱共有两根，分别固定连接在水平矩形底框的纵向两根框架的中部，所述斜撑杆共设有三对，其中两对分别设置在竖向支撑柱的上部与水平矩形底框的横向两根框架之间，所述支撑中板的横向两端分别固定连接在两根竖向支撑柱之间，剩余一对斜撑杆设置在支撑中板的底部与横向两根框架的中部之间，梭形柱的底部上预埋有与刀板焊接的预埋件，该组刀板沿横向间隔设置，刀板朝向梭形柱的一侧均为与梭形柱相应连接位置倾斜角度相适应的斜边。
所述步骤十二，卸载梭形柱临时支撑结构；将刀板采用割除方式，根据支撑位置的卸载位移量控制每次割除的高度，使结构均匀缓慢沉降，保证结构不出现沉降突变和异向变形，每次切割留结构充分变形及观测时间，直至完成某一步的割除后结构不再产生向下的位移后整体拆除支撑，卸载完成后继续观测，确保结构安全无多余变形，然后将梭形柱临时支撑结构采用吊机起吊拆除。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：
本发明梭形柱两端铰接，要求梭形柱构件尽量减少高空安装时间，尽量减少构件不稳定状态的时间。因此超高梭形柱存在无可参照技术的吊装问题，其最高梭形柱标高可达58m，梭形柱下段为球铰支座节点并且双向倾斜，倾斜角度为20-23度，梭形柱与既有结构之间无联系梁，安装时需分段安装难度较大，根据钢结构施工质量验收规范，单根钢柱安装允许偏差为H/1000且不大于25mm，经过模拟分析，梭形柱如安装垂直度偏差超过5mm，钢梁就无法安装就位。
本发明通过对大型履带吊配置、胎架基础设计、支座锁定设计及安装顺序设计，实现超高梭形柱设置两根胎架、分两段吊装即保证梭形柱顺利就位。
本发明使用大型履带吊，增大构件分段重量，减少高空对接，对吊机作业区域采取铺设路基箱的方式加固地基，临时支撑在回填土或其他软弱地基上时，对临时支撑基础采用混凝土基础加路基箱组合的方式，安装过程中基础不发生沉降，有效保证了梭形柱安装精度有效解决了大型履带在回填土路面作业路基软弱的问题。
本发明梭形柱分两段吊装，设计高低组合格构式临时支撑，并且安装过程中将梭形柱底部支座预先锁定，减少安装变形；避免因分段分段数量过多又会增加临时支撑及高空对接缝数量，增加整体误差对不稳定梭形柱采用临时支撑加固，并减少对接分段。
本发明通过与传统钢屋盖施工质量、人员设备及材料投入情况、工期等方面的比较，证明了采用该技术能够明显地提高工程质量、降低人工费用、缩短施工工期，有效减少了大型机械的使用，将吊装的关键线路工期分解到地面拼装的非关键线路上，高空对接少，有效保证作业人员安全，地面拼装，便于遮挡弧光，有效减少弧光污染。地面拼装，便于焊接产生的有害其他收集，减少环境污染，大大缩短了施工工期，节约机械费及人工费，经济效益明显。本发明的安装精度超过足国家规范、行业标准和项目设计要求，解决了施工难题，节省了人工、资源的消耗，将取得较好的经济效益和社会效益。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是起吊路面与履带吊配合的局部放大图。
图3是起吊路面的结构示意图。
图4是梭形柱临时支撑结构的结构示意图。
图5是图4的局部放大图。
图6是支撑调节梁的另一个侧面示意图。
图7是图6的平面示意图。
图8是柱下段起吊完成示意图。
图9是柱上段起吊完成示意图。
附图标记：1－既有结构、4－梭形柱、41－柱上段、42－柱下段、43－梭形柱底座、6－钢梁、10－履带吊、11－梭形柱支座、12－起吊路面、13－素土夯实和场地回填层、14－路基箱、15－梭形柱临时支撑结构、16－低支撑、17－高支撑、18－低支撑调节梁、19－支撑拉接梁、191－钢格构梁、192－梁柱拉接梁、193－柱间拉接梁、20－柱地缆风绳、21－节点缆风绳、22－柱顶缆风绳、23－水平矩形底框、24－竖向支撑柱、25－斜撑杆、26－支撑中板、27－刀板、28－混凝土加强层、29－高支撑调节梁。
具体实施方式
实施例参见图1所示，一种屋盖钢结构梭形柱，梭形柱与基础、屋盖均为铰接连接，最高标高58m，梭形柱为双向斜柱，单根柱倾斜角度20-23度，且除基础支座节点与钢梁6销轴节点外，无侧向支撑。
屋盖钢结构梭形柱是立于既有结构1一侧的一排与地面铰接的双向倾斜的梭形柱4，所述梭形柱4上还铰接有钢梁6，所述梭形柱4分为上下两段，分别为柱上段41和柱下段42，所述柱下段42的直径由下至上逐渐变大，所述柱上段41的直径由下至上逐渐变小。
施工步骤如下：
步骤一，施工既有结构1；
步骤二，收集梭形柱4施工前的准备材料；材料包括：吊装作业区地基承载力报告；梭型柱基础混凝土强度报告，梭型柱混凝土基础强度应达到100%；测量基线和水准点资料；工程设计有关文件；对于履带吊附近地面障碍物等及时清除；施工场地应基本平整，场地地耐力满足设备行走要求；现场应该有足够的拼装场地，拼装场地地耐力应满足要求。
步骤三，测量放线：根据设计图纸和坐标基准点，精确计算出梭型柱支座11的坐标；进行坐标数据复核；利用测量仪器进行放样，然后在设计位置浇筑并施工梭形柱支座11，吊装期间，利用全站仪全程跟踪测量，单体构件吊装完成后，对已安装构件及时复测。
步骤四，素土夯实和场地回填层及路面处理：
参见图2-3所示,设计与梭形柱连接的钢梁所覆盖的投影带为供履带吊10行走的起吊路面12范围，所述起吊路面包括底部的素土夯实和场地回填层13，该部分按照回填方案分层碾压，还包括在起吊路面的上侧满的铺路基箱14。所述素土夯实和场地回填层采用2:8灰土回填，压实系数为0.93，采用小压路机静压3次以上压实。
一般根据试验段确定摊铺厚度，因现场作业面空间狭小，不适合小型机械作业时采用电动打夯机夯实。回填土地基承载力约达到200kpa。
以400T履带吊为例，400t履带吊于土层上行走时，地面满铺路基箱，路基箱规格为2mX6m，履带与地面接触长度为8.7m。按两条履带下部承压10块路基箱计算，路基箱与土接触面积10X2X6=120mm2，履带吊自重约400t，带载及考虑动力系数约480t，要求地基承载力约为40kpa。考虑吊装时主臂与履带垂直，单侧履带受压极限值40X2=80kpa，要求履带吊行走路线地基承载力为80X1.2=96 kpa。
步骤五，拼装履带吊10并立于起吊路面12上。履带吊多采用主臂加副臂工况。履带吊散件进场，由设备厂家组拼，组拼需100长、10宽相对平整的场地，组拼后经各方验收完成使用。
步骤六，制作梭形柱并安装梭形柱底座：
在工厂预制加工钢筋混凝土的梭形柱4，混凝土浇筑完成并拆模养护至强度后，在梭形柱的底部焊接梭形柱底座43；底座在工厂预先锁定，在与梭形柱连接的钢梁安装完成前，不允许打开底座铰接锁定板，最后将其运至施工现场。 底座安装精度要求高，安装过程中采用全站仪全程跟踪测量，底支座底板厚度50mm，焊接量大，为减少焊接热量对混凝土支座的损伤，支座焊接每完成一道焊缝，间隔20分钟，再焊接另一道焊缝，直到整个底座焊接完成。
步骤七，参见图4-7所示,根据梭形柱的指标设计并计算梭形柱临时支撑结构，在起吊路面范围内，梭形柱支座旁边施工梭形柱临时支撑结构15，在梭形柱临时支撑结构15的安装位置下方、素土夯实和素土夯实和场地回填层13上施工有混凝土加强层28，梭形柱临时支撑结构15的底部与路基箱14焊接。混凝土加强层为300mm。
所述梭形柱临时支撑结构15为高低支撑组合，包括低支撑16和高支撑17，所述低支撑16靠近既有结构1，所述低支撑16位于梭形柱支座11的前侧，所述低支撑16的高度小于柱下段42的高度，所述高支撑17位于低支撑16的前侧，所述低支撑16的顶部设有低支撑调节梁18，高支撑17的顶部设有高支撑调节梁29，所述低支撑16的顶部与既有结构1之间设有结构拉接梁18，所述低支撑与高支撑之间设有支撑拉接梁19，所述高支撑17与低支撑16均为钢格构柱，所述低支撑与高支撑之间的支撑拉接梁19共设有三道，包括拉接低支撑顶部与高支撑中部的钢格构梁191，还包括拉接低支撑调节梁与高支撑之间的梁柱拉接梁192，还包括拉接低支撑调节梁中部与高支撑下部的柱间拉接梁193。
所述梭形柱临时支撑结构15与地面之间设有缆风绳；所述缆风绳包括拉接低支撑中部与地面以及高支撑中部与地面的柱地缆风绳20，还包括拉接钢格构梁191与钢格构柱连接位置与地面之间的节点缆风绳21，还包括拉接高支撑的顶部与既有结构之间的柱顶缆风绳22。
所述低支撑调节梁18与高支撑调节梁29的结构相同，包括水平矩形底框23、竖向支撑柱24、斜撑杆25、支撑中板26和一组刀板27，
所述水平矩形底框23固定连接在低支撑调节梁与高支撑调节梁的顶部，所述竖向支撑柱24共有两根，分别固定连接在水平矩形底框23的纵向两根框架的中部，所述斜撑杆25共设有三对，其中两对分别设置在竖向支撑柱24的上部与水平矩形底框23的横向两根框架之间，所述支撑中板26的横向两端分别固定连接在两根竖向支撑柱24之间，剩余一对斜撑杆25设置在支撑中板26的底部与横向两根框架的中部之间，梭形柱的底部上预埋有与刀板27焊接的预埋件，该组刀板27沿横向间隔设置，刀板朝向梭形柱的一侧均为与梭形柱4相应连接位置倾斜角度相适应的斜边。
步骤八，施工梭形柱：
参见图8所示,履带吊行走至梭形柱支座附近，然后对柱下段42采用钢丝绳和手动葫芦进行吊装，钢丝绳为主绳，手动葫芦为辅绳调整角度，起吊到位后将柱下段42底部的梭形柱底座43与梭形柱支座11进行焊接，然后将柱下段42的上部与低支撑调节梁18焊接，最后履带吊松钩。梭形柱吊装过程中，吊点经精确模拟计算。
步骤九，参见图9所示,履带吊行走至梭形柱支座11附近，然后对柱上段41采用钢丝绳和手动葫芦进行吊装，钢丝绳为主绳，手动葫芦为辅绳调整角度，起吊到位后将柱上段41的底部与柱下段42的顶部固定连接使得梭形柱连成一体，然后将柱上段41的中上部与高支撑调节梁29焊接，最后履带吊松钩。梭形柱吊装过程中，吊点经精确模拟计算。
步骤十，与梭形柱连接的钢梁吊装完成后，履带吊松钩前，解除底座铰接锁定板。
步骤十一，卸载梭形柱临时支撑结构；将刀板采用割除方式，根据支撑位置的卸载位移量控制每次割除的高度，使结构均匀缓慢沉降，保证结构不出现沉降突变和异向变形，每次切割留结构充分变形及观测时间，直至完成某一步的割除后结构不再产生向下的位移后整体拆除支撑，卸载完成后继续观测，确保结构安全无多余变形，然后将梭形柱临时支撑结构采用吊机起吊拆除。
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