中建三局有限公司

.中建钢构有限公司

摘要

雨棚结构属于建筑物常见的附属结构范畴。它一般位于建筑物的下方。其作用是遮风挡雨。大跨度且造型各异的雨棚能够美化建筑物。不过，这种雨棚给施工带来了较高的难度。提出了一种高效的复杂雨棚构件安装方法。采用有限元软件进行分析，对雨棚构件进行分段分节优化，同时优化安装方法，合理布置支撑胎架。通过这些措施，能够精确地完成空间双曲异形悬挑雨棚结构的安装作业，并且可以明显提高安装效率，大大节省塔吊的起吊次数。

引 言

现代建筑工程里，雨棚是建筑物不可或缺的辅助构件。公共建筑中的雨棚相对位置偏低。它不但要有遮阳避雨的功能，还得在确保结构安全性和耐久性的情况下体现建筑规模并美化建筑。在实际工程中，因为主体建筑物的外形要求以及实际使用需求，雨棚的跨度比较大，传统的平板型钢筋混凝土结构雨棚已经不能满足需求了。实际工程中需要的是造型丰富多样。有些雨棚已然成为许多建筑物的一个显著亮点。

近年来，钢结构不断发展。大跨度雨棚的设计理念逐渐有了创新。越来越多造型不同的雨棚结构开始出现。其中比较典型的有车站站台雨棚和大悬挑钢结构雨棚。这类结构因为跨度大，安装精度要求高，所以高空安装作业量很大，对施工技术提出了较高的要求。

中国尊大厦的雨棚结构造型较为复杂。它的悬挑长度较长，跨度也较大。并且在空间上呈现出异形弯扭的造型。这些特点给雨棚施工中的分段分节带来了难度，也给高空精确安装带来了难度，同时还给高空焊接带来了较大的难度。在现有的工况状况下，依据安装过程中的重点与难点，再结合以往悬挑大跨度结构的安装经验，设计出了一种适用于空间复杂异形结构的施工方法。通过软件来控制进行合理的分段分节，以及通过有限元模拟施工过程等理论方面的分析，把工程中遇到的重点和难点问题给解决了。一方面，能够确保雨棚结构的安装效率以及安全性；另一方面，也保证了整体结构在焊接和落架完成之后的精度控制。

雨棚的精度要求及影响因素

中国尊的雨棚结构，其主杆件是空间双曲弯扭箱型的。这些主杆件借助支撑牛腿，与首道桁架箱梁以及桁架下弦相连接。它向外最大悬挑的距离约为 14.1 米，跨度最大能达到 54 米（见图 1）。在钢结构施工期间，首先得把分段分节问题解决好。要依据现场堆场具备的能力、起重机设备的情况、道路运输的条件、车间制作的要求以及安装方法等，进行恰当的分段分节。只有这样，才能够确保后续的施工过程能够顺利开展。空间悬挑弯扭构件的精度控制存在很大困难。雨棚上方的玻璃幕墙是成品制作的，一旦主体结构安装偏差过大，就会引发幕墙无法顺利安装等一系列后续问题。此外，该结构在空间呈双曲交叉造型，构件综合交错的数量比较大，最大板厚达到 25mm，如何控制焊接变形是一个难题。首先是落架问题。大家都知道，悬挑类结构在落架之后会面临下挠的情况。如何对大悬挑重型构件在落架后的下挠进行控制，这是一个挑战。在国内外的超高层建筑中，像这样大跨度、大悬挑的雨棚结构是非常罕见的。经分析，工程主要存在以下技术难点：其一，雨棚需分段分节；其二，要对雨棚进行精确安装以及焊接；其三，需在复杂节点处进行高空组装；其四，要在复杂弯扭构件处进行高空合龙；其五，需拆除支撑胎架。

a—模型；b—局部结构。

图1 雨棚结构

分段分节及现场拼装

雨棚结构的深化设计应在以上基础上进行。为让深化设计能与加工制作以及运输等方面紧密结合，分段的拆分需考虑以下这些因素：其一，起重吊装设备的能力；其二，加工制作所用到的切割、焊接等设备；其三，运输的长度、宽度与高度以及运输单元的重量；其四，工厂的检验设备、检验控制点以及隐蔽焊缝的检验等；其五，结合焊接工艺，确保构件与节点翻身起吊之后能处于俯焊、平焊、立焊的位置；其六，分段接口的做法（包括切口和坡口等）。

采用 1 主挑梁、1 竖龙骨、4 横龙骨、顶横梁以及 2 牛腿，其总质量为 7.2t。两榀构件在依据现场实测数据的基础上，结合图纸进行放样，且放样需采取足尺放样，同时严格控制构件的长度和外观尺寸。

2.1拼装胎架说明

现场拼装时，在节点与拼接的主挑梁下方设置拼装胎架。把两段雨棚结构拼装成一个整体，拼装后的单元长 11.6 米，宽 7.6 米。拼装时要注意雨棚支撑朝上，下方用 4 个临时拼装胎架进行支撑，完成拼装后进行起吊。雨棚拼装主要是在现场用汽车吊进行地面拼装（图 2）。

a—雨棚拼装胎架三维模型；b—雨棚现场拼装。

图2 拼装胎架

拼装胎架主要是用于两节雨棚结构在地面进行拼装的。为了节省钢材，在采用桁架拼装的时候会使用胎架，这样便于雨棚的整体吊装。

2.2现场拼装质量保证

在有现场实测数据的情况下，要结合图纸来进行放样工作。要严格把控构件的长度以及外观尺寸，并且放样时需采取足尺放样的方式。还要制定出合理的焊接工艺以及防变形的措施。对于已经出现的变形，应尽量使用机械来进行校正。由于拼装雨棚的横龙骨焊接必须在胎架上完成，所以必须先将横龙骨的对接口全部焊接完毕，并且自然冷却之后，再将雨棚从胎架上取下，这样能防止造成雨棚变形。面拼装完成后的总质量是 16.5t。

安装方法

通过有限元软件对施工全过程进行模拟分析，并且依据现场的实际工况对雨棚安装进行优化，其具体的安装流程如下：

第 1 步，在地面将雨棚上端顶横梁与支撑进行拼装。接着，利用全站仪对桁架处的连接位置进行标记。之后，使用汽车吊把雨棚支撑安装到 3 至 5 层的桁架处。最后，采用马板对其进行临时连接固定。

第 2 步，先把雨棚的上节结构做成小型框架，接着将其与已安装好的支撑相连接，连接的标高范围是 19.650 到 29.550 米，并且利用马板进行临时连接。安装的顺序是，先安装与巨柱相连的雨棚，然后从两端向中间依次安装桁架连接部分的雨棚。雨棚的主挑梁、雨棚竖龙骨通过雨棚支撑与巨柱本体、首层桁架腹杆相连接，从而形成稳定的支撑体系。

第 3 步，对上部分结构的各个小横梁进行嵌补操作，以此让上部结构能够形成完整的框架。

第 4 步主要进行下部分雨棚的安装。因为该部分雨棚只有主、次挑梁端头两个点连接，所以在安装前要搭设支撑胎架作为主要受力点，以确保安装的稳定性。胎架布设的位置是上端支撑在雨棚边梁位置，这样不仅能提供良好的稳定性，而且胎架间形成的通道还能方便边梁的安装。雨棚每个单面布设 6 组胎架，总共布设 24 组。

第 5 步，下部分雨棚结构的安装顺序和上部是一样的钢结构雨棚施工工艺，从两侧开始向中间依次进行安装。在安装过程中，通过在上口处设置倒链，并配合塔吊来进行微调，以确保安装的准确性。当安装位置确定好之后，将下端与胎架顶部进行刚性连接。接着，补齐主次挑梁之间的小横梁，并进行焊接工作。

l. 焊接完成后进行胎架的落架。

图3 落架过程示意

支撑胎架措施

4.1胎架布设

使用标准化胎架。它主要由标准节、顶部钢板以及底部柱脚构成。胎架的最大高度为 14 米，一共设置了 18 组。胎架的立柱是以 4 根φ219×10 的圆管作为主要承重立杆，缀管则采用 75×7 的角钢。依据中建钢构有限公司《装配格构式支承结构应用手册》的 5.1 节内容，单组标准化胎架能够承受的最大载荷为 3000 千牛。

4.2落架与胎架拆除

依据“变形协调，落架均衡，由中间向两端，每面单独落架”的这一原则，借助放置于支架上的可调节点支撑装置千斤顶，进行多次循环且微量下降的操作，从而实现荷载的平衡转移。

临时支座分批次逐步下降。首先，缓慢落架中间部分雨棚下的千斤顶，落架方法为：先把千斤顶向上顶起 5 毫米，接着抽去马凳上方的 10 毫米厚钢板一张，然后让千斤顶回落。如此反复操作，以完成落架。随后拆除两端的千斤顶，落架的顺序是从中间向两侧，采用每步不超过 10 毫米的等步下降法来拆除支撑点。

胎架与雨棚是分离的。等到雨棚稳定下来之后，依据“先安装的后拆除，后安装的先拆除”这个原则，借助塔吊依次把胎架拆除掉。

在落架的时候，支撑系统以及结构体系里的受力情况是十分复杂的。为了避免出现意外，并且保证落架能够顺利地进行下去，在落架的过程中需要特别留意以下这些事项：

1)落架时要统一指挥，保证同步进行。

落架之前要先把支撑点的钢结构变形量计算好。通过变形量来确定千斤顶的行程。如果变形量超出了千斤顶的最大行程，那么就需要在落架过程中更换千斤顶。

落架点水平位移较大的情况下，在落架之前，通过使用垫铁来调整千斤顶的垂直度，从而释放其水平位移。

落架之前需仔细查看各支撑点的连接状况，要对已经安装完毕的巨柱进行测量，也要对大斜撑进行测量，同时还要对桁架进行测量，并且要记录下标高数据。

5)落架时要进行跟踪测量和监控。

落架之前需要清理钢结构上面的杂物，在落架的这个过程当中钢结构雨棚施工工艺，钢结构之上不可以进行其他的作业。

7)落架前要作好一切安全措施，并检查好千斤顶的使用性能。

胎架立面布置如图4所示。

图4 雨棚胎架立面布置示意

胎架顶点详图如图5所示。

图5胎架顶部节点详图

精度控制方法

5.1吊装校正控制

在钢结构安装测量期间，要建立起可靠的测量控制网体系，同时也要建立塔楼内外筒结构变形差的检测体系。并且要对允许偏差和主控目标进行控制，这些允许偏差及主控目标详见表 1。

表1 吊装控制允许偏差mm

注：H为垂直度允许偏差；e为偏心距。

5.2焊接原则及顺序

本工程结构具有其特点，焊接时采取分区域且整体对称焊接的方式。在焊接过程中，需始终对结构标高、水平度、垂直度进行监控。首先焊接主要构件，接着焊接次要构件，先焊接变形较大的构件，然后焊接变形较小的构件。

5)在东、西、南、北的中间各自留出一道焊接活口。

优先对雨棚与巨柱、桁架的支撑梁进行焊接，焊接的顺序是从巨柱朝着桁架中间展开，首先焊接第 5 层的支撑梁，然后再焊接第 3 层的支撑梁。

对于主挑梁、次挑梁、横龙骨以及边梁的焊接，总体原则是从巨柱向桁架跨中进行。每两榀散件之间的焊接按照图 6 中 1 到 20 的顺序来进行。首先焊接主次挑梁，接着焊接顶部补档横龙骨的两端以及底部横龙骨的两端（图 6 中 5 到 8），这样可以控制整榀雨棚的横向变形。最后按照从上往下的顺序依次焊接剩余的横龙骨。

雨棚边梁的焊接需在上述所有焊接都完成之后进行。为了防止出现应力集中的情况，相邻的焊缝不能同时进行焊接。也就是说，一个构件不能在两端同时进行焊接，必须采用间隔焊接的方式。在东、西、南、北这四个方向各留出一跨横龙骨作为焊接的活口，只有当其余所有的构件都焊接完成之后，才可以对这些预留的横龙骨进行施焊。

a—正视；b—侧视。

图6 雨棚焊接顺序

结 论

地面拼装以及高空整体吊装技术，能够让复杂构件的安装工作变得方便快捷，还能大幅提升施工效率。

局部对安装细节进行调节，首先安装定位支撑梁，这样做大幅度提升了雨棚的安装精度，并且使施工过程变得更加有序。

采用标准化支撑胎架辅助安装的方法，对胎架布置进行了优化，增设了胎架间的连系梁。这样做既保证了施工的安全，又为后续的焊接工作提供了便捷且可操作的空间。

许立山、朱炜、张跃国等人指出，大跨度空间双曲雨棚结构的安装方法。该方法刊载于《钢结构》2019 年第 34 卷第 6 期，页码为 89 - 92 页。

doi: 10.13206/j.gjg201906017