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淺議鋼結構安裝方案的可行性

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:15 [收藏]

    摘要：鋼結構安裝是一項比較復雜的綜合性技術，其內容較多，范圍較廣。該文主要介紹了一般鋼結構吊裝方案設計的基本原則和適用條件。通過事故分析，總結了常規安裝方法的可行性及相應的技術措施。
    關鍵詞：鋼結構，安裝方案，適用條件，起重設備，動荷載，同步控制，技術措施。
    隨著科學技術的不斷發展，鋼結構的造型及結構形式越來越復雜，這給鋼結構設計和施工帶來了新的挑戰。如以“鳥巢”、“水立方”為代表的奧運場館，以及國家大劇院、央視新臺址、廣州電視塔等有影響的鋼結構項目，不僅在設計上有所創新和發展，同時在鋼結構安裝技術方面也取得了新的成就，許多成熟、先進的工藝方法已陸續成為工法，為鋼結構行業發展起到了明顯的促進作用。由于市場原因，鋼結構安裝事故及違章現象偶而發生，造成了不必要的經濟損失和社會影響。為了進一步提高鋼結構施工總體水平，促進行業發展，鋼結構施工除加強施工現場管理外，還應在施工組織設計、方案、技術措施等方面進行研究總結；大力推廣新技術、新工藝；針對工程特點，選擇先進、可靠、經濟的施工方案。
    1、鋼結構吊裝方案的基本原則
    1.1、政策性。以圖紙為依據，以規范為準則，嚴格執行國家有關安全生產法規。
    1.2、可靠性。堅持安全第一，確保方案實施的可行性，增強其可靠度。無論采用哪種方法，首先要考慮該方案是否有成功的先例和配套的設備，否則必須進行方案論證。
    （1）根據結構特點進行施工驗算，證明該方法在施工階段結構的穩定性，桿件應力和變形等是否滿足要求。
    （2）使用的機械設備能否滿足安裝要求。
    （3）施工現場條件是否滿足，如現場施工環境和周圍構筑物等是否制約該方案實施等。
    1.3、先進性。
    隨著科學技術的發展，結構安裝領域里的新工藝、新技術、新設備層出不窮。如大噸位的起重機問世，計算機同步控制整體提升和滑移技術等為結構安裝增添了新篇章。尤其是大型鋼結構項目，在現場條件和結構形式允許時，應大力推廣應用新技術、新工藝；盡量減少高空作業量，不斷提高鋼結構的安裝效率。
    1.4、經濟性。
    一個好的安裝方案應該是方法簡便、措施得當、效率高、施工成本低、應用范圍廣，經得起審查和考驗。所以，必須堅持方案對比的原則，進行技術經濟分析，選擇工期短，成本低的方案。
    2、鋼結構吊裝方案的適用條件。
    由于建筑造型和結構形式的不統一，施工現場條件千差萬別，可以說沒有一種工法或方案適用于任何鋼結構項目安裝，所以每一種安裝方法都有各自的支持條件。
    2.1、網架結構常用的安裝方法有：高空散裝法、分條分塊安裝法、結構滑移法、支撐架滑移法、整體吊裝法、整體提升法等，這幾種常用的安裝方法適用條件見表1。
    2.2、按工藝方法考慮：首先了解結構形式、結構重量、安裝高度、跨度等特點，結合現場實際情況盡量選用成熟、先進的安裝工藝。
    2.3、按起重設備考慮：首先選用自有設備，充分利用現場起重設備，其次就近租用。一般情況：構件數量少時，多選用汽車吊；門式剛架吊裝多選用中小型汽車吊；安裝工期較長、安裝高度及回轉半徑較大時，履帶吊比汽車吊經濟；整體吊裝和滑移多采用液壓同步提升（頂推）器；中、高層鋼結構安裝一般選用塔式起重機；普通橋梁安裝多采用門吊和架橋機。
    2.4、倒裝法施工：倒裝法是一種先上后下的特殊安裝工藝，它適用于結構高寬比大，如鋼塔、桅桿等構筑物。且常規起重機難以靠近吊裝的情況下，一般多采用倒裝法。該方法要著重考慮安裝過程結構整體穩定和設備自身穩定問題，具有可靠的支撐穩定措施。
    2.5、結構滑移法：結構滑移法已發展到采用液壓頂推器和計算機同步控制技術，被過去的網架滑移法更先進了一步。它的適用條件是：第一，由于現場條件限制，跨內不能設起重機和支撐架；第二，結構支承條件有利于鋪設滑移軌道；第三，經計算滑移單元結構的強度和剛度均滿足要求；第四，了解結構支座形式和固定方法；第五，縱向滑移路線越長，效率越高。
    2.6、支撐架滑移法：它的適用條件是占用跨內場地、安裝高度較低、結構面積較大或縱向長度較長。第一，安裝高度在15m以下時，可選用普通扣件式鋼管腳手架或碗口式腳手架做支撐架；第二，對于架體較高，且承重力較大時，宜選用型鋼支撐架。無論采用哪種方案，在設計計算時除按規范要求外，還要考慮水平動荷載，必要時增設大斜撐以提高其整體穩定性。
    2.7、整體提升法。整體提升法目前多采用同濟大學開發的計算機同步控制、液壓提升設備，該工藝逐步代替了穿心式機動提升和千斤頂頂升方案，其設備輕便，技術先進。它的適用條件是：第一，占用跨內場地；第二，安裝高度較高；第三，構件較重。第四，限于垂直吊裝，不能水平位移。即安裝高度越高，提升重量越重，效果約好。
    2.8、土法吊裝。土法吊裝是利用獨角拔桿、卷揚機、滑輪組等作為起重設備進行結構吊裝，它適用于構件重、數量少、安裝高度較高的工程。由于大噸位起重設備和先進的安裝工藝越來越多，所以土法吊裝也越來越少。
    2.9、旋轉法施工。該方法主要用于橋梁安裝上，由于鐵路、公路交通影響，以及山川河溝等特殊環境下，其它架橋方法受到限制時，多采用旋轉法施工。


    2.10、整體吊裝法。它與整體提升法基本相似，只是起重設備不同，適用于中小型結構安裝。早期采用多臺獨腳拔桿或人字架、卷揚機、滑輪組及纜風體系進行大噸位吊裝?，F在，由于大噸位起重機較多，對中小型工程根據需要選用多臺起重機集中抬吊進行安裝。
    3、鋼結構吊裝安全注意事項。
    3.1、嚴格執行國家有關安全生產法規，堅持安全交底、安全教育制度，正確實別危險源，并有針對性措施和應急予案。
    3.2 、起重設備在使用過程中，重點預防傾翻事故。嚴禁超負荷、斜拉斜吊等違章現象，保證基礎和行駛道路平整堅實。六級以上大風應停止作業，臺風季節必須按規定采取預防措施。
    3.3、結構吊裝綁扎要點。
    （1）綁扎點應在構件重心之上，多點綁扎時其連線（面）應在構件重心之上；
    （2）單機吊裝，構件重心必須在吊鉤的垂直線上；
    （3）鋼絲繩的安全系數：作吊索，無彎曲6-7；作捆綁吊索8-10；用于載人的升降機14；
    3.4大噸位起重機越來越多，多機抬吊也越來越少，僅限于吊件數量少及特殊情況下采用。
    （1）統一指揮信號，嚴肅紀律，服從指揮；
    （2）起重機分配負荷不超過允許起重量的80%，抬吊行走時不超過允許起重量的70%；
    （3）盡量選用同型號起重機，起吊過程力求同步平穩；
    （4）各臺起重及機吊鉤繩保持垂直，嚴禁斜吊；
    （5）考慮吊車、構件和安裝位置的平面關系，盡量一次安裝就位。
    3.5、施工階段采用的臨時支撐架，是結構安裝方案中的關鍵性技術措施。
    （1）在設計中除架體本身滿足強度和穩定要求外，還須對地基基礎所支撐的結構進行驗算，必要時采取有效的加固措施。
    （2）支撐架受力后要進行觀測，以防基礎沉降或架體變形對結構產生影響。
    （3）支撐架頂使用的千斤頂、倒鏈等安裝機具，必須嚴格執行工藝方案，不得盲目使用，以防對架體和結構產生不利。
    （4）支撐架拆除必須有落位拆除措施，應同步、勻速、緩慢進行，不得盲目拆除。
    3.6 、結構吊裝的動態特點。在結構吊裝方案的計算過程中，應認真分析各種吊裝方法運動特性，采取必要的穩定措施，提高方案的可靠度。
    3.7、 結構吊裝危險源識別。結構吊裝的主要特點是高處作業，其危險源有臨邊作業，洞口作業，攀登作業，懸空作業，交叉作業，高空墜落，起重設備，吊車路基，同步控制，安全用電，季節施工，操作臺，腳手架，臨時支撐等。
    （1）根據結構特點正確識別危險源，并采取針對性措施和應急預案。
    （2）堅決執行國家和地方有關安全生產法規，禁止違章操作。
    （3）堅持施工方案兩級評審制度，技術、質量、安全、生產、設備等部門參加。
    4、鋼結構吊裝事故分析。
    4.1、事故的一般原因
    （1）違反有關安全生產法規，未正確識別危險源，無應急措施，管理不善。
    （2）安裝方案沒有進行認真驗算和評審，對工程特點認識不夠，措施不當，可行性差。
    （3）安裝隊伍素質低，管理人員缺乏經驗，缺乏基本的安全知識，有違章作業現象。
    （4）對施工現場條件認識不足，遇到特殊情況后未認真分析研究，未采取針對性安全措施，盲目施工。
    （5）安裝方案變更未經審批程序，為了施工方便，降低成本，項目部自行取消或減少關鍵性的技術措施。
    （6）盲目搶工期，造成交叉作業、垂直作業等違規現象。
    （7）安全“三寶”落實不力，必須的安全防護用品配備不全。
    （8）吊裝機具、索具未正確使用，輕視了施工過程動荷載、沖擊荷載及不同步現象。
    4.2、鋼結構吊裝事故
    2001年7月17日國內某船廠一臺大型龍門吊在安裝過程中整體倒塌，事故造成的人身傷亡和經濟損失之大，產生的負面影響之大，對鋼結構施工敲響了響亮的警鐘。
    （1）吊裝方法
    該龍門吊跨度為117m，高度為110m。安裝方法為先豎立兩個塔柱，分別采用四道纜風固定。大橫梁地面組拼，重約2300t（含設備），利用塔柱整體提升（設備為計算機同步控制提升機）。
    （2）吊裝方案變更
    當大橫梁整體提升到80多米時，兩個塔柱的內側纜風影響，不能繼續提升就位。所以原方案發生改變：第一，已提起的大橫梁原位不動；第二，經計算兩塔柱分別向內傾斜1.08m，然后拆除內側影響提升的兩道纜風；第三，轉換成類似兩臺獨角拔桿抬吊，繼續提升就位。
    （3）變更方案的實施
    大橫梁懸吊在80多米高的條件下，對兩塔柱同時進行內傾校正。先松外側兩道纜風，塔柱在大橫梁重力作用下自然向內傾斜。每柱頂有6名工程技術人員，龍門吊下及塔柱內有數名操作人員。當兩塔柱內傾位移1.08米，在拆除內側纜風過程中結構整體倒塌，柱頂工程技術人員及塔柱內施工人員全部遇難，結構全部報廢，損失慘重。
    4.3、事故分析
    龍門吊的大橫梁采用整體提升方案是正確的，尤其是安裝高度高、重量重，利用已安好的塔柱進行整體提升，可為最佳方案。事故的起因是在提升過程中進行了方案變更，而變更方案的可行性差。
    （1）原方案中塔柱纜風影響提升的情況是不應該發生的。第一，在最初制定提升方案時就應考慮到纜風與大梁之間的矛盾，在繪制安裝平面圖時可發現這一問題；第二，方案在兩級評審過程中也應該發現纜風阻礙提升這個明顯的問題；第三，在技術交底時，有經驗的高級起重工也能發現此類問題。提升高度大于100m，提升重量大于2000t，屬高難度技術方案，按規定必須進行內部審批和專家評審程序。
    （2）變更方案采用兩塔柱內傾方法是盲目的。第一，塔柱內側纜風阻礙提升問題雖然解決，但兩塔柱內傾后，塔頂開間縮小，由纜風影響轉換為塔柱影響提升就位，即不發生倒塌事故，大橫梁也難以提升就位，如此簡單的問題連續發生是不應該的。
    （3）拆除塔柱內側纜風決定是冒險的。眾所周知，提升方案的整體穩定措施主要是纜風系統，拆除纜風系統意味著取消穩定措施，其拆除過程和橫梁提升過程已屬不穩定體。
    （4）塔柱理論傾斜度太小接近臨界狀態。塔柱高110m，柱頂水平位移1.08m，傾斜度不到1%，這樣小的傾度經計算在理論上是滿足的。但該操作過程難免產生動載、風荷載、沖擊荷載及不同步施工等現象。任何一種現象發生都會改變力學穩定體系，進入臨界狀態而失穩。
    （5）方案的局部變更會帶來一系列的變化。該方案變更者僅從力學角度計算了內傾1.08m是滿足要求的，但未想到其它部位的受力狀態。第一，塔柱內傾后，傾覆力矩變大，外側纜風受力增大；第二，外側纜風拉力增大后，纜風地錨受力也增大；第三，塔柱內傾后柱角產生水平力。這三個部位必須進行計算，其中一處不滿足要求都會造成整體失穩。
    4.4、事故教訓
    （1）事故的直接原因是由于安裝方案變更，塔柱內傾角過小，接近于臨界狀態。在拆除纜風過程中有不同步現象，加之纜風鋼絲繩的彈性作用，造成大橫梁在高空出現擺動現象。失穩瞬間塔柱纜風受力過大難以平衡，使龍門吊整體倒塌。損失慘重，教訓深刻。
    （2）1975年國內某體育館大型網架結構采用了多根拔桿整體吊裝、高空移位方案，一次安裝成功，當時為我國結構安裝創造了輝煌，為以后整體安裝技術發展創造了條件。事隔26年，在同一地區、采用更加先進的提升方案反而發生了特大事故，這不得不讓我們引起深思。該事故是一個典型的、具有代表性的工程事例，用它警示我們，總結經驗，吸取教訓是非常必要的。
    （3）可以肯定，該龍門吊采用整體提升方案是合理的，如南通中遠船務大型龍門吊安裝、北京380機庫網架、北京西客站鋼結構等大型結構采用了整體提升方案，都非常順利。該事故問題在于主要技術人員輕視了施工過程的動態特性和不同步現象，對高大復雜結構的施工特點認識不足，盲目地實行了冒險的變更方案。
    （4）施工組織設計、方案是指導施工的技術性文件，也是完成各項技術經濟指標的綜合性施工計劃。設計人員必須熟悉圖紙，掌握規范，考察現場；堅持精心設計、精心組織的指導思想；堅持兩級評審制度，加強科學管理、目標管理和施工現場管理；加大落實國家安全法規、施工規范的執行力度；堅持可行性、先進性、適用性原則，進一步提高施工方案的技術水平。
    （5）施工方案按程序經評審、批準后，原則上不許隨意變更。若非要更改，必須經過原設計、審批人員的同意，并附“施工方案變更審批單”，施工人員必須認真落實“變更單”中的各項技術措施。
    （6）該龍門吊安裝方案正確的變更措施為：第一，將大梁落位于地面，重新調整纜風位置；第二，若不想讓大梁落位，可采用纜風逐步等強替換法：a) 首先確定固定位置及連接強度滿足要求；b) 制定嚴密的替換方案，加強同步控制措施，分級分步緩慢進行，確保纜風體系受力平衡，結構穩定；c) 要加強觀測，嚴格控制塔柱垂直度和大梁擺動（必要時對大梁進行臨時固定）。
    5、結論
    鋼結構安裝是一門綜合性技術，由于結構形式越來越復雜，施工隊伍越來越多，發展不平衡等市場原因，在施工領域暴露出了一些問題。為此，我們必須重視鋼結構安裝技術的研究，大力推廣新技術、新工藝；加大落實安全法規和施工規范的執行力度；嚴格施工組織設計、方案的評審與管理；堅持施工與設計、總包與分包、加工與安裝緊密配合的協作精神；進一步加強施工現場技術管理，嚴禁違章操作，不斷提高鋼結構安裝總體水平。
    參考文獻:
    1. 中國計劃出版社，《建筑鋼結構施工手冊》2002年5月。
    2. 2001年全國機械安全大檢查有關通報。
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