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浅议钢结构安装方案的可行性

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:15 [收藏]

    摘要：钢结构安装是一项比较复杂的综合性技术，其内容较多，范围较广。该文主要介绍了一般钢结构吊装方案设计的基本原则和适用条件。通过事故分析，总结了常规安装方法的可行性及相应的技术措施。
    关键词：钢结构，安装方案，适用条件，起重设备，动荷载，同步控制，技术措施。
    随着科学技术的不断发展，钢结构的造型及结构形式越来越复杂，这给钢结构设计和施工带来了新的挑战。如以“鸟巢”、“水立方”为代表的奥运场馆，以及国家大剧院、央视新台址、广州电视塔等有影响的钢结构项目，不仅在设计上有所创新和发展，同时在钢结构安装技术方面也取得了新的成就，许多成熟、先进的工艺方法已陆续成为工法，为钢结构行业发展起到了明显的促进作用。由于市场原因，钢结构安装事故及违章现象偶而发生，造成了不必要的经济损失和社会影响。为了进一步提高钢结构施工总体水平，促进行业发展，钢结构施工除加强施工现场管理外，还应在施工组织设计、方案、技术措施等方面进行研究总结；大力推广新技术、新工艺；针对工程特点，选择先进、可靠、经济的施工方案。
    1、钢结构吊装方案的基本原则
    1.1、政策性。以图纸为依据，以规范为准则，严格执行国家有关安全生产法规。
    1.2、可靠性。坚持安全第一，确保方案实施的可行性，增强其可靠度。无论采用哪种方法，首先要考虑该方案是否有成功的先例和配套的设备，否则必须进行方案论证。
    （1）根据结构特点进行施工验算，证明该方法在施工阶段结构的稳定性，杆件应力和变形等是否满足要求。
    （2）使用的机械设备能否满足安装要求。
    （3）施工现场条件是否满足，如现场施工环境和周围构筑物等是否制约该方案实施等。
    1.3、先进性。
    随着科学技术的发展，结构安装领域里的新工艺、新技术、新设备层出不穷。如大吨位的起重机问世，计算机同步控制整体提升和滑移技术等为结构安装增添了新篇章。尤其是大型钢结构项目，在现场条件和结构形式允许时，应大力推广应用新技术、新工艺；尽量减少高空作业量，不断提高钢结构的安装效率。
    1.4、经济性。
    一个好的安装方案应该是方法简便、措施得当、效率高、施工成本低、应用范围广，经得起审查和考验。所以，必须坚持方案对比的原则，进行技术经济分析，选择工期短，成本低的方案。
    2、钢结构吊装方案的适用条件。
    由于建筑造型和结构形式的不统一，施工现场条件千差万别，可以说没有一种工法或方案适用于任何钢结构项目安装，所以每一种安装方法都有各自的支持条件。
    2.1、网架结构常用的安装方法有：高空散装法、分条分块安装法、结构滑移法、支撑架滑移法、整体吊装法、整体提升法等，这几种常用的安装方法适用条件见表1。
    2.2、按工艺方法考虑：首先了解结构形式、结构重量、安装高度、跨度等特点，结合现场实际情况尽量选用成熟、先进的安装工艺。
    2.3、按起重设备考虑：首先选用自有设备，充分利用现场起重设备，其次就近租用。一般情况：构件数量少时，多选用汽车吊；门式刚架吊装多选用中小型汽车吊；安装工期较长、安装高度及回转半径较大时，履带吊比汽车吊经济；整体吊装和滑移多采用液压同步提升（顶推）器；中、高层钢结构安装一般选用塔式起重机；普通桥梁安装多采用门吊和架桥机。
    2.4、倒装法施工：倒装法是一种先上后下的特殊安装工艺，它适用于结构高宽比大，如钢塔、桅杆等构筑物。且常规起重机难以靠近吊装的情况下，一般多采用倒装法。该方法要着重考虑安装过程结构整体稳定和设备自身稳定问题，具有可靠的支撑稳定措施。
    2.5、结构滑移法：结构滑移法已发展到采用液压顶推器和计算机同步控制技术，被过去的网架滑移法更先进了一步。它的适用条件是：第一，由于现场条件限制，跨内不能设起重机和支撑架；第二，结构支承条件有利于铺设滑移轨道；第三，经计算滑移单元结构的强度和刚度均满足要求；第四，了解结构支座形式和固定方法；第五，纵向滑移路线越长，效率越高。
    2.6、支撑架滑移法：它的适用条件是占用跨内场地、安装高度较低、结构面积较大或纵向长度较长。第一，安装高度在15m以下时，可选用普通扣件式钢管脚手架或碗口式脚手架做支撑架；第二，对于架体较高，且承重力较大时，宜选用型钢支撑架。无论采用哪种方案，在设计计算时除按规范要求外，还要考虑水平动荷载，必要时增设大斜撑以提高其整体稳定性。
    2.7、整体提升法。整体提升法目前多采用同济大学开发的计算机同步控制、液压提升设备，该工艺逐步代替了穿心式机动提升和千斤顶顶升方案，其设备轻便，技术先进。它的适用条件是：第一，占用跨内场地；第二，安装高度较高；第三，构件较重。第四，限于垂直吊装，不能水平位移。即安装高度越高，提升重量越重，效果约好。
    2.8、土法吊装。土法吊装是利用独角拔杆、卷扬机、滑轮组等作为起重设备进行结构吊装，它适用于构件重、数量少、安装高度较高的工程。由于大吨位起重设备和先进的安装工艺越来越多，所以土法吊装也越来越少。
    2.9、旋转法施工。该方法主要用于桥梁安装上，由于铁路、公路交通影响，以及山川河沟等特殊环境下，其它架桥方法受到限制时，多采用旋转法施工。


    2.10、整体吊装法。它与整体提升法基本相似，只是起重设备不同，适用于中小型结构安装。早期采用多台独脚拔杆或人字架、卷扬机、滑轮组及缆风体系进行大吨位吊装。现在，由于大吨位起重机较多，对中小型工程根据需要选用多台起重机集中抬吊进行安装。
    3、钢结构吊装安全注意事项。
    3.1、严格执行国家有关安全生产法规，坚持安全交底、安全教育制度，正确实别危险源，并有针对性措施和应急予案。
    3.2 、起重设备在使用过程中，重点预防倾翻事故。严禁超负荷、斜拉斜吊等违章现象，保证基础和行驶道路平整坚实。六级以上大风应停止作业，台风季节必须按规定采取预防措施。
    3.3、结构吊装绑扎要点。
    （1）绑扎点应在构件重心之上，多点绑扎时其连线（面）应在构件重心之上；
    （2）单机吊装，构件重心必须在吊钩的垂直线上；
    （3）钢丝绳的安全系数：作吊索，无弯曲6-7；作捆绑吊索8-10；用于载人的升降机14；
    3.4大吨位起重机越来越多，多机抬吊也越来越少，仅限于吊件数量少及特殊情况下采用。
    （1）统一指挥信号，严肃纪律，服从指挥；
    （2）起重机分配负荷不超过允许起重量的80%，抬吊行走时不超过允许起重量的70%；
    （3）尽量选用同型号起重机，起吊过程力求同步平稳；
    （4）各台起重及机吊钩绳保持垂直，严禁斜吊；
    （5）考虑吊车、构件和安装位置的平面关系，尽量一次安装就位。
    3.5、施工阶段采用的临时支撑架，是结构安装方案中的关键性技术措施。
    （1）在设计中除架体本身满足强度和稳定要求外，还须对地基基础所支撑的结构进行验算，必要时采取有效的加固措施。
    （2）支撑架受力后要进行观测，以防基础沉降或架体变形对结构产生影响。
    （3）支撑架顶使用的千斤顶、倒链等安装机具，必须严格执行工艺方案，不得盲目使用，以防对架体和结构产生不利。
    （4）支撑架拆除必须有落位拆除措施，应同步、匀速、缓慢进行，不得盲目拆除。
    3.6 、结构吊装的动态特点。在结构吊装方案的计算过程中，应认真分析各种吊装方法运动特性，采取必要的稳定措施，提高方案的可靠度。
    3.7、 结构吊装危险源识别。结构吊装的主要特点是高处作业，其危险源有临边作业，洞口作业，攀登作业，悬空作业，交叉作业，高空坠落，起重设备，吊车路基，同步控制，安全用电，季节施工，操作台，脚手架，临时支撑等。
    （1）根据结构特点正确识别危险源，并采取针对性措施和应急预案。
    （2）坚决执行国家和地方有关安全生产法规，禁止违章操作。
    （3）坚持施工方案两级评审制度，技术、质量、安全、生产、设备等部门参加。
    4、钢结构吊装事故分析。
    4.1、事故的一般原因
    （1）违反有关安全生产法规，未正确识别危险源，无应急措施，管理不善。
    （2）安装方案没有进行认真验算和评审，对工程特点认识不够，措施不当，可行性差。
    （3）安装队伍素质低，管理人员缺乏经验，缺乏基本的安全知识，有违章作业现象。
    （4）对施工现场条件认识不足，遇到特殊情况后未认真分析研究，未采取针对性安全措施，盲目施工。
    （5）安装方案变更未经审批程序，为了施工方便，降低成本，项目部自行取消或减少关键性的技术措施。
    （6）盲目抢工期，造成交叉作业、垂直作业等违规现象。
    （7）安全“三宝”落实不力，必须的安全防护用品配备不全。
    （8）吊装机具、索具未正确使用，轻视了施工过程动荷载、冲击荷载及不同步现象。
    4.2、钢结构吊装事故
    2001年7月17日国内某船厂一台大型龙门吊在安装过程中整体倒塌，事故造成的人身伤亡和经济损失之大，产生的负面影响之大，对钢结构施工敲响了响亮的警钟。
    （1）吊装方法
    该龙门吊跨度为117m，高度为110m。安装方法为先竖立两个塔柱，分别采用四道缆风固定。大横梁地面组拼，重约2300t（含设备），利用塔柱整体提升（设备为计算机同步控制提升机）。
    （2）吊装方案变更
    当大横梁整体提升到80多米时，两个塔柱的内侧缆风影响，不能继续提升就位。所以原方案发生改变：第一，已提起的大横梁原位不动；第二，经计算两塔柱分别向内倾斜1.08m，然后拆除内侧影响提升的两道缆风；第三，转换成类似两台独角拔杆抬吊，继续提升就位。
    （3）变更方案的实施
    大横梁悬吊在80多米高的条件下，对两塔柱同时进行内倾校正。先松外侧两道缆风，塔柱在大横梁重力作用下自然向内倾斜。每柱顶有6名工程技术人员，龙门吊下及塔柱内有数名操作人员。当两塔柱内倾位移1.08米，在拆除内侧缆风过程中结构整体倒塌，柱顶工程技术人员及塔柱内施工人员全部遇难，结构全部报废，损失惨重。
    4.3、事故分析
    龙门吊的大横梁采用整体提升方案是正确的，尤其是安装高度高、重量重，利用已安好的塔柱进行整体提升，可为最佳方案。事故的起因是在提升过程中进行了方案变更，而变更方案的可行性差。
    （1）原方案中塔柱缆风影响提升的情况是不应该发生的。第一，在最初制定提升方案时就应考虑到缆风与大梁之间的矛盾，在绘制安装平面图时可发现这一问题；第二，方案在两级评审过程中也应该发现缆风阻碍提升这个明显的问题；第三，在技术交底时，有经验的高级起重工也能发现此类问题。提升高度大于100m，提升重量大于2000t，属高难度技术方案，按规定必须进行内部审批和专家评审程序。
    （2）变更方案采用两塔柱内倾方法是盲目的。第一，塔柱内侧缆风阻碍提升问题虽然解决，但两塔柱内倾后，塔顶开间缩小，由缆风影响转换为塔柱影响提升就位，即不发生倒塌事故，大横梁也难以提升就位，如此简单的问题连续发生是不应该的。
    （3）拆除塔柱内侧缆风决定是冒险的。众所周知，提升方案的整体稳定措施主要是缆风系统，拆除缆风系统意味着取消稳定措施，其拆除过程和横梁提升过程已属不稳定体。
    （4）塔柱理论倾斜度太小接近临界状态。塔柱高110m，柱顶水平位移1.08m，倾斜度不到1%，这样小的倾度经计算在理论上是满足的。但该操作过程难免产生动载、风荷载、冲击荷载及不同步施工等现象。任何一种现象发生都会改变力学稳定体系，进入临界状态而失稳。
    （5）方案的局部变更会带来一系列的变化。该方案变更者仅从力学角度计算了内倾1.08m是满足要求的，但未想到其它部位的受力状态。第一，塔柱内倾后，倾覆力矩变大，外侧缆风受力增大；第二，外侧缆风拉力增大后，缆风地锚受力也增大；第三，塔柱内倾后柱角产生水平力。这三个部位必须进行计算，其中一处不满足要求都会造成整体失稳。
    4.4、事故教训
    （1）事故的直接原因是由于安装方案变更，塔柱内倾角过小，接近于临界状态。在拆除缆风过程中有不同步现象，加之缆风钢丝绳的弹性作用，造成大横梁在高空出现摆动现象。失稳瞬间塔柱缆风受力过大难以平衡，使龙门吊整体倒塌。损失惨重，教训深刻。
    （2）1975年国内某体育馆大型网架结构采用了多根拔杆整体吊装、高空移位方案，一次安装成功，当时为我国结构安装创造了辉煌，为以后整体安装技术发展创造了条件。事隔26年，在同一地区、采用更加先进的提升方案反而发生了特大事故，这不得不让我们引起深思。该事故是一个典型的、具有代表性的工程事例，用它警示我们，总结经验，吸取教训是非常必要的。
    （3）可以肯定，该龙门吊采用整体提升方案是合理的，如南通中远船务大型龙门吊安装、北京380机库网架、北京西客站钢结构等大型结构采用了整体提升方案，都非常顺利。该事故问题在于主要技术人员轻视了施工过程的动态特性和不同步现象，对高大复杂结构的施工特点认识不足，盲目地实行了冒险的变更方案。
    （4）施工组织设计、方案是指导施工的技术性文件，也是完成各项技术经济指标的综合性施工计划。设计人员必须熟悉图纸，掌握规范，考察现场；坚持精心设计、精心组织的指导思想；坚持两级评审制度，加强科学管理、目标管理和施工现场管理；加大落实国家安全法规、施工规范的执行力度；坚持可行性、先进性、适用性原则，进一步提高施工方案的技术水平。
    （5）施工方案按程序经评审、批准后，原则上不许随意变更。若非要更改，必须经过原设计、审批人员的同意，并附“施工方案变更审批单”，施工人员必须认真落实“变更单”中的各项技术措施。
    （6）该龙门吊安装方案正确的变更措施为：第一，将大梁落位于地面，重新调整缆风位置；第二，若不想让大梁落位，可采用缆风逐步等强替换法：a) 首先确定固定位置及连接强度满足要求；b) 制定严密的替换方案，加强同步控制措施，分级分步缓慢进行，确保缆风体系受力平衡，结构稳定；c) 要加强观测，严格控制塔柱垂直度和大梁摆动（必要时对大梁进行临时固定）。
    5、结论
    钢结构安装是一门综合性技术，由于结构形式越来越复杂，施工队伍越来越多，发展不平衡等市场原因，在施工领域暴露出了一些问题。为此，我们必须重视钢结构安装技术的研究，大力推广新技术、新工艺；加大落实安全法规和施工规范的执行力度；严格施工组织设计、方案的评审与管理；坚持施工与设计、总包与分包、加工与安装紧密配合的协作精神；进一步加强施工现场技术管理，严禁违章操作，不断提高钢结构安装总体水平。
    参考文献:
    1. 中国计划出版社，《建筑钢结构施工手册》2002年5月。
    2. 2001年全国机械安全大检查有关通报。
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