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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(wǎng)    
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(nèi)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(guī)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(fā)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(zhàn)。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(chuàng)新和發(fā)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(xù)成為工法，為鋼結構行業(yè)發(fā)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(xiàn)象偶而發(fā)生，造成了不必要的經(jīng)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(yè)發(fā)展，鋼結構施工除加強施工現(xiàn)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(jīng)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(jù)，以規(guī)范為準則，嚴格執(zhí)行國家有關安全生產(chǎn)法規(guī)。
    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(jù)結構特點進行施工驗算，證明該方法在施工階段結構的穩(wěn)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(xiàn)場條件是否滿足，如現(xiàn)場施工環(huán)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(fā)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(xiàn)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(yè)量，不斷提高鋼結構的安裝效率。
    1.4、經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(tǒng)一，施工現(xiàn)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(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)場起重設備，其次就近租用。一般情況：構件數(shù)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(jīng)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(guī)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(wěn)定和設備自身穩(wěn)定問題，具有可靠的支撐穩(wěn)定措施。
    2.5、結構滑移法：結構滑移法已發(fā)展到采用液壓頂推器和計算機同步控制技術，被過去的網(wǎng)架滑移法更先進了一步。它的適用條件是：第一，由于現(xiàn)場條件限制，跨內(nèi)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(jīng)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(nèi)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(guī)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(wěn)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(fā)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(nèi)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(shù)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(huán)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(xiàn)在，由于大噸位起重機較多，對中小型工程根據(jù)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(zhí)行國家有關安全生產(chǎn)法規(guī)，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(xiàn)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(yè)，臺風季節(jié)必須按規(guī)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(shù)：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(shù)量少及特殊情況下采用。
    （1）統(tǒng)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(wěn)；
    （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(wěn)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(chǎn)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(zhí)行工藝方案，不得盲目使用，以防對架體和結構產(chǎn)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(tài)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(wěn)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(yè)，其危險源有臨邊作業(yè)，洞口作業(yè)，攀登作業(yè)，懸空作業(yè)，交叉作業(yè)，高空墜落，起重設備，吊車路基，同步控制，安全用電，季節(jié)施工，操作臺，腳手架，臨時支撐等。
    （1）根據(jù)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(zhí)行國家和地方有關安全生產(chǎn)法規(guī)，禁止違章操作。
    （3）堅持施工方案兩級評審制度，技術、質(zhì)量、安全、生產(chǎn)、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(chǎn)法規(guī)，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(zhì)低，管理人員缺乏經(jīng)驗，缺乏基本的安全知識，有違章作業(yè)現(xiàn)象。
    （4）對施工現(xiàn)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(jīng)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(yè)、垂直作業(yè)等違規(guī)現(xiàn)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(xiàn)象。
    4.2、鋼結構吊裝事故
    2001年7月17日國內(nèi)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(jīng)濟損失之大，產(chǎn)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(nèi)側纜風影響，不能繼續(xù)提升就位。所以原方案發(fā)生改變：第一，已提起的大橫梁原位不動；第二，經(jīng)計算兩塔柱分別向內(nèi)傾斜1.08m，然后拆除內(nèi)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(xù)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(nèi)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(nèi)傾斜。每柱頂有6名工程技術人員，龍門吊下及塔柱內(nèi)有數(shù)名操作人員。當兩塔柱內(nèi)傾位移1.08米，在拆除內(nèi)側纜風過程中結構整體倒塌，柱頂工程技術人員及塔柱內(nèi)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(fā)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(fā)現(xiàn)這一問題；第二，方案在兩級評審過程中也應該發(fā)現(xiàn)纜風阻礙提升這個明顯的問題；第三，在技術交底時，有經(jīng)驗的高級起重工也能發(fā)現(xiàn)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(guī)定必須進行內(nèi)部審批和專家評審程序。
    （2）變更方案采用兩塔柱內(nèi)傾方法是盲目的。第一，塔柱內(nèi)側纜風阻礙提升問題雖然解決，但兩塔柱內(nèi)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(fā)生倒塌事故，大橫梁也難以提升就位，如此簡單的問題連續(xù)發(fā)生是不應該的。
    （3）拆除塔柱內(nèi)側纜風決定是冒險的。眾所周知，提升方案的整體穩(wěn)定措施主要是纜風系統(tǒng)，拆除纜風系統(tǒng)意味著取消穩(wěn)定措施，其拆除過程和橫梁提升過程已屬不穩(wěn)定體。
    （4）塔柱理論傾斜度太小接近臨界狀態(tài)。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(jīng)計算在理論上是滿足的。但該操作過程難免產(chǎn)生動載、風荷載、沖擊荷載及不同步施工等現(xiàn)象。任何一種現(xiàn)象發(fā)生都會改變力學穩(wěn)定體系，進入臨界狀態(tài)而失穩(wěn)。
    （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(nèi)傾1.08m是滿足要求的，但未想到其它部位的受力狀態(tài)。第一，塔柱內(nèi)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(nèi)傾后柱角產(chǎn)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(wěn)。
    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(nèi)傾角過小，接近于臨界狀態(tài)。在拆除纜風過程中有不同步現(xiàn)象，加之纜風鋼絲繩的彈性作用，造成大橫梁在高空出現(xiàn)擺動現(xiàn)象。失穩(wěn)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(nèi)某體育館大型網(wǎng)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(chuàng)造了輝煌，為以后整體安裝技術發(fā)展創(chuàng)造了條件。事隔26年，在同一地區(qū)、采用更加先進的提升方案反而發(fā)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(jīng)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(wǎng)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(tài)特性和不同步現(xiàn)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(jīng)濟指標的綜合性施工計劃。設計人員必須熟悉圖紙，掌握規(guī)范，考察現(xiàn)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(xiàn)場管理；加大落實國家安全法規(guī)、施工規(guī)范的執(zhí)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(jīng)評審、批準后，原則上不許隨意變更。若非要更改，必須經(jīng)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(diào)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(wěn)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(fā)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(guī)和施工規(guī)范的執(zhí)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(xié)作精神；進一步加強施工現(xiàn)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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