盘锦忠旺铝业有限公司年产80万t铝挤压型材及加工项目一期二标段B区工程位于辽宁省盘锦市辽东湾新区,包含B1,B2,B3,B4挤压车间及配套设施,E区办公区及F区成品物流区建筑面积约58万m²。其中涉及屋面吊顶板安装的B1,B2,B3,B4 4个挤压车间均为单层钢结构厂房,单个车间长度为600m,宽121m,高17.2m,设4跨,吊车梁跨距均为28.5m,每跨均设有通长吊车梁,分别运行32/5t 1台及10/3t吊钩桥式起重机2台。屋面系统采用双层金属压型板内夹150mm厚玻璃纤维保温棉及Z型钢檩条的构造,为双坡屋面,坡度为5%,吊车梁顶距屋面梁底最小距离为4.5m。本工程采用大跨度移动式钢桁架操作平台替代常规的檩条上设置移动式吊篮的施工措施,应用面积约29万m²。工程效果如图1所示。

移动式钢桁架操作平台由3部分组成:(1)采用标准节及支座节设计的支撑桁架;(2)可拆卸的支撑脚手架;(3)满铺金属筛网的操作平台。如图2所示。

支撑桁架作为操作平台基础,采用宽2m、高1.8m、长3m的标准节段及宽2m、高1.8m、长0.75m的支座节点设计,支座节段是专用节段,用以调整非标准吊车跨度,以每3m为1个节段,单元间采用M20高强螺栓连接。材质均为Q235B。其中弦杆采用角钢└125×8,斜腹杆采用角钢└90×6,直腹杆采用角钢└70×5,连系杆采用角钢└50×4及角钢└70×5。每个节段的弦杆间采用8.8级扭剪型高强螺栓连接,整个支撑桁架组装后跨间轮距为28.5m。整体涂刷环氧富锌底漆1遍,干膜厚60μm。支撑桁架四脚分别设置1个起重机车轮,每个车轮均带有限位装置。

根据设计尺寸、截面、材质进行建模。考虑支撑桁架及脚手架自重作为恒荷载,活荷载取1.0k N/m²,并考虑现场情况,采用MIDAS/Gen2014对2种类型的荷载组合进行验算:(1)1.20恒荷载+1.40活荷载;(2)1.35恒荷载+0.98活荷载。计算得出跨中竖向位移为-28.5mm(小于S/400,S为跨距),满足要求。根据计算分析模型,进行规范检验,检验结果表明,结构能够满足承载力计算要求,应力比最大值为0.48,均小于1,满足要求。

角钢└90×6,受轴力N=40.3k N,采用双侧角焊缝连接,焊缝高度取h_f=6mm,由构件材质Q235查得焊缝强度f_wf=160MPa。

肢背受力系数K₁=0.7,受力N₁=K₁N=28.210 k N;肢尖受力系数K₂=0.3,受力N₂=K₂N=12.090 k N;肢背所需焊缝长度L_w1=N₁/(0.7 h_ff_wf)+10=51.979mm,肢尖所需焊缝长度L_w2=N₂/(0.7h_ff_wf)+10=27.991mm。实际肢背焊缝长度L_w1=150mm,满足要求;实际肢尖焊缝长度L_w2=150mm,满足要求。同理,角钢└70×5的焊缝连接也满足要求

螺栓选用普通螺栓8.8级,8×M20(单个螺栓数量n=8);受剪面为1个,剪切面位于螺纹处;螺栓横截面面积=314.159mm²;横截面有效面积=244.8mm²;抗拉强度设计值=210MPa;抗剪强度设计值=190MPa;构件承压强度设计值=405MPa;由《钢结构设计规范》GB50017—2003 7.2.1得单个螺栓受剪承载力N_vb=46.512k N;单个螺栓受压承载力N_cb=81k N。由GB50017—2003 7.2.4得螺栓承载力折减系数为0.948;折减后单个螺栓受剪承载力N_vb=44.096k N;受压承载力N_cb=76.793k N;螺栓群受力N=134k N。单个螺栓受到N产生的剪力N_v=N/n=134/8=16.75k N,N_v≤min(N_vb,N_cb),满足要求。

节点板材质Q235B,最大压力N₁=40.3k N;板材压应力σ=N₁/b_et=40.8MPa<f=210MPa,满足要求。受压腹杆连接肢端面中点沿轴线方向至弦杆的净距c=65mm,c/t=65/8=8.1<15,不需要进行稳定性验算,满足要求。

根据现场吊顶板安装高度需求在支撑桁架上搭设钢管脚手架,作为操作平台的支撑。采用品茗软件进行脚手架验算,依照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130—2011、《建筑结构荷载规范》GB50009—2012、《钢结构设计规范》GB50017—2003对脚手架进行计算。结果表明:小横杆及大横杆的均布荷载、抗弯强度、挠度,扣件抗滑力,考虑风荷载时立杆的稳定性等计算均满足要求。

操作平台板采用金属筛网满铺,筛网选用低碳钢丝,丝径为3mm,孔径为25mm×25mm,与脚手架管绑扎牢靠。在移动式支撑钢桁架纵面设置上、下操作平台爬梯,梯梁采用Q235B角钢└60×6制作,踏步为Q235B圆钢Ф16@300,爬梯顶部设圆钢弯钩与脚手架钢管连接、中部设圆钢弯钩与桁架上层型钢连接、下部与钢管绑扎牢靠,其顶部设置防坠器。

钢爬梯宽L=350mm,在标准荷载组合下最大位移(1/1 029)L=0.34mm,《钢结构设计规范》GB50017—2003中的位移限值为L/250,结构位移满足正常使用极限状态下设计条件。钢爬梯在最不利荷载组合下的应力最大值为153.16N/mm²,Q235钢材的允许应力为215N/mm²,满足承载力验算要求。

护栏立杆采用脚手架钢管,外部挂安全网,操作平台底部设置1道水平兜网。

施工准备→钢桁架操作平台组装及吊装→屋面吊顶板安装→钢桁架操作平台移动与停止。

1)围护结构安装在钢结构安装工程检验批质量验收合格后进行。

2)围护安装材料(如彩卷、檩条、拉条等)进场检验合格。

3)钢桁架操作平台进场验收的主要内容有:(1)钢型材、焊材等原材料进厂验收合格,委托加工的制作厂资质、相关制作人员资质检验合格并有焊工钢印,按图纸要求的规格尺寸制作;(2)钢桁架操作平台安装材料(如高强螺栓、钢型材、钢管扣件、兜网等)进场检验合格,进场时需报构件进场合格证,外形尺寸允许偏差符合规范要求;(3)腹杆、弦杆对接按型钢标准接头处理;(4)杆件与节点板焊缝位置及焊脚高度满足设计要求,焊缝表面不得有裂纹、焊瘤等缺陷,焊缝外观符合规范要求。

4)针对施工工序(脚手架搭设、吊装作业等)对工人进行专项安全交底。

5)用于支撑桁架组装的场地地面平整并夯实。

将简易胎架沿跨度方向布置,保证胎架顶标高一致,支撑桁架标准节由25t汽车式起重机分节段吊至简易胎架上进行组装,穿入普通螺栓作为临时连接,调整完毕测量合格后更换高强度螺栓并终拧。

吊装前需检查前后轮的直线度及支撑桁架车轮的跨度是否在误差内。

按脚手架图纸及《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130—2011要求在支撑钢桁架上搭设脚手架。

采取25t汽车式起重机进行“双机抬吊”(见图4),每个吊车吊点为2个,采用6×37+IWRФ20钢丝绳绑扎在主弦杆上,将桁架吊装至吊车梁上。双机抬吊时应先试抬,并统一指挥,操作者相互配合,动作协调,起重机回转及爬杆速度尽量一致。

屋面吊顶板的垂直运输利用2个挂钩挂在屋面檩条上的定滑轮,绳索绕过滑轮,一端由地面2人牵引,一端勾住吊顶板(在距板外边缘20~50mm处开孔,孔位于波底,孔距与定滑轮等距)进行提升。吊顶板贴紧檩条后,作业人员开始用电钻打钉固定。一个区域的吊顶板安装完成后,推动钢桁架操作平台至下一吊顶板的安装位置。

钢桁架操作平台的移动以桁架正前方两侧各一套倒链拉动、后方两侧每侧各2人推动的前行方式。需保证两端拉拽及推动速度一致,推力均匀。

操作平台人员作业时装置处于停止状态,在钢桁架前进及后退方向各设置1套夹具。每套夹具卡住吊车梁上翼缘,采用6×37+IWR20钢丝绳穿夹具孔及车轮处节点板孔,紧固件采用M20紧固螺栓。

1)钢结构所用钢材质量应分别符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T700—2006规定的Q235钢材,钢材必须有原材料合格证,构件进场需提供构件合格证,高强度螺栓应符合《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》GB/T3632—2008规定,通过相应试验报告对梅花头的终拧情况进行逐个检查。

2)钢桁架操作平台移动时注意对钢结构油漆的保护;限位装置采用棉布包裹,避免出现碰撞时损坏油漆。

3)安装质量控制目标(见表1、图5)

1)操作平台上工作人员必须佩戴安全帽,正确悬挂安全带,特种作业人员必须持证上岗。

2)操作平台搭设防护栏杆并将整个操作平台封闭,栏杆底部设置脚踢板,栏杆与支撑脚手架可靠连接;支撑脚手架刷黄色油漆,栏杆与脚踢板刷红白油漆。操作平台上必须满铺平台板,满布水平兜网,外部拉结安全网,水平兜网必须与支撑脚手架绑扎牢固。禁止倚靠防护栏杆。

3)作业时跨间拉设生命绳,生命绳系在柱间系杆上,安全带系挂在生命绳上。

4)作业时禁止高空抛物,在作业周围拉设警戒线并设置警示标牌。设置专人安全岗哨,全程看护施工操作面下方地面人员活动情况。

5)操作平台上堆放的吊顶板质量不得超过0.5t。

1)进场前组织工人进行入场安全教育,安全考试合格后方可上岗。

2)施工前对工人进行安全技术交底,在工人理解并接受交底后方能开始作业。

1)钢桁架操作平台搭设完成后,经验收合格方可投入使用。

2)定期对钢桁架操作平台运行情况进行检测。

3)设置专职安全员对钢桁架操作平台安全措施进行监控。

1)钢桁架操作平台保持清洁,垃圾定期收集并运至地面处理。在现场设置封闭式垃圾站,施工现场配备保洁员对施工场地内垃圾应妥善分类收集,分类运输至垃圾站。

2)向全员大力宣传环境保护的重要性并指定环保监督员,对现场进行监督检查并考评。

1)革新传统安装工艺,大大缩短吊顶板安装时间,与传统采用吊篮施工方法相比缩短工期近50%,为厂房提前封闭创造了有利条件。

2)移动式钢桁架操作平台减少了场地限制对钢结构围护安装的影响,解决了室内地面施工或安装设备进行立体交叉施工时带来的不利影响。

3)移动式钢桁架操作平台经过相关力学验算,为作业人员提供了便捷、安全、可靠的操作面,最大程度减少了高空作业风险。

4)开拓了此类钢结构工程屋面吊顶板安装的应用模式,为推广高效节能、绿色环保的轻钢建筑提供了可持续发展新举措。

传统吊篮使用镀锌钢管制作,作业时在移动式吊篮挂钩上绑扎一根钢丝绳并安装卡环,吊篮挂在檩条上后,锁上卡环防止吊篮脱钩。吊篮内作业人员共同将屋面板安装,每安装好1块板后,作业人员和吊篮往前滑动1块板的距离,开始安装下一块,同时地面人员利用吊轮进行人工上板。

每跨配备1组人员施工(安装净面积为1.8万m²),正常施工条件下,实施钢桁架操作平台方案,需安排5人在操作平台上进行打板作业及负责桁架移动,地面安排2人进行吊顶板垂直运输;实施吊篮方案需安排7人打板,地面安排2人进行屋面板垂直运输。人工费仅测算作业人员成本。按安装效率测算时间,其中实施钢桁架操作平台方案完成时间为12d,实施吊篮方案完成时间为22.5d;材料费仅测算措施材料成本,每跨所用钢桁架操作平台(脚手架扣件按租赁考虑)的制安成本为32 760元,每跨所用吊篮的制安成本为2 620元,扣除残值(残值按废铁550元/t)后按周转次数6次进行等值折旧;机械费计算装卸或转移钢桁架操作平台时发生的成本;安装效率取队伍安装效率稳定时的平均值;成本(元/m²)=(人工成本+材料+机械)/安装净面积。成本对比分析如表2所示。

从上述测算可知,在1.8万m²的安装面积前提条件下,采用钢桁架安装比常规吊篮安装节省成本40%。安装净面积越大,使用钢桁架作为施工措施的成本优势越明显。

本工程结合现场实际情况,有针对性地选用移动式钢桁架操作平台施工技术,具有高效节能、装置循环利用率高、受场地及立体交叉影响小、安全度高等优点,适用于如下围护工程屋面吊顶板施工:(1)厂房设计有吊车梁;(2)吊车梁顶距屋面梁底部垂直距离≥3m;(3)厂房屋面吊顶板施工面积达7 000m²。