(1.中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 沈阳 110179；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 20100)

1 引 言

随着社会经济的高速发展，大跨度钢骨架轻型屋面板因其维护简单、安装工期短、价格低廉及空间大等特点，在工程中占比越来越多，普遍应用于高铁车站、机场、体育场、电站厂房屋顶工程及很多空间特性较强的场所。

大跨度空间结构工程是通过施工将一个个单元结构进行拼装、滑移，最终形成一个整体结构的过程，其施工技术及施工过程中涉及的诸多力学和关键技术问题直接影响施工安全、进度以及经济投入。若技术方案设计不合理会导致吊装不平衡，最后造成倾覆或者垮塌。因而在施工初期，准确分析施工中吊装受力状态并对拼装工序进行合理控制，是保质保量完成工程的关键，是当下施工企业必须解决的问题。在荒沟抽水蓄能电站500kV地面开关站屋顶吊顶工程施工中，技术人员在施工前结合现场情况、地域性差异、吊装周期等因素，对吊点设置、施工工序及吊装设备选型提出合理的技术分析。

2 概 述

黑龙江荒沟抽水蓄能电站，是目前国内最北端、黑龙江省单机容量最大的水电站。工程以发电为主，总装机容量1200MW，单机容量300MW，按一洞二机、共两洞四机布置。电站采用500kV线路与电网相连，其地面开关站GIS室屋顶采用钢桁架结构，为螺栓球节点正放四角锥体系，屋面板为轻型混凝土复合板。网架平面尺寸为49.72m×23m，分为8榀。网架支承条件为周边支承，支承跨度为23m，支承采用铰支座，支座支承结构型式为钢筋混凝土牛腿。屋顶工程直接后续土建装修能否在上冻前完成，将直接影响后续GIS设备安装，是2020年底能否顺利实现倒送电的关键节点。

3 影响施工的因素

3.1 现场条件

500kV地面开关站GIS室分为主厂房及副厂房，目前土建结构主体已完成，处于砌体施工阶段。其南边是山丘，设置有一条4m宽施工期道路。北面约5m高差基坑，为后期高压电缆竖井位置。东西面场地为两回500kV外线设备基础。现场施工期道路已硬化，经永久上库公路与外界联通，交通条件良好，便于材料的运输。

3.2 工期因素

因整个电站工期原因，2020年底要满足倒送电要求，为保证入冬前能顺利完成开关站初装修工作，为后续GIS设备安装提供有利条件，钢桁架施工必须在一个月内完成吊装及屋面板铺设工作，才能确保在上冻之前有充足时间完成室内装修相关工作，施工期间还要做好与砌体施工的交叉作业。

3.3 空间因素

地面开关站厂房地上结构尺寸为50.7m×30.4m，GIS室内部有效空间49m×21.5m。根据本工程的结构特点，钢桁架支撑点为10轴，安装分为8榀，单榀钢桁架长度为23m，9～10轴宽度最大，为8.44mm，1～2轴宽度最小，为5.87m，实际最大占地幅度32m×20.8m。受副厂房屋檐及桥机梁影响，单榀吊装时桥机梁以下须与GIS室成40°夹角，吊装高度超过桥机梁后角度即可调整为60°，此时单榀桁架跨度为16.5m。经过计算，中间部位3榀网架宽度18.7m，满足吊装一榀网架要求，所以可整体吊装6榀，剩余2榀须采用悬挑法进行施工。

4 施工方法确定

结合现场实际情况，施工主体思路采用单榀吊装+悬挑法施工。

4.1 单榀吊装选择

单榀吊装有递推法和收缩法两种方案。

递推法是从厂房一侧开始，在地面完成单榀网架组装后，利用汽车吊进行整榀吊装，以此重复循环施工。递推法受汽车吊工位影响，1～4轴剩余3榀无法使用整榀吊装，须采用悬挑法施工，如图1所示。

图1 递推法吊装

收缩法是从厂房两侧开始安装，在地面每次组装2榀，组装时避开汽车吊吊装工位，以此类推施工。收缩法吊车站位空间充足，力争吊装一步到位，剩余最后2榀利用悬挑法施工，如图2所示。

图2 两侧收缩法吊装

4.2 悬挑法施工

悬挑法普遍用于大型起吊设备无法使用的情况，悬挑法施工要在高空进行，具有一定的安全风险，所以在施工中要做好安全防护措施。吊装时每次以一个螺栓球节点为单元，须同时由三名工人在高空将弦杆和腹杆与已吊装就位侧球体连接起来，以此类推，具体施工见图3。

图3 悬挑法施工

4.3 确定施工方案

在施工过程中采用递推法，汽车吊工位空间会越来越小。受设备室四周墙体影响，最后将有3榀无法整体吊装，且相应部位进行悬挑法施工时汽车吊的站位会因墙体阻挡无法使用。采用收缩法施工时，汽车吊的工位始终处于整个设备室的中心地带，后期剩余2榀采用悬挑法施工。比较两种方案，两侧收缩法的优势不仅体现在缩短吊装台班时间，也体现在将悬挑法施工数量减少1榀，降低了安全风险，且汽车吊最后工位布置在厂房的中部，汽车吊工位选择性增大。根据工期及现场情况，经综合考虑，选择“收缩法+悬挑法”的施工方案。

4.4 吊装设备

吊装设备不同意味着经济成本不同，吊装设备因为选型不当会造成成本增加或者工期延长。设备吊装分为双吊车抬吊法和单吊车吊装法。

双吊车抬吊法是吊装立式设备的基本方法，具有吊装时间短、安全可靠等优点；其缺点是对空间要求比较严苛，吊装空间要满足设备起吊和吊车作业半径要求；单吊车吊装法是利用一台汽车吊进行吊装，根据吊装设备的重量及高度确定好吊车型号，对吊装空间要求较低，只须满足基本的吊车站位及作业半径即可。每种方法对吊装空间、吊装类型及吊车站位布局都有不同的要求。

开关站GIS室是一个较封闭空间，采用双吊车作业空间无法满足，受场地制约影响应该采用单吊车吊装作业(见图4)。

图4 汽车吊吊装作业示意图 (单位：mm)

5 设备选型

5.1 吊装设备选型

最大单榀钢桁架为9～10轴，网架共重9.329t，单机吊装重量为9.329÷0.75(折减系数)≈12.439t。钢网架安装最高点距离地面为17.15m。吊索顶端夹角在满足要求时，应使用长度5m左右钢丝绳吊装，才可达到23.1m起吊高度。

考虑到吊装至空中至少要转动近220°、起吊重量12.439t及有效作业半径10m，满足吊装高度时，25t汽车吊最大起重量为7.1t，所以25t汽车吊无法满足吊装要求。

经过对照《50t汽车起重机主臂起重性能表》，50t吊车起重量为13.8t时，主臂伸长25.03m，全伸支腿吊装作业，工作半径10.0m，可以满足本工程网架吊装施工要求。综合考虑吊装设备，选择QY50K汽车吊进行吊装作业。

悬挑法施工最大椎体单元约为0.18t,根据《塔机起重载荷特性表》，塔吊最近距离起重量4t(最大起重量)，末端起重量0.8t。0.8t>0.178t，现场5t塔吊满足施工作业面全部钢网架椎体单元吊装。

由于土建正在进行施工，施工塔机不间断倒运材料，悬挑法施工是一个持续性的过程，无法长时间占用塔机，结合工期需要，决定租用一个汽车吊进行悬挑安装。根据现场施工高度及《25t汽车起重机主臂起重性能表》，大面积范围内网架确定使用25t汽车吊进行悬挑法施工，剩余无法使用汽车吊吊装的，利用塔机进行吊装。

5.2 钢丝绳的选用

钢丝绳选择的主要影响因素是设备吊点和设备重量。汽车吊吊装时，单机吊装重量12.439t，约等于121902.2N。吊机4个吊点，即4个分支。吊索顶端夹角85°，所以取角度系数c=1.41。

钢丝绳每支受力：

式中Q——吊装重量,N；

n——吊点；

c——角度系数。

钢丝绳的破断拉力，取安全系数k=6，则

Pp=Sk=42970.526×6=257823.156N

式中Pp——钢丝绳破断拉力,N；

S——钢丝绳受力,N；

k——安全系数。

根据钢丝绳的破断拉力求其直径，取较低抗拉强度1570MPa，则钢丝绳直径d按下式求出：

式中δ——抗拉强度，MPa。

选用钢丝绳的要求为：破断拉力不小于257.823kN，抗拉强度不小于1570MPa，直径不小于23.4mm。对照《重要用途钢丝绳》(GB 8918—2006)，采用直径24mm及以上、公称抗拉强度为1570MPa及以上的钢丝绳，单根长度不超过5m即可满足吊装要求。

6 施工支承负荷验算

6.1 吊点负荷验算

整个钢网架共10轴，整体分为8榀，其中1～5轴(4榀)和6～10轴(4榀)分别为一个整体。以6～10轴为例，6～7轴为悬挑法施工，通过两侧收缩法及空间网架设计软件计算，7～10三榀吊点设置如图5所示。

图5 网架分块吊装吊点位置

经验算，吊装时相关应力及位移云图相关数据均满足相关要求，详细参数见图6～图8。

图6 轴应力及位移云图(1)

图7 轴应力及位移云图(2)

图8 轴应力及位移云图(3)

6.2 楼板承载力负荷验算

经查设计图纸，荷载统计表楼面均布荷载为10kN/m2。汽车吊作业时支腿在主梁上方，每个支腿下垫0.2m×0.2m×2m枕木3根，单根支腿受力面积1.2m2。为进一步确保楼板结构安全，汽车吊作业时要求后方支腿优先支承于混凝土柱或主梁位置，汽车吊支腿无法作用在梁柱时，两条作用力于楼板的支腿在地面增加2m×2m×0.3m钢板(见图9)。

图9 楼板最大承载力汽车吊工位示意

汽车吊作业时要求吊车的四个支腿不同时位于一个楼板板块内，即一个楼板板块内只有一个支腿支撑。按支腿位于单个板块中间时为最不利工况计算楼板的最大弯矩：

Mmax=1.3×15.37×10×6.5/4=324.7kN·m

式中，1.3为活荷载动力系数。

根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)中附录C：楼面等效均布活荷载的确定方法，可知楼板上局部荷载(包括集中荷载)的等效均布荷载qe的计算公式如下：

qe=8Mmax/(bl2)

式中l——楼板的跨度，6.5m；

b——楼板上荷载的有效分布宽度，6.9m；

Mmax——楼板的最大弯矩324.7kN·m。

qe=8×324.7/(6.9×6.52)=8.91kN/m2<10kN/m2，按GB 50009—2012附录C0.5中第2种情况取值。即汽车吊作用下楼面等效均布荷载满足要求。

7 轻质混凝土屋面板施工

7.1 屋面板施工顺序

钢网架安装工序完成后进行轻质混凝土屋面板施工。轻质混凝土屋面板安装顺序和网架安装顺序一样时，从10轴方向往1轴方向进行施工(见图10)。

图10 塔机吊装屋面板作业半径示意

7.2 轻质混凝土屋面板施工机械的选用

由进度计划及现场条件预知，屋面板施工时现场外墙砌体及抹灰工作即将完成，施工塔机(额定荷载5t)处于停滞状态。由图纸可知，轻质混凝土屋面板最大尺寸为2.3m×2.2m，重量约等于0.387t，根据《塔机起重载荷特性表》及图10塔机作业面示意图可知：最远端一块屋面板距塔机基座中心43.7m，塔吊末端起重量0.8t，距塔机基座中心48m，0.8t>0.387t。现场5t塔吊满足施工作业面全部轻质混凝土屋面板的吊装。

7.3 屋面板安装注意事项

轻质混凝土屋面板施工前，按照轻质混凝土屋面板施工顺序确定材料堆放顺序和位置，争取做到最安全、最快捷、最小吊装回转半径。板材在现场的堆放要求为，每摞高度不超过10块，堆放整齐安装前在网架支托上按照安装顺序弹出安装基准线，以基准线控制轻质混凝土屋面板平面位置。

吊装时，采用专用机具吊装，吊装钩挂在板材侧面主肋的吊装孔内，挂牢。起钩前确认挂钩是否牢固，如有隐患要立即通知起重司机，排除隐患后，重新挂钩起吊。

屋面板安装时，板搁置在支托上的宽度不得小于60mm，就位后，屋面板主肋应与支托焊接牢固。支撑处如有空隙，用铁片垫塞后，再进行焊接固定。将板材全部放置到屋面或几个独立单元吊装完毕后开始调缝，工具可用扁铲形撬棍。将板缝调节平整顺直并尽量使板缝宽度均匀，一般以2cm宽为宜。板缝调节完毕后，先进行板与支托的焊接。每块板材与支托焊接长度6cm，厚度3mm，焊接后将焊渣清除后刷防锈漆。

8 安全控制措施

该工程属于高空作业，高空人员须全部正确系好安全绳，作业时应把安全带挂在可靠的构件上或生命线上。高处作业人员配备工具袋，所用工具放入袋内，挂靠在牢固便利的安全位置，上下传递工具必须用绳子拴住，尽量避免夜间施工，夜间只能进行地面施工，且在照明条件满足相关要求的情况下方可施工。

8.1 高处坠落事故处置措施

救援人员首先根据伤者受伤部位立即组织抢救，使伤者快速脱离危险环境，联系总包单位相关人员送往医院救治，并保护现场。察看事故现场周围有无其他危险源存在。在抢救伤员的同时迅速向上级报告事故现场情况。

8.2 机械伤害事故处置措施

发生各种机械伤害时，应先切断电源，再根据伤害部位和伤害性质进行处理。根据现场人员被伤害的程度，一边通知急救医院及总包单位相关人员，一边对轻伤人员进行现场救护。对重伤者不明伤害部位和伤害程度的，不要盲目进行抢救，以免引起更严重的伤害。

9 方案经济分析

从工期成本、设备租赁成本、时间成本以及人员整体支出等各方面综合考虑，采用该方案便于施工经济效益实现最大化。

9.1 空间及时间分析

为了将现场空间最大限度利用起来，经计算，每次组装两榀钢桁架(见图11)，剩余空间满足50t汽车吊作业需求。考虑到后期悬挑式施工因素，安装方法选择两侧收缩法，使用单台50t汽车吊吊装。

9.2 成本分析

据调查，牡丹江地区50t汽车吊租赁台班费用为6000元/天，25t汽车吊租赁台班费用为2500元/天。组装一榀钢桁架需要一天半时间，持续租用吊车会造成不必要的支出，因此确定施工方案为每次组装两榀钢桁架，组装及吊装周期为4天(其中前3天为组装和现场工位清理等，第4天为吊装)，50t汽车吊租用3天，大面积悬挑法施工使用的25t汽车吊预计租用5天。最后的屋面板与土建工区协调使用塔机进行施工。

图11 钢桁架现场组装示意

10 结 论

经过实际施工论证，该项工作从设备进场到最后一块屋面板吊装就位比进度计划提前近10天完成。该项目的超前施工不仅满足了建设方的相关要求，使各类资源使用最大化，还将节省人工成本近4万元，设备租赁费用近5万元，间接经济效益10余万元。该工程的顺利完成，扭转了因地质条件造成的工期延误，不仅赢得了监理和业主的一致认可，其规范性施工也在检查组中留下良好口碑。该方案的顺利实施，可在进度及经济方面为类似工程施工提供参考。