一种装配式钢结构屋面及其组拼施工方法与流程

本发明涉及基坑桩锚支护领域，具体为一种装配式钢结构屋面及其组拼施工方法。

背景技术：

目前一些大型公共建筑工程中，经常会遇到外形独特，内部中空的建筑，建筑内部中空部分空间大、上下通透，且考虑到屋盖结构跨度大和采光要求，一般都设计成钢结构采光玻璃屋顶。这类屋盖钢结构虽外形简单，但由于处于建筑物内顶部，屋盖中空高度比较高、面积比较大，且屋盖钢构件自身重量大，安装难度可想而知。此类工程钢结构屋顶安装时，由于大型起吊设备不能进入室内吊装，设置室内塔吊吊装则塔吊拆除又是一个难题，而采用大跨度钢结构常用的施工方法如整体提升（顶升）、整体吊装、滑移法施工等工艺均不适合本工程，满堂脚手架、分段吊装、高空组拼的施工方法虽然适用，但钢结构整体起吊比较困难，且周转材料投入量会非常大，整体施工工期也比较长。高大装配式钢结构屋面已被广泛应用于大型公共建筑工程中，但现有高大屋面钢结构施工存在钢构件自身重量大、起吊困难、周转材料投入量大、施工工期长、安装维护难成本高等问题。因此，设计一种结构简单、安装维护方便、周转材料投入少、施工周期短的高大屋面钢结构及其组拼施工方法具有重要现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有装配式钢结构屋面施工存在钢构件自身重量大、起吊困难、周转材料投入量大、施工工期长、安装维护难成本高等问题，提供一种一种结构简单、安装维护方便、周转材料投入少、施工周期短的装配式钢结构屋面及其组拼施工方法。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种装配式钢结构屋面，包括若干立柱和圆形圈梁组合成的混凝土基础以及可拆卸连接在所述混凝土基础上的钢结构屋面本体；所述钢结构屋面本体包括位于中间的内心圈、若干均匀分布在所述内心圈外周的边缘主梁、若干可拆卸设置在两个边缘主梁之间的弧形主梁、两端分别与弧形主梁和混凝土基础可拆卸连接的边缘次梁以及若干可拆卸设置在边缘次梁和边缘主梁之间的弧形次梁；所述内心圈外均匀固定设置有若干数量与所述边缘主梁数量相同的外伸梁，所述外伸梁的长度短于边缘主梁的长度；所述边缘主梁的两端分别与内心圈的外伸梁和混凝土基础连接；所述混凝土基础的顶端内侧设置有用于容纳边缘主梁和边缘次梁的凹槽。

优选的，所述内心圈设置有十字交叉梁，以加强结构强度和刚度；所述十字交叉梁梁臂上端面均设置有沿宽度方向对称分布的吊环螺栓；吊环螺栓的形状为u形。

优选的，所述内心圈的外伸梁、边缘主梁、弧形主梁、边缘次梁以及弧形次梁的主体均为工字梁。

优选的，所述内心圈与边缘主梁、边缘主梁与弧形主梁、边缘主梁与边缘次梁、弧形主梁与边缘次梁、弧形次梁与边缘次梁之间均采用相同的螺纹连接，利用安装板、高强度螺栓、垫片和螺母对相接的工字梁腹板进行连接。

优选的，所述弧形主梁两端与相邻边缘主梁连接处纵向板上、弧形主梁中间外伸梁与边缘次梁连接处安装板上的通孔均呈9行2列分布，通孔直径比高强度螺栓直径大1-2mm。

优选的，边缘主梁与内心圈外伸梁连接处、边缘主梁与弧形主梁连接处、边缘主梁与弧形次梁连接处的纵向板上通孔呈9行2列分布，边缘主梁与混凝土基础连接处的底板上的通孔呈4行4列分布，沿边缘主梁宽度方向两侧分别设置4行2列，通孔直径比高强度螺栓直径大1-2mm；弧形主梁的数量为8，弧形主梁两端与相邻边缘主梁连接处纵向板上、弧形主梁中间外伸梁与边缘次梁连接处纵向板上的通孔均呈9行2列分布，通孔直径比高强度螺栓直径大1-2mm。

优选的，弧形主梁的数量为8；边缘主梁的数量为8；边缘次梁的数量为8；弧形次梁的数量为16。

优选的，所述所述混凝土基础的凹槽与边缘主梁和边缘次梁连接处设置有预埋钢板，所述预埋钢板。

优选的，所述预埋钢板上设置有与边缘主梁与混凝土基础连接处分布相同的通孔；若干预埋螺栓的上端设置有螺纹且伸出预埋钢板上方；下方设置有弯钩，固定在混凝土基础内。

一种装配式钢结构屋面的组拼施工方法，步骤如下：

s1、将内心圈整体构件牵引至中厅底层中心部位，同时将边缘次梁、弧形主梁、边缘主梁、弧形次梁运至主体结构待吊区；

s2、在内心圈整体构件内搭设格构柱支架，在支架顶部的横梁上对称安装四只手拉葫芦，并在内心圈整体构件上安装吊环螺栓；

s3、通过格构柱支架顶部对称四只手拉葫芦，将内心圈整体构件牵引至预定高度，并用焊接牛腿临时固定；

s4、在格构柱支架上安装桅杆吊，桅杆吊采用单杆支撑，桅杆吊的吊点设置于边缘主梁安装中心位置附近；

s5、先将四根边缘主梁吊运并临时固定，以控制屋盖系统的整体安装尺寸偏差，再将另外四根边缘主梁进行上述同样步骤安装；

s6、对已安装的8根边缘主梁进行位置校正，确认后通过高强度螺栓紧固；

s7、将其余弧形主梁、边缘次梁以及弧形次梁吊运到位，并进行高强度螺栓拼装连接；

s8、将下部格构柱支架拆除。

本发明具有以下有益效果：

1、相较于现有装配式钢结构屋面，自重更轻、构件截面更小，采用工字钢作为钢结构主体，减少废弃物对环境造成的污染，材料为绿色可回收建材，满足生态环保要求，符合当前环保形势。

2、该装配式钢结构屋面，采用工厂化预制，现场组合，提高构件装配精度及焊接质量，防止现场钢构件焊接的质量通病。

3、该装配式钢结构屋面，施工工期短、安装维护难成本低。

4、装配式钢结构屋面的组拼施工方法，起吊设备安装简单，周转材料投入量小；而且可以多次循环使用。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明装配式钢结构屋面整体装配示意图；

图2为本发明钢结构屋面本体的示意图；

图3为本发明内心圈与边缘主梁装配示意图；

图4为本发明边缘主梁与外伸梁连接示意图；

图5为本发明边缘主梁、边缘次梁、弧形主梁、弧形次梁装配示意图；

图6为本发明边缘主梁与混凝土基础安装示意图；

图7为本发明边缘主梁与混凝土基础安装示意图；

图8为本发明吊环螺栓与内心圈安装示意图；

图9为本发明格构柱立柱支架吊装内心圈示意图。

图中，1、混凝土基础；2、边缘次梁；3、弧形主梁；4、边缘主梁；5、弧形次梁；6、内心圈；7、吊环螺栓；8、吊环垫片；9、吊环螺母；10、螺母；11、安装板；12、高强度螺栓；13、垫片；14、预埋钢板；15、预埋螺栓；16、横梁；17、手拉葫芦；18、格构柱立柱；19、牛腿；20、底板；21、底板螺栓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1-9；

1、为降低零件种类数量，降低结构安装难度，结构中所有的螺纹连接采用相同的规格，包括牙型、中径、大径、小径、导程、线数、旋向等，而螺纹长度根据所在结构要求确定。

2、内心圈6与边缘主梁4、边缘主梁4与弧形主梁3、边缘主梁4与边缘次梁2、弧形主梁3与边缘次梁2、弧形次梁5与边缘次梁2之间均采用相同的螺纹连接方案，安装板11夹在待连接的工字梁的腹板两侧，利用纵向安装板11、高强度螺栓12、垫片13和螺母10进行连接。

3、内心圈6外围设置多有个外伸梁。边缘主梁4通过内心圈6的外伸梁与内心圈6进行连接。内心圈6的外伸梁上靠近与边缘主梁4连接处设置有多个均布的直径与高强度螺栓12直径相适应的通孔。在本实施方案中，内心圈6的外伸梁数量为8，内心圈6的外伸梁上靠近与边缘主梁4连接处设置的通孔呈9行2列均匀分布，通孔直径比高强度螺栓直径大1-2mm。

4、内心圈6内部为十字交叉梁，以加强结构强度和刚度。十字交叉梁4个梁臂上均设置有沿宽度方向对称分布的通孔，用于安装吊环螺栓7。吊环螺栓7为u形结构。安装时，将吊环螺栓7分别从顶部插入内心圈6十字交叉梁4个梁臂上分布的通孔内，从底部向上分别装入吊环垫片8和2个吊环螺母9，实现螺纹连接的防松。

5、边缘主梁4主体为工字梁。边缘主梁4一端与内心圈6的外伸梁进行连接，一端与混凝土基础1进行连接。边缘主梁4中间与弧形主梁3和弧形次梁5连接处设置有纵向安装板11，实现边缘主梁4分别与弧形主梁3和弧形次梁5进行连接。边缘主梁4上，在与内心圈6外伸梁连接处、与弧形主梁3连接处、与弧形次梁5连接处的纵向安装板11上和与混凝土基础1连接处的地板上均设置有多个均布的直径与高强度螺栓12直径相适应的通孔。在本实施方案中，边缘主梁的数量为8，边缘主梁4与内心圈6外伸梁连接处、边缘主梁4与弧形主梁3连接处、边缘主梁4与弧形次梁5连接处的纵向安装板11板上通孔呈9行2列分布，边缘主梁4与混凝土基础1连接处的预埋钢板14上的通孔呈4行4列分布，沿边缘主梁4宽度方向两侧分别设置4行2列，通孔直径比高强度螺栓12直径大1-2mm。

6、弧形主梁3主体采用工字梁弯曲加工获得。弧形主梁3两端分别于相邻的边缘主梁4进行连接，中间设置有外伸梁以便于边缘次梁2进行连接。弧形主梁3两端与相邻边缘主梁4连接处的纵向安装板11板上、弧形主梁3中间外伸梁与边缘次梁2连接处的纵向安装板11上均设置有多个均布的直径与高强度螺栓12直径相适应的通孔。在本实施方案中，弧形主梁3的数量为8，弧形主梁3两端与相邻边缘主梁4连接处纵向安装板11上、弧形主梁3中间外伸梁与边缘次梁2连接处纵向安装板11上的通孔均呈9行2列分布，通孔直径比高强度螺栓12直径大1-2mm。

7、边缘次梁2主体为工字梁。边缘次梁2一端与弧形主梁3的外伸梁进行连接，一端与混凝土基础1进行连接。边缘次梁2中间与弧形次梁5连接处设置有纵向安装板11，实现边缘次梁2与弧形次梁5进行连接。边缘次梁2上，在与弧形主梁3外伸梁连接处、与弧形次梁5连接处的纵向安装板11上和与混凝土基础1连接处的预埋钢板14上均设置有多个均布的直径与高强度螺栓12直径相适应的通孔。在本实施方案中，边缘次梁2的数量为8，边缘次梁2与弧形主梁3外伸梁连接处、边缘次梁2与弧形次梁5连接处的纵向安装板11上通孔呈9行2列分布，边缘次梁2与混凝土基础1连接处的通孔分布与边缘主梁4与混凝土基础1连接处的通孔分布相同，在预埋钢板14上呈4行4列分布，沿边缘次梁2宽度方向两侧分别设置4行2列，通孔直径比高强度螺栓12直径大1-2mm。

8、弧形次梁5主体采用工字梁弯曲加工获得。弧形次梁5两端分别于相邻的边缘主梁4和边缘次梁2进行连接。弧形主梁3两端与相邻边缘主梁4和边缘次梁2连接处纵向安装板11上分别设置有多个均布的直径与高强度螺栓12直径相适应的通孔。在本实施方案中，弧形次梁5的数量为16，弧形次梁5两端与相邻边缘主梁4和边缘次梁2连接处纵向安装板11上的通孔均呈9行2列分布，通孔直径比高强度螺栓12直径大1-2mm。

9、预埋钢板14上设置有与边缘主梁4与混凝土基础1连接处分布相同的通孔，并在通孔的下侧加工锥孔，通孔直径与预埋螺栓15光轴部分相同。制作时，将各个预埋螺栓15插入预埋钢板14上的通孔中，预埋螺栓15的尾部与预埋钢板14上的锥孔同侧，并将预埋螺栓15和预埋钢板14上焊接牢固。混凝土基础1浇筑前，将焊接好的预埋钢板14连同预埋螺栓15预埋进混凝土基础1中。

10、格构柱支架由底板20、底板螺栓21、格构柱立柱18、工字钢横梁16、手拉葫芦17组成。格构柱立柱18、工字钢横梁16、手拉葫芦17的数量均为4个，均匀分布。底板20上设置有多个底板螺栓21直径相同的通孔，并在通孔的下侧加工锥孔，各个底板螺栓21插入底板20上相应的孔内后焊接牢固。土建施工时，根据内心圈6的安装位置，将焊接好底板螺栓21的底板20预埋在混凝土基础1中，并保证底板20顶面水平。格构柱立柱18、工字钢横梁16、手拉葫芦17施工前准备好，在施工时安装。

11、格构柱立柱18由钢管、角钢、板材焊接而成。格构柱立柱18高度方向左右两侧由2根立着的钢管构成，靠近底部和顶部焊接有2根水平放置的钢管，管径与立着的钢管相同，中段部分由角钢焊接成形，包括横杆和斜拉杆，以增强结构刚度和强度，同时横杆可用于安装脚手架。中段部分横杆和斜拉杆的数量、位置根据格构柱立柱18高度确定。格构柱立柱18左右两侧2根立着的钢管的底部分别焊接有4块沿圆周均匀分布三角形板材，作为加强筋，用于增加结构强度和刚度。

12、组拼施工时，将内心圈6放置在底板20上，并根据安装要求调整好内心圈6的姿态和位置，同时将其他边缘主梁4、边缘次梁2、弧形主梁3、弧形次梁5运至主体结构待吊区，并将格构柱支架组成部件格构柱立柱18、工字钢横梁16、手拉葫芦17运送到内心圈6处。接着，进行格构柱支架的安装，将4个格构柱立柱18依次插入内心圈6内部的4个通孔中并沿圆周均匀分布，将各个格构柱立柱18的底部焊牢在底板20上，在相邻2个格构柱立柱18之间用工字钢横梁16焊牢，并在各个工字钢横梁16上安装手拉葫芦17。进而将各个手拉葫芦17的吊绳依次套在相应的安装于内心圈6的4个吊环螺栓7上，启动各手拉葫芦17调整内心圈6的高度和姿态使内心圈6位于目标安装位置后，在格构柱支架上、内心圈6底部接触处，焊接临时牛腿19，以便临时固定内心圈6。内心圈6临时固定后，在格构柱支架上安装桅杆吊，利用桅杆吊依次吊装8个边缘主梁4。每吊装1个边缘主梁4，先进行临时固定，以便控制整体安装尺寸偏差。8个边缘主梁4到位后进行位置校正。位置确认后，利用垫片13、螺母10紧固8个边缘主梁4和混凝土基础1，利用腹板11、高强度螺栓12、垫片13、螺母10实现边缘主梁4和内心圈6之间的高强螺纹紧固。8个边缘主梁4紧固后，依次安装8个弧形主梁3、8个边缘次梁2和16个弧形次梁5。整体屋面钢结构安装完成后，依次拆除临时牛腿19、手拉葫芦17、工字钢横梁16和格构柱立柱18。

具体的施工要点：

（1）、格构柱支架底座安装及下部混凝土结构加固

格构柱支架底座底部用30厚钢板4000×4000，钢板下部用c30细石砼找平钢板铺在找平层整密实在与楼面之间的水平间隙，使其受力均匀，为确保内架吊装安全，楼层下除φ900芯柱外，另增设8根格构柱立柱18顶紧在楼板下，钢格构架采用8根φ159×6水平支撑及斜撑连成格构体，与上部吊架体系杆件在对应的位置，钢管下垫钢板采用400×400×20钢板。

（2）、屋盖内心圈整体构件就位

内心圈6整体构件通过铺设斜道，用20槽钢4支6米通长铺设两道钢梁，替换作轨道铺设在砼斜坡道上（包括至室内中心区），用钢丝绳加3吨卷扬机牵引到预定位置。

（3）、格构柱支架安装

格构柱支架安装要安装在内心圈整体构件内部，这样格格构柱支架安装完成后才能进行内心圈6整体构件牵引。

格构柱支架吊架采用φ159×6，φ159×6管单根长9m需接头，接头错开≥2000m，先单管制作成4片，再用六十吨米塔吊配合安装，在芯筒外侧搭设环形脚手架，上部管用两个接头在脚手架上进行对接，对接φ159×6主立杆必须确保同心圆，并分段加固。

双支φ159×6立杆四组之间竖向等距设置，中间能通过内心圈6整体构件的圆弧外挑的翼缘板间距为宜。φ159×6钢管形成的正多边形，每边长在高度剪力撑交叉连接。顶部的收口平面用125工字钢作横梁，搁置在钢管端部顶部并焊接。

支撑内心圈6整体构件所用的φ159×6格构柱支架体系的安装，是由下向上逐节安装，四周预先搭设φ48×3钢管双排脚手架，水平间距1500mm,步距2000mm，脚手架的搭设中心点向外1.5m半径开始搭设一排脚手，在φ108立杆外侧搭一排圆形脚手供安装支撑及接立杆用。随着支撑架的升高，脚手架预先升高保证安装使用。

φ159×6管子与管接头为电焊对焊，同心连接，确保焊接质量，使整体受力一致，管子吊装由主体结构施工使用的60吨塔吊垂直起吊，配合支撑安装。并随时做好竖杆与竖杆之间的水平及剪力斜拉支撑临时固定。

（4）、内心圈整体构件提升牵引

格构柱支架安装完成后，在内心圈整6体构件上对称设置4个吊点，通过吊挂于支架顶部的4根工字钢横梁16上的4只5t手拉葫芦17，人工进行四点平均向上牵引。开始牵引时，要在构件吊起离地面200mm时，全面观察各部位的工作情况，待全部检查，未发现问题后再徐徐上升。向上运动过程中必须随时检查工件的水平，防止构件倾斜一方引起单个葫芦超重而受力失稳，发生重大安全事故。这里进行水平度测量，规定当某一方向高度≥50mm时，该方向应停止向上牵引，应从其他三处向上牵引并校正校平。经不断牵引和保证工件水平，平均用力来达到理想的吊运效果。

由于构件安装高度比较高，因此必须分多次分段提升，每升一次需在φ159×6两侧各设一只托架支撑构件转换吊层，每只托架下需设劲板确保承受构件荷载。同时用等粗钢丝绳环构件一周用锁扣锁紧，与上部钢梁固定。待上部5吨起重葫芦拉索复位并提升至固定钢丝绳不受力后，拆除稳定钢丝绳及牛腿19，此时固定钢丝绳随构件提升。内心圈6整体构件三至四米往复提升一次。内心圈6整体构件吊装完成后，应进行临时固定，以便其余钢梁安装。

（5）、格构柱支架上桅杆吊及顶部临时吊点安装

内心圈6整体构件吊装到位后，在格构柱支架上安装桅杆吊，桅杆吊采用φ108×4单支斜立杆，斜立杆支脚采用抱箍与格构柱支架主立杆连接，桅杆吊斜立杆上端通过双道钢丝绳与格构柱支架拉结固定。桅杆吊吊装采用滑轮加钢丝绳的形式，钢丝绳采用直径φ17mm，利用卷扬机进行牵引。

格构柱支架顶部采用双拼φ108×4钢管扁担式吊点，作为钢主梁吊装时梁端的临时吊点。双拼钢管与格构柱支架顶部横梁16使用螺栓扣连接，保证吊点的稳固。

（6）、边缘主梁吊装

在边缘主梁4重力中心设置一处吊耳，通过桅杆吊将主梁吊起，吊起时在构件吊起离地面200mm时，全面观察各部位的工作情况，待全部检查，未发现问题后再徐徐上升。边缘主梁4两端用绳子配专人牵拉以防止主梁摆动。边缘主梁4吊装到一定高度后，配合梁两端临时吊点进行梁安装。吊装时，先将四根贯通边缘主梁4依次吊运提升至内心圈6整体构件标高所在位置，并采用腹板及临时固定螺栓与内心圈6整体构件进行对接临时固定，再将另外四根边缘主梁4进行上述同样步骤安装。

边缘主梁4安装完后，对已安装的8支边缘主梁4进行位置高度、中心位置、坡部、起穹、主梁与主体连接螺柱标高测量，经反复校正确认后采用高强螺栓12替换临时螺栓，并进行初拧、中拧、终拧。并对钢梁翼缘由下向上进行焊接拉接，使整个钢构采光顶形成一个完整的稳固刚性体系。

（7）、弧形主梁和边缘次梁吊装

弧形主梁3、边缘次梁2以及弧形次梁5利用塔吊吊装，并利用手拉葫芦17配合，到位进行高强度螺栓12拼装连接。所有构件安装完成后，对构件进行防火、防锈漆喷涂。

（8）、格构柱支架拆除

格构柱支架随支撑体系下降随层拆除，φ159×6支撑系统拆除按6-8m一段，所焊接接头位置用c2h2-o2气割断开，用塔吊将构架分小片块起吊(≤1000kg)，再落在2层室内地面木枕上，向外清运，如此向下循环拆除。拆除时须派专人指挥，专人监护，上部不作业时，下部清运钢管架。同时做好防火防构件坠落工作。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。