安装钢支架与施工胎架设计与安装

第六章 施工胎架的设计与安装

6.1 安装胎架的设计与布设概述

6.1.1 高空临时拼装胎架搭设

由于主节点和主梁等构件安装的空间位置高低不一，且各种杆件在空间纵横交汇。在施工中，随着钢构件按分区结构面由主及次的展开安装，临时胎架需提前一个施工区及时的进行搭设，为铸钢节点和主梁构件安装提供临时支承和作业操作平台。 6.1.2 胎架的布置原则

1、铸钢节点和主梁安装拼接处需搭设安装胎架。

2、铸钢节点最大单重约37t,最大结构面的钢结构总重达到200t,其支承胎架承担的支撑力较大，可能需采用桩基承台或者荷载直接作用在混凝土楼板上，使其减少沉降。

3、胎架在搭设过程中必须严格控制水平、竖直方向稳定性，其侧向布设防倾支撑架。由于部分胎架的直接落在看台楼板上，而楼板不能承受胎架传来的竖向力，因此需要在楼板设支撑柱，将胎架柱底的垂直荷载传到基础底板，同时在楼板和底板设预埋件，以便胎架和支撑立柱作柱脚构造处理。

4、以保证在安全的基础上文明施工，避免出现无必要的安全隐患。根据节点的平面坐标来搭设胎架，同时也可以计算出钢梁分段处的平面坐标，从而也要在钢梁对接处塔设胎架。

5、安装胎架的设置还需考虑安装施工操作、高空焊接施工操作、测量定位控制施工操作等工序的施工操作要求。 6.1.3 安装胎架的分类

根据钢结构及下部土建结构特点,钢屋盖安装胎架分以下几种方式: 1、中间部分平面结构的胎架搭设。 2、周边与边梁连接的立面结构胎架搭设。 3、下方有混凝土柱的胎架搭设。 4、下方有钢柱的胎架搭设。 6.1.4 安装胎架的搭设形式分类

共分如下四种:

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铸钢节点 2.5×2.5m型钢标准节 7.0×7.0m标准脚手架 铸钢节点 ×型限位调节

A 类胎架：型钢标准节+脚手架 B类胎架：型钢支架+悬挑平台 主梁

C类胎架：型钢支撑+悬挑平台 D类胎架：7.0×7.0m钢管脚手架 6.1.5 临时拼装胎架布置

在每个节点和主梁分段处的设计位置下方设置型钢标准节支撑架，周围用钢管脚手架搭设操作平台，并兼顾支撑架的稳固，二者共同构成高空临时拼装胎架，胎架底部坐落于混凝土楼板上，顶部设置千斤顶等校正装置。根据节点与主梁连接位置，胎架搭设范围平均为7×7m。

对于节点和主梁与混凝土连接的情况，则在混凝土柱顶设置钢牛腿和悬挑操作平台作为拼装胎架。

6.1.6 典型节点的安装胎架立面布置

以下图6.1-1～5为典型节点的安装胎架立面布置图。分别包含了以下几种不同的类型： （1） 下方有混凝土柱或有钢柱的胎架搭设。 （2） 较轻节点的脚手架胎架搭设。 （3） 较重节点的钢支架胎架搭设。

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6.2歌剧院（大石头）安装胎架的布设

6.2.1歌剧院临时拼装胎架平面布置

临时拼装胎架平面布置如图6.2-1。 6.2.1歌剧院临时拼装胎架布置

各胎架设置位置、标高及类型等见表6.2-2、3。

表6.2-2拼装胎架布置明细表（一）

胎架 顶标高设 置 位 置 类 型 用 途 备 注 编号 (m) 1 -0.320m顶板 +4.000 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 2 -0.320m顶板 +22.654 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 3 -0.320m楼板顶板 +25.804 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 4 +27.250m（观众厅） +30.000 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 5 +29.450m砼柱顶 +40.481 钢牛腿 支撑铸钢节点 6 +29.450m砼柱顶 +41.600 钢牛腿 支撑铸钢节点 7 +31.938m砼柱顶 +34.111 钢牛腿 支撑铸钢节点 8 +0.600m地面 +26.000 钢管脚手架 支撑铸钢节点 9 +0.600m地面 +15.783 悬挑钢支撑 支撑铸钢节点 10 +0.600m地面 +15.000 型钢标准节 支撑铸钢节点 11 +0.600m地面 +7.840 型钢标准节 支撑铸钢节点 12 -0.320m顶板 +4.800 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 13 -0.320m顶板 +19.895 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 14 +25.000m楼板 +27.291 钢管脚手架 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 15 -0.120m顶板 +24.949 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 型钢标准节和钢16 -0.320m顶板 +12.651 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 管脚手架组合 17 -0.120m顶板 +14.313 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 型钢标准节和钢18 -0.500m顶板 +13.089 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 管脚手架组合 19 -4.800m底板 +10.277 型钢标准节 支撑铸钢节点 20 -0.120m顶板 +26.000 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 21 +0.880m顶板 +31.444 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 22 +25.000m砼柱顶 +26.500 钢牛腿 支撑铸钢节点 23 +25.000m楼板 +31.704 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 表6.2-3拼装胎架布置明细表（二）

胎架 顶标高设 置 位 置 类 型 用 途 备 注 编号 (m) 24 +0.880m顶板 +30.645 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 25 -0.500m顶板 +26.000 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 26 -0.150m地面 +16.000 型钢标准节 支撑铸钢节点 27 -0.150m地面 +7.197 型钢标准节 支撑铸钢节点 28 +0.600m地面 +15.000 钢管脚手架 支撑铸钢节点 29 +0.600m地面 +10.036 型钢标准节 支撑铸钢节点 30 +0.600m地面 +8.145 钢管脚手架 支撑铸钢节点 31 +20.500m砼柱顶 +21.610 钢牛腿 支撑铸钢节点 32 +16.000m楼板 +27.376 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 33 +29.450m砼柱顶 +42.903 钢牛腿 支撑铸钢节点 34 +16.000m楼板 +30.000 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 35 -0.150m地面 +15.000 型钢标准节 支撑铸钢节点 型钢标准节和钢36 -0.150m地面 +6.686 支撑铸钢节点 管脚手架组合 37 -0.120m顶板 +30.000 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 38 -6.000m底板 +16.133 型钢标准节 支撑铸钢节点 39 -6.000m底板 +11.156 型钢标准节 支撑铸钢节点 40 -0.120m顶板 +4.800 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 41 +29.450m砼柱顶 +41.600 钢牛腿 支撑铸钢节点

注：（1）超过25m的主梁还应用钢管脚手架在梁中设置安装胎架；

（2）在节点正下方搭设节点安装与校正，固定专用胎架。构件安装过程，不能拆除节点固定架。

（3）搭设铸钢节点和主梁安装施工局部满堂架，胎架既作为操作平台，又可作为构件定位架和校正用的支架。施工局部满堂架与节点固定架连成整体。局部满堂施工架搭设需根据构件所在位置的土建楼层板的高度而定。

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6.3多功能厅（小石头）安装胎架的布设

6.3.1多功能厅临时拼装胎架平面布置

临时拼装胎架平面布置如图6.3-1。 6.3.1多功能厅临时拼装胎架布置

各胎架设置位置、标高及类型等见表6.3-2

表6.3-2拼装胎架布置明细表

胎架 设 置 位 置 顶标高(m) 类 型 用 途 备 注 编号 1 -0.500m顶板 +6.000 钢管脚手架 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 2 -0.500m顶板 +9.000 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 3 +9.950m楼板 +13.845 钢管脚手架 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 4 +18.500m砼柱顶 +21.000 钢牛腿 支撑铸钢节点 5 +18.500m砼柱顶 +22.290 钢牛腿 支撑铸钢节点 型钢标准节和钢6 -0.500m顶板 +20.732 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 管脚手架组合 型钢标准节和钢7 -0.500m顶板 +9.000 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 管脚手架组合 8 +9.950m楼板 +11.030 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 9 +18.500m砼柱顶 +20.595 钢牛腿 支撑铸钢节点 10 +4.900m楼板 +12.767 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 11 -0.500m顶板 +16.000 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 12 -0.500m顶板 +13.749 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 13 -0.500m顶板 +17.175 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 14 +18.500m砼柱顶 +20.218 钢牛腿 支撑铸钢节点 15 +4.900m楼板 +8.438 钢管脚手架 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 16 -0.320m顶板 +10.173 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 17 +4.900m楼板 +10.731 型钢标准节 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 18 -0.500m顶板 +6.000 钢管脚手架 支撑铸钢节点 楼板和梁需加固 19 -0.120m楼板 +8.866 钢管脚手架 支撑主梁 楼板和梁需加固 20 -0.150m楼板 +17.032 钢管脚手架 支撑主梁 楼板和梁需加固 21 -0.120m楼板 +19.145 钢管脚手架 支撑主梁 楼板和梁需加固 22 -0.120m楼板 +18.38 钢管脚手架 支撑主梁 楼板和梁需加固 23 -0.500m顶板 +17.241 钢管脚手架 支撑主梁 楼板和梁需加固 24 -0.500m顶板 +18.954 钢管脚手架 支撑主梁 楼板和梁需加固 6.4 胎架与混凝土楼层的相互关系

1、胎架设置在混凝土楼板上，因其对楼板的竖向荷载较大，需对楼板进行加固处理，如图示：

楼板加固脚手架，长 7.0m，宽7.0 m,纵横间距 0.6m，步距1.5 m

6.4-1楼板加固示意图

2、由于相当一部分胎架支承在混凝土楼板上，因此为避免混凝土楼板变形过大而开裂，需将荷载直接传递到混凝土主体结构的梁上，并对混凝土梁进行适当加固。图6.4-2为胎架基础示意图，其构件的具体尺寸应根据不同胎架的受力和位置，以变形控制来确定。

胎架柱 胎架柱 支撑胎架钢梁胎架支撑原结构混凝土梁原结构混凝土板原结构混凝土梁根据验算考虑加固根据验算考虑加固根据验算考虑加固

图6.4-2 胎架基础示意图

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6.5 典型胎架设计与计算

6.5.1、胎架设计概述

由表6.2-2、3可以看出，部分胎架的设计总高较大，而且仅作为铸钢节点的临时支承措施，其不应直接承担水平荷载（可由钢管脚手架传递）。铸钢节点的水平位置主要是通过与该节点连接的主梁来固定（铸钢节点的位置调整应在地面上进行，在胎架操作平台上只允许铸钢节点的微调），具体搭设的主梁数目和顺序应经过计算机分析模拟来确定。当铸钢节点定位固定后方可安装次梁，且每当吊装一片次梁，对各铸钢节点的位移与变形应进行观测，以便与计算机模拟结果比较，及时的采取措施消除误差。 6.5.2歌剧院典型胎架设计与计算

歌剧院的计算机整体模型如图6.5-1所示，各胎架的竖向反力根据吊装顺序由计算机分析模拟得出。

歌剧院铸钢节点21标高为31.444m，根据其平面投影与下部混凝土结构的关系，可知TJD-21支于首层顶板（厚度200mm，顶面标高-0.500m）。因此，胎架总高度H=31.944m。这里，偏于安全的取用12节标准节（H=30.000m）组成的胎架进行计算，其结构布置见图6.5-3。

图6.5-3 TJD-21结构布置

（2）荷载选取与组合

a、 竖向荷载

胎架自重：程序自动考虑 铸钢节点重量：81.3kN

结构安装时的最大载荷：704kN（由计算机整体分析模拟得出） b、 水平荷载

考虑荷载偏心取5%的竖向荷载作为附加水平荷载作用在胎架顶部：

图6.5-1 歌剧院的计算机整体模型

1、胎架标准节设计

根据不同的铸钢节点高度和主梁尺寸，并考虑到施工平台的设置以及计算机模拟结果，胎架结构采用由四根方钢管肢件组成的格构式形式，一个标准节高度为2.5m，见图6.5-2。

2、典型胎架（取TJD-21节点）设计与计算 （1） 胎架结构布置

70481.30.0539.3kN

c、 风荷载

由工程背景和《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）可知：基本风压00.5kNm2（广州，50年一遇），B类地区。以下计算偏于安全的近似按胎架高为30m进行：

风压高度变化系数：z1.42 挡风系数：0.397

因此，风荷载体型系数：s2.006（近似按角钢塔架计算） 结构基本自振周期：T10.01H0.3s

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由20T10.027，得脉动增大系数：1.61 脉动影响系数：0.83

振型系数：z1.0（偏于安全的取30m处） 风振系数：zz1u1.94

z风荷载标准值：kzusuz02.763kNm2 d、 荷载组合

竖向荷载和水平荷载按永久荷载考虑，分项系数取1.35，风荷载按可变荷载考虑，分项系数取1.4。

即在胎架四个方管柱顶部分别施加竖向集中荷载265kN和横向集中荷载13.25kN，风荷载垂直作用于胎架并简化到节点上，每个节点施加3.13kN（方向取最不利与横向集中荷载方向一致）。

（3） TJD-21胎架结构验算

本计算采用美国ANSYS有限元分析程序进行。 a、 TJD-21结构计算简图

本计算模型主体构件（柱、横梁）之间为刚接，其它附属构件（支撑）均简化为铰接。每根柱子底部与地面铰接。材料为Q235B，荷载输入参见d。其结构计算简图如图6.5-4。

b、 有限元计算结果

TJD-21结构的Mises应力云图和应变云图如图6.5-5、6.5-6所示，最大应力和应变发生在柱底，分别为37.43MPa和0.182103，满足强度要求。

图6.5-4 TJD-21结构计算简图

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图6.5-5 TJD-21结构的Mises应力云图

图6.5-6 TJD-21结构的Mises应变云图

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c、 柱的稳定验算

由于格构式肢件主要受轴力作用，因此柱的验算近似可按轴心受力构件进行。柱几何长度

lc2.5m，截面为□350x350x16x16，Ixc0.398109mm4，ixiy136.5mm；横向支撑几何长度lb2.5m，截面为L160x16，I4xb0.118108mm。

计算取底层最不利柱，其计算长度（按桁架结构）为：l2.5m 长细比x2500ix18.32，得0.984

由ANSYS有限元分析可知该处最大应力为37.43Nmm2，因此，该柱的整体稳定： NA38.04Nmm2215Nmm2 满足要求。 柱的局部稳定

b0t350162162040235f，满足要求。 yd、 支撑的稳定验算

支撑布置参见图6.5-4，支撑杆件的截面满足长细比条件max（轴心压杆200）。支撑设计成交叉形式，计算长度l3536mm，截面L160x16，A4864mm2，imin31.4mm。

因此长细比353631.4113，得0.475

由ANSYS有限元分析可知该处最大应力为18.89Nmm2，因此，该柱的整体稳定： NA39.8Nmm2215Nmm2 满足要求。 支撑的局部稳定bt16016169100.1235f20，满足要求。 ye、 变形分析

TJD-21结构的沿x、y、z三个方向的位移如图6.5-7、6.5.-8、6.5-9所示，其最大位移和相对位移为：

沿x方向：ux23.34mm，uxl23.343000011285（水平力方向） 沿y方向：uuyy0.11mm，

l0.113000012.73105 沿z方向：uzz0.08mm，

ul3.273000019174 - 52 -

图6.5-7 TJD-21结构沿x方向的位移图

图6.5-8 TJD-21结构沿y方向的位移图

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类似于歌剧院的胎架标准节做法，胎架结构仍采用由四根方钢管肢件组成的格构式形式，一个标准节高度为2.5m，见图6.5-11。

3、 TJX-13设计与计算 (1) 胎架结构布置

多功能厅铸钢节点13标高为17.175m，根据其平面投影与下部混凝土结构的关系，可知TJX-13支于首层顶板（厚度200mm，顶面标高-0.500m）。因此，胎架总高度H=17.675m。这里，偏于安全的取用七节标准节（H=17.500m）组成的胎架进行计算，其结构布置见图6.5-12。

图6.5-9 TJD-21结构沿z方向的位移图

f、 结论

由以上分析可以看出，TJD-21结构均满足了强度、稳定、刚度的要求。 6.5.3多功能厅典型胎架设计与计算

1、概述

多功能厅胎架设计思路与歌剧院的类似，以承担竖向荷载为主，先安装主梁对铸钢节点进行固定，再安装次梁。多功能厅的计算机整体模型如图6.5-10所示，各胎架的竖向反力根据吊装顺序由计算机分析模拟得出。

(2) 荷载选取与组合 a、竖向荷载

胎架自重：程序自动考虑 铸钢节点重量：123kN

结构安装时的最大载荷：624kN（由计算机整体分析模拟得出） b、水平荷载

考虑荷载偏心取5%的竖向荷载作为附加水平荷载作用在胎架顶部：1236240.0537.4kN c、风荷载

图6.5-12 TJX-13结构布置

图7.5-10 多功能厅的计算机整体模型

2、 胎架标准节设计

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由工程背景和《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）可知：基本风压00.5kNm2（广州，50年一遇），B类地区。以下计算偏于安全的近似按胎架高为20m进行：

风压高度变化系数：z1.25

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挡风系数：0.261

因此，风荷载体型系数：s2.348（近似按角钢塔架计算） 结构基本自振周期：T0.01H0.2s b、有限元计算结果

TJX-13结构的Mises应力云图和应变云图如图6.5-14、6.5-15所示，最大应力和应变发生在柱底，分别为47.16MPa和0.229103，满足强度要求。

1由20T10.012，得脉动增大系数：1.49 脉动影响系数：0.79

振型系数：z1.0（偏于安全的取20m处） 风振系数：zz1u1.94

z风荷载标准值：kzusuz02.847kNm2 d、荷载组合

竖向荷载和水平荷载按永久荷载考虑，分项系数取1.35，风荷载按可变荷载考虑，分项系数取1.4。

即在胎架四个方管柱顶部分别施加竖向集中荷载253kN和横向集中荷载12.50kN，风荷载垂直作用于胎架并简化到节点上，每个节点施加1.97kN（方向取最不利与横向集中荷载方向一致）。

(3)TJX-13胎架结构验算

本计算采用美国ANSYS有限元分析程序进行。 a、TJX-13结构计算简图

本计算模型主体构件（柱、横梁）之间为刚接，其它附属构件（支撑）均简化为铰接。每根柱子底部与地面铰接。材料为Q235B，荷载输入参见d。其结构计算简图如图6.5-13。

图6.5-13 TJX-13结构计算简图

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图6.5-14 TJX-13结构的Mises应力云图

图6.5-15 TJX-13结构的Mises应变云图

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c、柱的稳定验算

由于格构式肢件主要受轴力作用，因此柱的验算近似可按轴心受力构件进行。柱几何长度

lc2.5m，截面为□250x250x10x10，Ixc9.238108mm4，ixiy98mm；横向支撑几何长度lb2.5m，截面为L125x8，Ixb0.362107mm4。

计算取底层最不利柱，其计算长度（按桁架结构）为：l2.5m 长细比x2500ix25.51，得0.971

由ANSYS有限元分析可知该处最大应力为47.16Nmm2，因此，该柱的整体稳定： NA48.57Nmm2215Nmm2 满足要求。 柱的局部稳定

b0t250102102340235f，满足要求。 yd、支撑的稳定验算

支撑布置参见图6.5-13，支撑杆件的截面满足长细比条件max（轴心压杆200）。支撑设计成交叉形式，计算长度l3536mm，截面L125x8，A2400mm2，imin25.0mm。

因此长细比353625.0141，得0.341

由ANSYS有限元分析可知该处最大应力为27.37Nmm2，因此，该柱的整体稳定： NA80.3Nmm2215Nmm2 满足要求。 支撑的局部稳定bt1258815100.1235f20，满足要求。 ye、变形分析

TJX-13结构的沿x、y、z三个方向的位移如图6.5-16、6.5-17、6.5-18所示，其最大位移和相对位移为：

沿x方向：ux9.47mm，ux9.47l1750011848 沿y方向：uuyy0.16mm，

l0.161750011.09105 沿z方向：uu2.96z2.96mm，zl1750015912

f、结论

由以上分析可以看出，TJX-13结构均满足了强度、稳定、刚度的要求。

图6.5-16 TJX-13结构沿x方向的位移图

图6.5-17 TJX-13结构沿y方向的位移图

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图6.6-1胎架整体计算模型图

4、计算分析

图6.5-18 TJX-13结构沿z方向的位移图

利用ANSYS有限元分析软件计算节点的极限承载力。采用三维实体单元BEAM4单元进行计算。选用的荷载工况为：

1.2×恒荷载+1.4×活荷载

图6.6-2～5为胎架整体变形和整体应力图，应力单位为Mpa。

6.6 楼板支撑胎架的设计计算

1、荷载选取

铸钢节点及胎架的荷载取35吨，施工活荷载取2.0KN/m2。350/(7×7)=7.14KN/m2大于楼板设计活荷在2.5KN/m2，所以需要对楼板进行加固。

2、截面选取

截面选取热轧无缝钢管48×3.5，选用的长度和宽度和步距为600×600×1500mm, 材料全部用Q235的钢材。

3、模型建立

根据结构的实际尺寸，建立胎架的空间三维模型作为计算模型；钢材料为Q235，弹性模量E=2.06×105，屈服强度fy=205MPa，泊松比为0.3；材料本构关系采用理想弹塑性模型，屈服准则采用Von Mises屈服准则，计算时屈服强度取值为205MPa。

节点模型如图6.6-1。

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图6.6-2 胎架整体X方向变形图

广州歌剧院钢结构安装施工方案 第六章 施工胎架设计与安装

图6.6-3 胎架整体Y方向变形图

图6.6-4 胎架整体Z方向变形图

图5 胎架整体单元应力分布图

5、结论

从计算结果可以看出，胎架的X方向的最大变形为1mm，Y方向的最大变形为1mm，Z方向的最大变形为2mm，最大应力为30MPa. 验算结果表明，结构的强度、刚度和稳定性均满足要求。

6.7 钢支架的安装

6.7.1钢支架的安装机械设备选择

钢支架自重较轻，安装时选用相应位置的塔吊均能满足要求。局部塔吊盲区部分的钢支架用履带吊在跨外吊装。 6.7.2钢支架的安装流程

（1）第一步：首先将钢支架的顶节放置在地面，焊接好铸钢节点的定位架和限位装置，然后将铸钢节点吊至定位架上进行测量定位。

（2）第二步：将钢支架的底节吊装至相应设计位置。

（3）第三步：将钢支架的顶节和定位架限位装置一起吊装至底节上对接连接。 （4）第四步：将铸钢节点吊装至顶节定位架限位装置上，并进行测量微调最终定位。 钢支架的安装流程图如图6.7-1 所示。

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