高層建筑的鋼結構連接施工技術探討

李森林

【摘要】高層鋼結構建筑自重輕、構件截面小，有效空間大，抗震性能好，施工速度快，用工少，現(xiàn)場施工文明。除鋼結構本身的造價比鋼筋混凝土結構稍高外，其綜合效益優(yōu)于同類高層鋼筋混凝土結構。本文主要探討高層建筑的鋼結構施工技術。

【關鍵詞】高層建筑；鋼結構；安裝；施工技術

在高層建筑中，鋼結構以其施工速度快、利于環(huán)保、綜合經濟技術指標佳、建筑造型美觀、抗震性能好等獨特的優(yōu)越性，被越來越廣泛重視和應用。我國高層鋼結構的施工水平發(fā)展很快，已能獨立建造一些超高層和大跨度空間結構。另外，大空間鋼結構中以鋼管為桿件的球節(jié)點平板網架，多層變截面網架及網殼等是我國空間鋼結構用量最大的結構形式，施工已達到國際先進水平。張拉結構，鋼拱結構，鋼塔結構，屋蓋鋼析架結構也大量使用。此外，鋼結構的吊裝、連接和防護技術也已達到了很高的水平。常規(guī)的大型活動式起重機無法滿足安裝高度需要，而塔式起重機吊裝能力又嚴重不足。如果采用傳統(tǒng)的結構安裝施工工藝，會帶來吊裝過程穩(wěn)定性差、高空安裝精度保證難、高空作業(yè)量大、施工周期長等弊端。液壓同步提升施工技術的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)吊裝辦法中出現(xiàn)的問題，其施工工藝特點可概括為“鋼絞線承載、計算機控制、液壓千斤頂集群作業(yè)”。通過該項技術的使用，可以將連體鋼結構在地面（或裙樓頂部）散件拼裝成整體，一次吊裝就位。某辦公樓連體鋼結構安裝就是該項技術的一次成功應用。

1、工程概況

該辦公樓位于某開發(fā)區(qū)，其主樓結構形式為鋼-鋼筋混凝土混合結構。其主體結構之間存在兩種連體鋼結構，第1種為平面鋼結構井字梁，共2層，位于主體結構中庭○D～○G軸，通過主梁的8個萬向支座連接于主樓結構上，主梁與次梁的截面均為工字形截面，其中主梁截面尺寸為 H1800×700×30×80，平面尺寸為36.0m×31.5m，鋼梁頂面標高分別為主體結構3層15.600m 和主體結構6層 29.400m，自重分別為217t 和 201t； 第2種為空間鋼結構桁架，共兩個，分別位于○B(yǎng)軸和○J軸對應處，每個鋼桁架都由1榀主桁架、與周邊主結構連接的次梁以及部分懸挑結構組成，主桁架的立柱、弦桿、腹桿的截面均為工字形截面，最大截面尺寸為 H600×600×40×40，跨度30m，桁架上標高 43.500m。 為防止提升時結構重心偏心，只提升主桁架部分，待提升部分自重均為 67t。

2、施工難點

1）高空安裝構件截面大，自重大（主梁重13kN/m），受空間限制移動式起重機械無法作業(yè)，塔式起重機起重能力遠遠不夠。

2）作業(yè)空間小，冬期施工難度大 利用已建主體結構搭建提升平臺，構造復雜。冬季環(huán)境低溫給液壓提升系統(tǒng)的正常運行帶來考驗。

3）精度要求高。 鋼桁架和井字鋼梁的空中對接點分別為6個和8個，提升同步控制和對接難度較大，對安裝精度控制要求較高。被提升結構在地面拼裝時要精確定位，保證千斤頂位置與鋼結構提升吊點位置上下對應。

3、整體提升方案

3.1鋼結構井字梁

本工程待提升的巨型鋼結構井字梁共有2層，位于主體結構3層（標高15.600m）和6層（標高29.850m），每個井字梁的主梁通過8個萬向支座連接于主體結構上。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，設置 4 個提升點，將主體結構 7 層處的混凝土懸挑梁作為提升平臺，每個提升點的懸挑梁上安放箱形截面鋼梁，然后將2個100t 穿心式液壓千斤頂支在上面，每個千斤頂配 4 束15.24mm鋼絞線，鋼絞線經鋼梁中心所開圓孔，連接于被提升井字梁外伸上翼緣處的防松工具錨上。具體提升步驟如下。

1）步驟1：在主樓結構 7 層懸挑平臺提升點對應位置處安裝提升鋼梁，同時地面拼裝6層被提升部分鋼梁，之后安裝提升設備，連接提升鋼絞線。

2）步驟2：將6層鋼梁提升至設計標高。

3）步驟3：對接6層鋼梁8個支座，焊接剩余次梁，完畢后卸載。同時地面拼裝3層被提升部分鋼梁。

4）步驟4：將3層鋼梁提升至設計標高后，對接8個支座，焊接剩余次梁，完畢后卸載。

5）步驟5：拆除提升平臺及設備，鋼梁安裝完畢。

3.2鋼結構桁架

本工程待提升鋼桁架的提升方案確定為： 設置2個提升點，將臨時焊接于主結構型鋼柱上的箱形截面鋼梁作為提升平臺，然后將1個100t 穿心式液壓千斤頂支在上面，每個千斤頂配 4 束15.24mm鋼絞線。鋼絞線通過提升吊點工裝，連接于桁架結構中弦端部。只提升中心單榀桁架，其他與主體結構相連的次梁及懸挑部分構件在空中拼裝。具體提升步驟如下。

1）步驟1：在主結構型鋼柱標高 41.200m 位置處焊接鋼牛腿，同時地面拼裝6層被提升部分鋼梁。然后安裝提升設備，連接提升鋼絞線。準備工作完成之后開始提升。

2）步驟2：將鋼桁架提升至設計標高。

3）步驟3：對接鋼桁架中弦和下弦牛腿，焊接上弦構件及對應鋼柱。

4）步驟4：所有構件焊接完畢，進行質量驗收，合格后卸載，拆除臨時提升牛腿及設備。

4、整體提升核心技術問題

4.1提升點及提升力設計

對應鋼結構井字梁正常使用狀態(tài)，在主梁端部對應處設置8個提升點更符合原結構的設計受力假定，但工藝復雜、成本較高。因此在主樓結構 7 層懸挑平臺處布設 4 個提升點。為計算各個支撐點的提升力，對鋼梁整體建立有限元模型，如圖 1（以6層鋼梁為例）所示，在提升點的對應位置建立豎向約束。鋼結構井字梁的自重及必要的施工荷載施加于鋼梁整體有限元模型中，通過計算得到各豎向支座反力，即為施工過程中各提升點需要的提升力，這不僅是選擇千斤頂數(shù)量及規(guī)格的依據(jù)，也是進行提升平臺設計驗算和提升地錨吊點設計的依據(jù)。

對于本工程待提升的鋼結構桁架，在結構中弦兩端各設置1個提升點，計算內容與鋼結構井字梁相同。

圖 1 鋼結構井字梁整體模型

4.2提升支架設計

鋼結構井字梁的提升平臺由主體結構 7 層處的混凝土懸臂梁和安放于其上的箱形截面鋼梁組成。提升平臺不僅是提升千斤頂?shù)墓ぷ髌脚_，也把千斤頂?shù)暮奢d由鋼梁、混凝土懸臂梁傳遞到主體結構上?；炷翍冶哿航涍^強度、撓度及裂縫驗算，滿足相關要求。對應集中力位置預埋鋼板，防止局部破壞。在混凝土梁下部增加臨時鋼管 （219mm，Q345）斜撐，增大安全系數(shù)。 箱形截面鋼梁通過有限元軟件 ANSYS 驗算，最大等效應力100MPa，滿足設計要求。

鋼桁架提升平臺由臨時焊接于主體型鋼柱上的鋼 牛 腿 構 成，其 箱 形 截 面 尺 寸 為1000mm×480mm×30mm×20mm，通過有限元軟件驗算，最大等效應力183MPa（見圖 2），滿足設計要求。實際施工中，在鋼牛腿側面增加斜支撐，保證其側向穩(wěn)定性。

圖 2 鋼桁架提升牛腿等效應力分布

4.3 提升吊點設計

在提升過程中，鋼絞線的提升力是通過提升吊點工裝傳遞給被提升結構，提升吊點的構造一般較為復雜，傳力途徑并不十分明確，而且吊點附近構應力分布也較復雜。因此，對提升吊點建立有限元模型進行計算，分析其應力分布情況。

對于本工程待提升的鋼結構井字梁，將上翼緣外伸，并開圓孔形成吊點，同時增加兩側加勁肋，保證提升力有效傳遞。鋼梁提升吊點處的等效應力分布情況如圖 3所示，最大應力不超過130MPa，強度滿足要求。

圖 3 鋼結構井字梁提升下錨點局部應力

本工程提升鋼桁架的提升吊點是由桁架結構中弦焊接臨時吊耳工裝構成。鋼桁架提升吊點處的等效應力分布情況如圖 4所示，最大應力不超過85MPa，強度滿足要求。

圖 4 鋼桁架提升下錨點局部應力

4.4 提升過程控制參數(shù)

在結構整體提升過程中，各提升點位移不可避免地存在不一致的情況，相對位移的存在會引起提升力和結構內力的重新分配。要保證提升過程安全，必須預先考慮如何將各提升點提升力和相對位移控制在允許范圍之內。具體分析本工程待提升結構，鋼結構井字梁和鋼桁架都屬平面結構，各點提升力對相對位移差不敏感，因此只對相對位移進行控制，建立各提升點間相互影響的剛度矩陣，最終得出各提升點間的最大允許相對位移為 20mm。

4.5 提升應急預案

根據(jù)對提升方案各環(huán)節(jié)的情況分析，針對可能出現(xiàn)的緊急狀況，除了在系統(tǒng)方案設計上采取相應安全防范保證措施外，還制定了相應的應急預案。

1） 通過試提升檢驗系統(tǒng)設計的可靠性

試提升分 5 級加載，提升至離地 200mm后懸停12h，在逐級加載及懸停過程中對支撐系統(tǒng)、提升系統(tǒng)和被提升結構等各種參數(shù)進行監(jiān)測（或觀測）對比，出現(xiàn)異常情況時可采取下放或支點處墊實卸載處理。

2）鋼絞線斷裂的應急措施

發(fā)現(xiàn)鋼絞線斷裂，立即通知控制臺停止，提升鎖定全部油缸，替換鋼絞線，從油缸穿至下部錨具，重新張緊后繼續(xù)提升。

3）提升不同步應急措施

采用油缸行程和水準儀觀測同步進行方式，設高差預警值為16mm，提升點間高差達到預警值后鎖定，調整行程偏差油缸至高差 5mm以內后繼續(xù)提升。

4）其他干擾

大風、雨雪、機械故障等情況下鎖定油缸（也可能油缸防墜安全錨自鎖），利用提升前在被提升結構上固定的大繩將其與周邊結構拉結防止晃動，根據(jù)不同情況采取相應處理措施。

結 語

通過系統(tǒng)細致的理論計算分析，科學合理的施工方案制定，確保了該辦公樓連體鋼結構整體提升施工安全順利完成，為其他類似工程積累了相關經驗。

參考文獻：

[1] 鄭江，郝際平，王宏，等. 大跨屋蓋多點整體提升過程的力學形體研究[J]. 建筑結構，2009，39（1）： 83-87.

[2] 巍葳，程陽春. 大跨連體鋼結構整體提升技術[J]. 施工技術，2009，38（7）： 43-45.

[3] 中國建筑科學研究院. GB50009—2001建筑結構荷載規(guī)范[S]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[4] 周明，高杰，尤盛志，等. 深圳灣體育中心大跨屋蓋鋼結構卸載分析[J]. 施工技術，2011，40（14）： 9-11.