超高層大跨度異形鋼連橋三位一體施工過程控制關(guān)鍵技術(shù)

魏德勝　李兵生　駱發(fā)江　田志斌　李鵬

摘 要：西安邁科商業(yè)中心項(xiàng)目工程施工過程中，針對(duì)其超高層鋼連橋跨度大、質(zhì)量大、異形和施工困難的特點(diǎn)，進(jìn)行了包含施工可視化、數(shù)值模擬和施工監(jiān)測的三位一體虛擬施工過程控制關(guān)鍵技術(shù)研究，創(chuàng)造性的解決了該工程在施工中的具體問題，制定出科學(xué)合理的施工方案，極大減少了施工風(fēng)險(xiǎn)，也便于進(jìn)行質(zhì)量、成本和進(jìn)度的控制和管理。

關(guān)鍵詞：三位一體；施工可視化；數(shù)值模擬；變形監(jiān)測；過程控制

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）08-0096-04

1 工程概況

西安邁科商業(yè)中心項(xiàng)目（見圖1），辦公樓地上45層，建筑高度為207.2m，酒店地上34層，建筑高度為153.7m，裙房地上4層，建筑高度24.0m。主塔樓為鋼框架—支撐體系結(jié)構(gòu)，辦公塔樓21至23層和酒店塔樓22至24層處設(shè)置了空中連橋，空中連橋由兩榀桁架以及桁架間的主次梁組成，采用了斜交、不等高設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單體重量約450噸，跨度約40米。

2 三位一體施工過程控制關(guān)鍵技術(shù)

超高超重鋼構(gòu)件空中拼裝一直是類似工程的重點(diǎn)及難點(diǎn)，如何保證構(gòu)件的拼裝質(zhì)量及降低作業(yè)人員的安全隱患是值得研究的課題[1]。西安邁科商業(yè)中心項(xiàng)目的這種整體上超高超大的不規(guī)則鋼連橋，在實(shí)際工程施工中，面臨著高空作業(yè)多、施工場地狹窄、施工量大、工程周期長等難題。因此，在施工中采用了三位一體施工過程控制關(guān)鍵技術(shù)。

本工程中采用的三位一體施工關(guān)鍵技術(shù)，是由施工期可視化技術(shù)、施工過程數(shù)值模擬和整體提升應(yīng)變監(jiān)測三個(gè)核心內(nèi)容組成的?；贐IM軟件的施工可視技術(shù)能有效解決目前大型鋼結(jié)構(gòu)施工過程中遇到的施工安全難點(diǎn)問題，對(duì)避免大型鋼結(jié)構(gòu)施工事故的發(fā)生有非常積極的作用；基于施工過程的數(shù)值模擬可以對(duì)復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工期控制，保證結(jié)構(gòu)施工期安全和可靠性；基于無線傳輸技術(shù)的應(yīng)變監(jiān)測為結(jié)構(gòu)施工的各個(gè)階段提供準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以正確評(píng)估各施工階段的受力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)性能，判斷施工期的安全性，同時(shí)為施工提出指導(dǎo)性意見。

3 異形鋼連橋施工期可視化技術(shù)研究

3.1 異形鋼連橋施工可視化方案

首先，根據(jù)設(shè)計(jì)圖利用Bentley系列軟件中的AECOsim Building Designer建立帶有信息的三維結(jié)構(gòu)模型，組裝形成虛擬施工環(huán)境，把連橋整個(gè)施工分成提升吊點(diǎn)（牛腿）布設(shè)、連橋地面拼裝、連橋整體提升、空中對(duì)接固定和卸載六個(gè)主要過程。其中采用的整體提升技術(shù)具有不受桁架自重、桁架需提升的高度（跨度）等限制，實(shí)現(xiàn)提升自動(dòng)化，提高提升的安全性[2]。結(jié)構(gòu)在地面拼裝，利用液壓設(shè)備將整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)連體層提升到設(shè)計(jì)位置，完成鋼結(jié)構(gòu)的安裝[3]。

利用可視化技術(shù)，對(duì)連橋整個(gè)施工過程進(jìn)行模擬把施工過程中的每一個(gè)步驟、細(xì)節(jié)進(jìn)行事先的直觀展現(xiàn)，從而確定合理的施工方案，極大的提高施工效率與施工安全，同時(shí)能夠有效地指導(dǎo)工人的現(xiàn)場施工，確保連橋的施工質(zhì)量。其實(shí)施過程如圖2。

3.2 異形鋼連橋可視化實(shí)施

3.2.1 吊點(diǎn)布置，安裝提升器

根據(jù)連橋桁架結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，在每榀桁架的兩端設(shè)置提升吊點(diǎn)（見圖3），在提升吊點(diǎn)處將桁架桿件斷開，將不參與提升的桁架桿件分段先裝好，在外框鋼柱外側(cè)設(shè)置提升牛腿結(jié)構(gòu)。

在AECOsim Building Designer軟件建好的塔樓模型（見圖4）上，按照實(shí)際大小設(shè)置牛腿，并安裝提升器。上吊點(diǎn)布置，提升器及牛腿模型見圖5。

3.2.2 地面拼裝及加固

連橋在地下拼裝時(shí)，連橋每層端部設(shè)置的水平加固桿件隨連橋結(jié)構(gòu)桿件一起安裝，主要拼裝流程如下（見圖6）：流程一：拼裝桁架下弦桿和底層鋼梁；流程二：拼裝2榀桁架豎向、斜向腹桿、上弦桿，形成U形結(jié)構(gòu)體系；流程三：依次拼裝連橋中間層鋼梁；流程四：最后拼裝連橋頂層鋼梁，拼裝完成。

3.2.3 提升連接及試提升

液壓提升設(shè)備與連橋結(jié)構(gòu)上的對(duì)應(yīng)下吊點(diǎn)連接，下吊點(diǎn)固定地錨，依次將每臺(tái)提升器的所有鋼絞線穿入地錨中，穿出部分留長不小于10cm。液壓提升設(shè)備與連橋結(jié)構(gòu)上的對(duì)應(yīng)下吊點(diǎn)連接完成后，開始進(jìn)行設(shè)備調(diào)試，一切正常后進(jìn)行預(yù)提升。

3.2.4 正式提升

為了更好的使桁架在提升過程中保持同步，提升前在桁架下弦桿上布置六個(gè)測控點(diǎn)，各測控點(diǎn)的數(shù)據(jù)都有統(tǒng)一的基準(zhǔn)點(diǎn)。在提升過程中，提升控制人員通過單獨(dú)控制每個(gè)提升點(diǎn)的提升器，使6個(gè)點(diǎn)的高差數(shù)據(jù)差值小于5mm，實(shí)時(shí)調(diào)整桁架的空中姿態(tài)，以保證桁架整體的空中姿態(tài)平穩(wěn)。連橋整體提升過程見圖7。

3.2.5 空中對(duì)接，拆除加固桿和卸載

連橋達(dá)到預(yù)定高度后，開始進(jìn)行空中對(duì)接（見圖8）和拆除臨時(shí)加固桿件。待連橋與主體結(jié)構(gòu)連接完成，臨時(shí)加固桿件拆除后，利用液壓同步提升系統(tǒng)設(shè)備對(duì)連橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體卸載（見圖9），使結(jié)構(gòu)的提升荷載完全轉(zhuǎn)移到塔樓的框架結(jié)構(gòu)上，至此連橋整個(gè)施工連接完成。

4 異形鋼連橋施工過程數(shù)值模擬

4.1 施工期數(shù)值模擬方法

本課題采用通用有限元分析軟件SAP2000 V15的階段施工模塊對(duì)連橋施工的各施工階段進(jìn)行了數(shù)值模擬，并用ANSYS軟件對(duì)提升上下吊點(diǎn)進(jìn)行了模擬。

4.2 連橋地面拼裝工況模擬

首先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立連橋模型，按照施工方案中異形鋼連橋的9個(gè)支撐點(diǎn)位置，在模型中施加豎向約束，然后在軟件中運(yùn)行設(shè)置好的工況，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，可得到不同施工階段各桿件的應(yīng)力和變形圖。應(yīng)力如圖10所示，應(yīng)變?nèi)鐖D11所示。

通過計(jì)算得到的應(yīng)力和變形結(jié)果可知，鋼連橋在地下各拼裝階段中，各桿件的強(qiáng)度和變形滿足要求。

4.3 連橋整體提升工況模擬

因提升工況與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用工況有所不同，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行提升工況分析，采用SAP2000 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，桁架單元均采用梁單元進(jìn)行模擬，在吊點(diǎn)處進(jìn)行豎向約束和加水平向彈簧約束。連橋在提升過程中，各提升點(diǎn)可能存在一定程度的高度偏差，因此考慮提升過程中各吊點(diǎn)不同步對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響，對(duì)連橋提升模型進(jìn)行了同步提升和不同步提升兩種情況的校核，如圖12和圖13所示。

4.4 連橋空中連接卸載模擬

對(duì)連橋空中連接卸載過程建立有限元模型，如圖14所示。在SAP2000模型中，采用非線性階段施工進(jìn)行分析，通過對(duì)設(shè)置好的工況運(yùn)行分析，可得到不同施工階段各桿件的應(yīng)力和變形圖。從圖15所示的各工況包絡(luò)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力比可知，最大應(yīng)力比不超過0.5，各桿件應(yīng)力小于許用應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)在施工過程中強(qiáng)度滿足要求。

4.5 牛腿提升模擬分析

利用有限元軟件ansys，單元類型選擇為Solid 186，建立有限元模型。通過計(jì)算分析可得到應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖16和17所示。

5 異形鋼連橋整體提升應(yīng)變監(jiān)測

為了保證連橋在提升過程以及空中連接卸載過程的萬無一失，對(duì)連橋在整個(gè)施工過程中的應(yīng)變監(jiān)測是必不可少的。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合施工現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)測，為連橋的施工安全提供的雙重保障。

在提升過程中，通過運(yùn)用無線傳輸技術(shù)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對(duì)安裝在桿件上的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如圖18和圖19所示，從而能夠?qū)B橋在提升過程中及提升后應(yīng)變較大的桿件進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測。通過客觀的應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，分析不同的施工步驟對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，從而驗(yàn)證了基于BIM虛擬施工制定的提升方案，并對(duì)施工過程進(jìn)行了安全控制。

6 結(jié)語

實(shí)踐表明，本工程采用的三位一體施工過程控制關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)造性地解決了超高層大跨度異形鋼連橋施工中的具體問題，有效地幫助了工程技術(shù)人員制定出科學(xué)合理的施工方案，極大減少了施工風(fēng)險(xiǎn)，也便于進(jìn)行質(zhì)量、成本和進(jìn)度的控制和管理。

參考文獻(xiàn)

[1]王永好，李奇志.超高超重空中連廊液壓整體提升施工技術(shù)[J].廣東土木與建筑，2012（10）：22-26.

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[3]高雷雷.高空鋼結(jié)構(gòu)連廊整體提升關(guān)鍵施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2014（02）：38-41.