大跨度異形桁架式鋼結構液壓整體提升技術的應用

楊 飛 郭延義

1. 上海建工二建集團有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技術研究中心 上海 200080

1 工程概況

南航上海虹橋基地商業(yè)辦公樓為地上10層、地下2層的L形建筑物，地上結構按照功能區(qū)和使用要求將L形建筑物分成2個結構平面形狀簡單、規(guī)則的一字形單元塔樓，并在3層、5層、7層采用單獨連廊連接，8、9、10層及屋面層整體連接，連接部分采用鋼結構（圖1）。

圖1 工程鋼結構區(qū)域位置示意

本工程鋼結構平面形狀為梯形（圖2），跨度為20.30～27.65 m，投影面積535 m2，結構形式為頂層桁架下吊柱懸掛第8、9層鋼結構（圖3），主構件采用700 mm×350 mm×35 mm×40 mm、500 mm×350 mm×30 mm×30 mm規(guī)格的焊接組合箱型構件，次梁及連系梁采用500 mm×300 mm×14 mm×21 mm、400 mm×200 mm×8 mm×13 mm規(guī)格的焊接H型鋼，連接支座采用600 mm×400 mm×35 mm×35 mm的H型鋼勁性柱留設預留段的形式，主節(jié)點為剛性焊接連接，次節(jié)點為M20的10.9級高強螺栓鉸接點，對接焊縫均為坡口熔透焊，為一級焊縫質量等級。8層～屋面層鋼結構安裝高度28.35～40.35 m，質量約為460 t；3、5、7層鋼連廊的質量約為110 t[1-2]。

圖2 鋼結構平面示意

2 工程特點、難點分析

1）鋼結構跨度較大：鋼結構最大跨度達到27.65 m，鋼結構平面呈不規(guī)則的梯形，撓度控制和拼裝難度相對較大。

2）安裝高度高：鋼結構最大安裝高度達40.35 m，對吊具、設備及機械的選用，施工現場的安全設施和措施提出了更高的要求。

3）場地空間條件限制：工程鋼結構區(qū)域下方為已完的擴展式地下室結構，安裝吊車具有噸位限制的要求，周邊施工便道區(qū)域或臨時場地離鋼結構安裝區(qū)域較遠，吊裝施工難度大。

圖3 鋼結構立面示意

4）鋼結構及受力復雜：工程鋼結構8層～屋面層主梁采用2層空間桁架式大型箱形截面組合式鋼梁吊柱懸掛8、9層鋼結構，3、5、7層為單獨的鋼連廊結構，鋼梁尺寸及單個構件噸位比較大。

5）工期緊：項目施工合同中約定的結構階段的節(jié)點工期短，對資源的投入、鋼結構安裝部署等協調組織和管理提出了更高的要求。

3 施工方案

3.1 安裝方案的選用

本項目商業(yè)辦公樓鋼結構最大安裝高度為40.35 m，如采用將鋼構件吊運至承重腳手架上進行高空組裝，現場的腳手搭設、高空施工作業(yè)量大，搭設安全、工期的控制等均不能保證，拼裝或吊運機械設備也難以滿足吊裝要求且不經濟。綜上所述，本工程采用在工廠加工制作分段鋼構件，運至安裝投影面正下方車庫頂板上，先將8層～屋面層鋼構件預先拼裝成整體，然后利用液壓整體同步提升技術將拼裝成整體的鋼結構進行提升并安裝，3、5、7層鋼連廊則采用串吊方式一起提升，此安裝方案既能提高作業(yè)效率，縮短工期，又確保了安裝質量和施工過程的安全。

3.2 構件的拼裝

本工程首先將8層～屋面層的鋼構件置于投影面正下方的地下車庫頂板上，利用汽車吊預先拼裝為整體鋼結構，拼裝時采用由遠及近、分層分軸線階梯式的方式，將各分段鋼構件按照設計圖紙依次吊運拼裝成整體。3、5、7層鋼連廊則在鋼結構區(qū)域一側的吊車覆蓋區(qū)域分別拼裝，待拼裝成型的8層～屋面層整體鋼結構先行提升到一定高度后，將3、5、7層拼裝成型的鋼連廊在下方拼疊后串吊并一起提升（圖4）。

圖4 8層～屋面層整體鋼結構拼裝后提升現場

3.3 液壓提升器、吊點的布置

根據本工程鋼結構平面形狀和結構特點，利用主樓的8根結構勁性柱頂端預埋牛腿作為各提升支架的基礎，整個平面共設置8個吊點（圖5），每個吊點配置1臺以柔性鋼絞線作為承重索具的YS-SJ型穿心式液壓提升器。在8層～屋面層整體鋼結構的屋面層鋼梁上部吊點位置處焊接提升用臨時吊具并設置錨板，利用經計算與提升總荷載相匹配的鋼絞線，將臨時吊具與提升支座上作為上吊點的提升器連接。由于拼裝后的整體鋼結構立柱距離吊點比較遠，為減小鋼結構提升過程中跨度方向鋼梁的撓度變形，采取在吊點處設置臨時加固豎向桿件和加勁板的措施，以滿足提升時整體鋼結構變形的要求。

3.4 提升支架的設計

在主樓結構勁性柱頂端預埋牛腿上設置提升支架（圖6），提升支架前斜撐規(guī)格為B300 mm×16 mm，后立柱、斜撐和牛腿加固桿規(guī)格為HW300 mm×300 mm×10 mm×15 mm，提升梁規(guī)格為B400 mm×300 mm×16 mm，構件鋼材材質為Q345B。提升支架各桿件間及支架與牛腿連接采用焊接，焊縫等級為二級，焊接形式為坡口全熔透焊。提升器固定在提升梁上，為保證提升支架的側向穩(wěn)定性，在提升支架側邊高度方向設置斜向的水平加固桿，規(guī)格為H150 mm×150 mm×7 mm×10 mm，材料材質為Q235B。

圖5 鋼結構吊點平面布置

圖6 提升支架設計

3.5 受力模型分析

鋼結構提升過程采用Midas GEN V836有限元程序仿真分析。其中DL為結構構件自重和樓層板重。參照GB 51162—2016《重型結構和設備整體提升技術規(guī)范》，應力比取基本荷載組合，變形取標準荷載組合。

本工程鋼結構提升過程中主要有2種典型工況，工況1為8層～屋面層整體鋼結構提升時，含加固桿最大提升荷載共4 508 kN，結構最大應力比為0.44＜1（吊點處上弦桿件），加固桿桿件最大應力比為0.59＜1，被提升結構桿件應力比均小于1，滿足要求；結構最大綜合變形11 mm，主桁架最大豎向變形11 mm。主桁架跨度27 648 mm，豎向變形為跨度的1/2 513＜1/400，滿足規(guī)范要求（圖7）。

圖7 工況1應力分布和變形分析示意

工況2為3、5、7層鋼連廊與8層～屋面層整體鋼結構串吊共同提升時，最大提升荷載為5 149 kN，結構最大應力比為0.61＜1（吊點處上弦桿件），加固桿桿件最大應力比為0.74＜1，被提升結構桿件應力比均小于1，滿足要求。結構最大綜合變形23 mm（3層鋼梁處），主桁架最大豎向變形16 mm。主桁架跨度27 648 mm，豎向變形為跨度的1/1 728＜1/400，滿足規(guī)范要求（圖8）。

圖8 工況2應力分布和變形分析示意

提升支架最大豎向荷載標準值900 kN，水平風荷載20 kN，結構最大應力比為0.80（前斜撐），最大剪應力比為0.68（提升梁），桿件應力比均小于1，滿足要求；最大綜合變形為8 mm，頂部水平位移最大為6 mm（考慮風荷載作用），最大豎向位移5 mm，支架高度取1 800 mm，水平位移與支架高度之比為1/300＜1/120；最小屈曲系數為11＞1，滿足要求（圖9）。

3.6 提升施工

3.6.1 提升流程

利用液壓同步提升系統將8層～屋面層的整體鋼結構提升單元提升到一定高度后暫停提升，下方3、5、7層鋼連廊在下方疊拼成型，再采用串吊方式一起提升。待提升系統將下方3層鋼連廊從下往上分層依次提升至設計標高并與預裝段牛腿對接后，再繼續(xù)將8層～屋面層的整體鋼結構提升單元提升至屋面設計標高安裝位置就位，與預埋鋼牛腿對接安裝。具體施工流程如下：

1）在結構勁性柱頂層預埋牛腿上設置提升支架8組；在提升支架上安裝并固定液壓提升器，同時安裝液壓泵源、管路系統和傳感器等其他同步提升系統設備。

2）在鋼結構安裝位置投影面正下方－0.05 m的車庫頂板上，將8層～屋面層拼裝成整體鋼結構提升單元，在吊點對應位置安裝臨時吊具、臨時豎向加固桿等。

3）安裝鋼絞線將吊具與支架上的液壓提升器連接，啟動液壓提升控制系統進行調試，檢查提升系統各部件的動作、轉向和靈敏性等技術狀態(tài)，經調試檢查正常后的液壓提升控制系統進行空載試車。

4）經調試和空載試車確認無誤后的液壓提升控制系統，按照設計或施工方案的荷載要求，以20%、40%、60%、80%、100%的順序分級加載，直到鋼結構提升單元脫離拼裝支架時暫停提升，將鋼結構提升單元調整至水平姿態(tài)后繼續(xù)提升至離地約150 mm懸停并靜置12 h。

5）懸停期間對鋼結構提升單元、主體結構關鍵點、提升支架和液壓同步提升系統的性能等進行全面檢查和檢測，檢驗合格后方可正式提升。

6）將提升單元正式提升至離地3.5 m，下方拼裝7層鋼連廊，用鋼絲繩將鋼結構整體提升單元與拼裝后的7層鋼連廊連接；繼續(xù)向上提升3.5 m，地面拼裝5層鋼連廊，用鋼絲繩將拼裝后的5層鋼連廊和7層鋼連廊連接；繼續(xù)向上提升3.5 m，地面拼裝3層鋼連廊，用鋼絲繩將拼裝后的3層鋼連廊和5層鋼連廊連接。

7）提升至3層鋼連廊設計標高，完成3層鋼連廊與預埋牛腿的安裝對接；繼續(xù)提升至5層鋼連廊設計標高，完成5層鋼連廊與預埋牛腿的安裝對接；繼續(xù)提升至7層鋼連廊設計標高，完成7層鋼連廊與預埋牛腿的安裝對接。

8）繼續(xù)提升8層～屋面層整體鋼結構提升單元至接近屋面設計標高后暫停提升，對提升單元的標高和平面位置進行校對和調整后，繼續(xù)低速提升至設計標高后停止提升，采用計算機控制系統“微調、點動”功能將提升單元調整至滿足設計安裝要求后進行臨時固定，并鎖住提升器。

9）將就位并固定后的8層～屋面層整體鋼結構提升單元的各對接梁，與對應位置的預埋牛腿進行焊接安裝，完成結構轉換。

10）完成結構轉換的鋼結構提升單元按規(guī)定檢測合格后，分批分級順序卸載各吊點，完成鋼結構荷載的轉換并達到設計狀態(tài)。拆除液壓提升設備、提升支架和臨時加固桿，鋼結構提升及安裝作業(yè)完成。

3.6.2 提升過程受力分析

提升過程中的最不利狀態(tài)為工況2，即3、5、7層鋼連廊與8層～屋面層整體鋼結構串吊并共同提升時，該工況下吊點受力最大，各提升支架所承受的荷載最大。

采用Midas有限元軟件進行分析，此工況下最大荷載為D06吊點的759.7 kN，最小荷載為D05吊點的544.3 kN。用吊點反力作為集中荷載施加到各吊點，驗算混凝土框架結構的受力及變形。有限元分析結果表明（圖10），兩側框架結構在提升過程中產生最大側向位移為10.61 mm，在建筑物3H/10 000的范圍之內，滿足要求，框架結構與提升支架連接點處最大位移發(fā)生在提升架處，為23.61 mm。混凝土框架結構應力比值均在0.24以下，滿足規(guī)范要求。

圖9 提升支架受力變形分析示意

圖10 提升吊點受力示意

3.6.3 液壓提升系統控制要點

大型鋼結構安裝采用液壓整體提升技術時，做到了經濟合理、技術先進、保證質量。在整個提升過程中，液壓提升控制系統應注意以下控制要點：

1）提升控制系統配置的多臺液壓提升器型號規(guī)格、提升速度和提升能力等技術參數應保持一致，且與各吊點的提升荷載相匹配，滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數。

2）液壓整體提升系統應采用計算機進行控制，并采用網絡實現與傳感器信號互聯，以保證將各提升點動作和位移的同步性控制在±20 mm以內，實現荷載的均衡控制。

3）計算機控制的液壓提升系統安裝完成后，必須對各部件、設備進行調試、空載試車和負載試驗，滿足設計的工況要求并經驗收后方可進行正式提升作業(yè)。

4）提升作業(yè)加載和卸載時應分批分級進行，在加載過程中，應對鋼結構提升單元、提升支架等進行觀測，無異常情況方可繼續(xù)加載。卸載時需驗算結構的不同步效應以確定合理的卸載順序。

5）當鋼結構提升單元達到設計位置后，應進行臨時固定，并按設計要求進行結構的轉換，當有多個部位需要轉換時，應按順序對關鍵部位先行轉換。

3.7 安全措施

1）大型鋼結構的整體提升，應根據現場施工工況編制專項施工方案，當提升荷載大于規(guī)定時，編制的方案需要經過組織專家論證通過后方可實施。施工作業(yè)時必須嚴格按照施工方案的作業(yè)流程進行實施。

2）液壓提升設備、提升支架進場時，必須提供設備使用說明書、產品合格證等技術資料，并按照規(guī)范規(guī)定要求進行檢測和進場驗收，合格后方可使用，確保提升吊裝安全。

3）應根據氣象預報選擇在溫度、風力等各項氣象指標符合規(guī)定要求的時段進行提升，當風速超限制時，應采取防風措施，6級以上大風和雨雪天氣不得進行提升作業(yè)。

4）正式提升前，采用離地懸停一定高度的方式進行試提升，懸停期間需對鋼結構提升單元、主體結構關鍵點、提升支架和液壓同步提升系統的性能等進行全面檢查和檢測，檢驗合格后方可正式提升。

5）提升作業(yè)時，需在提升支架、鋼梁連接處搭設穩(wěn)固的過道或操作平臺，以備在設備檢修調試、提升狀態(tài)檢查和焊接施工時提供安全的登高作業(yè)防護設施。

6）提升作業(yè)過程中，必須派專人對提升通道進行連續(xù)觀測。當提升通道出現障礙物時應停止提升，采取措施清除障礙物后方可繼續(xù)提升。

7）提升過程中，應對各提升點的高差、荷載進行實時監(jiān)測，當荷載和高差超差時，應進行調整或停止提升，查清原因，排除故障后方可恢復提升。

8）做好突然停電、意外事故、惡劣天氣時停機，以及提升過程中可能發(fā)生故障的提升設備及控制系統的各種應急處置預案和措施。提升過程中不斷加強安全巡視并做好各種安全信息反饋[3-4]。

4 結語

本工程商業(yè)辦公樓大型大跨度異形桁架式鋼結構采用液壓整體提升技術，提升設備和控制系統自動化程度高，操作方便靈活。通過對設計、安裝方案的優(yōu)化，使得大量拼裝焊接工作在地下室頂板上完成，減少了高空作業(yè)的工作量，提高了大型鋼結構拼裝精度和安裝質量，提高了作業(yè)效率，縮短了工期，確保了施工過程的安全，同時也取得了良好的經濟效益。