既有大體積鋼桁架頂棚整體同步頂升關鍵技術研究

張雙鈴，黃云飛

（廣東省基礎工程集團有限公司 廣州510620）

0 前言

從20 世紀90年代以來，大跨度鋼管桁架結構由于具有結構自重輕、受力性能好、結構跨度大、可工廠化加工、現(xiàn)場施工進度快、造價低、結構安全可靠等諸多優(yōu)點，而逐漸在高速公路收費站項目的建設中得到大量運用［1，2］。隨著我國經濟的高速發(fā)展，早期建設的高速公路部分設施已經難以滿足地方發(fā)展的需求，需要進行升級改造，這些設施由于經過多年的使用，結構性能有所下降，在對這些既有結構的改造過程中面臨著諸多問題［3］。目前同步頂升施工技術在大體型場館、車站大廳、禮堂劇院等大型公共建筑大跨度網架結構施工中運用較為廣泛［4-6］，而在既有大跨度鋼管桁架的改造施工方面相關應用還不多。本文以貴港市新六互通高速公路口收費站大跨度鋼管桁架頂棚頂升改造項目為例，介紹該大跨度既有鋼桁架頂棚同步頂升改造技術的特點及施工過程，同步頂升施工技術在該項目中的成功應用為同類項目的實施提供借鑒。

1 工程概況

作為貴港市窗口之一的高速公路興六互通貴港收費站，隨著一級連線交通提升改造工程的實施，其收費站凈高已難以滿足要求，需對既有收費站鋼管桁架頂棚進行主體結構整體提升3 m的改造。該收費站鋼管桁架頂棚整體造型為中間高兩頭低呈對稱分布，整個頂棚長90 m，寬37 m，桁架高1.6 m，桁架間距為2.25 m，支承柱間距為52 m，整個建筑高度為25 m，鋼管桁架頂棚通過8 組32 條斜拉索懸掛于4 根大型鋼立柱上，同時鋼立柱兼做拉索主塔，承載鋼管桁架頂棚整體結構自重，整個鋼結構總重650 t。根據(jù)要求，在提升施工過程中需確保收費站部分車道的正常使用，同時避免鋼管桁架頂棚正常使用狀態(tài)下的結構應力出現(xiàn)過大變化，使頂棚產生不可恢復性變形，影響既有結構的安全性，為此選用整體液壓同步頂升方案（見圖1）。

圖1 提升后收費站效果圖Fig.1 After Lifting the Toll Station Renderings

2 項目實施的難點

對鋼管桁架頂棚進行頂升施工前，需要將原主支承結構的4 根大型鋼柱與基礎結構進行分離，分離后才能進行下一步施工。此項目在實施過程中主要有以下難點：

⑴鋼管桁架頂棚體積大、噸位高，是已使用多年的既有結構，頂棚主體結構構件性能變化情況評估困難［7］，頂升施工時需避免改變鋼管桁架頂棚結構著力點，使頂棚結構正常使用工況受到改變，頂升施工難度大；

⑵鋼管桁架頂棚在施工期間需要確保收費站部分車道的使用不受影響，頂棚結構重心高，結構支承立柱與基礎分離時，易出現(xiàn)不均勻或結構傾覆等不利工況，施工過程中對安全控制的要求高［8］；

⑶頂升施工時涉及多組千斤頂多點位同步頂升，同步控制不當時易造成頂棚傾斜，引起頂棚結構受力不均出現(xiàn)不可恢復性變形，嚴重時甚至發(fā)生傾覆造成重大安全事故，協(xié)同頂升控制要求高［9，10］；

⑷頂棚頂升到位后需對原4 根大型支承鋼柱進行加長施工，并與原基礎預埋螺栓連接，對接精度要求高。

針對以上實施難點，鋼管桁架頂棚頂升施工前有必要針對整體結構進行適當加固，以及設置相應的限位控制措施，以滿足頂升過程中的安全及精度控制要求。

3 頂升方案的設計

3.1 方案設計思路

施工前需將原4 根大型支承鋼柱與基礎結構分離，為避免分離施工時頂棚結構整體重心出現(xiàn)過大變化，通過驗算復核并結合側向限位支架的設置要求，將分離切割面設定在大型支承鋼立柱基礎面以上5 m的位置。切割分離面以上部為整體頂升部分，分離面以下部分除基礎外，原4 根大型截斷的支承鋼柱需進行拆除并重新加工（考慮頂升期間立柱的角度及長度會發(fā)生變化），待頂升到位后將新加工接長后的立柱與上部鋼柱對接。

考慮到鋼頂棚頂升過程的安全性及精度控制要求，頂升前需對鋼頂棚進行必要的加固，并設置一定的限位措施。頂棚結構加固需在立柱分離面以上200 mm處的橫向支承立柱間，增設橫向拉結箱型鋼梁，以抵消立柱與基礎分離時，柱底約束消失造成結構削弱的影響，同時在橫向箱型鋼梁兩端2 m 位置與鋼立柱間增加H 型鋼斜撐，斜撐與立柱相連接使橫向箱型鋼梁、H 型鋼斜撐與立柱形成有機整體，提高頂棚結構的整體性。頂升施工時橫向箱型鋼梁兼做頂升著力點，避免了因改變原鋼桁架頂棚結構著力點而造成的不利影響，同時在頂升完成后用于加固的橫向箱型鋼梁、H 型鋼斜撐將不予拆除，使其成為主體結構的一部分，有利于提高原頂棚結構的整體性能。加固設計如圖2 所示。

圖2 整體結構加固示意圖Fig.2 Overall Structure Reinforcement

3.2 頂升支架設計

3.2.1 頂升支架設置

頂升支架采用格構式型鋼支架，支架主結構采用截面為H300×300×10×15 規(guī)格的Q345B 級H 型鋼加工，標準節(jié)支架的規(guī)格為2 400 mm×2 400 mm×2 400 mm，上部設置一條規(guī)格為B600×800×20×30 千斤頂支承橫梁。最下節(jié)頂升支架結構底部設置有高強鋼板錨固件，可通過高強螺栓與下部混凝土基礎進行錨固連接，頂升支架結構的強度、剛度需滿足頂升施工要求。

3.2.2 頂升支架結構驗算

為確保頂升支架在頂升施工中架體結構的強度、剛度等性能指標滿足施工要求，對頂升支架結構采用SAP2000 結構分析軟件進行架體結構分析驗算。計算分別以《重型結構和設備整體提升技術規(guī)范：GB 51162-2016》、《鋼結構設計標準：GB 50017-2017》、《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范：GB 50205-2001》、《鋼結構焊接規(guī)范：GB 50661-2011》等相關規(guī)范為依據(jù)。計算條件為：①以支座地面剛性連接為邊界條件；②支架頂升梁與支架梁交點Z 向設置800 kN 集中荷載；③提升過程驗算的荷載組合強度：1.35×Dead，支座反力及變形：1×Dead。通過校核計算，結構最大應力比為0.55 時滿足頂升需求。頂升支架結構及結構驗算結果如圖3 所示。

圖3 頂升支架結構示意及應力比驗算結果Fig.3 Lifting Bracket Structure and Stress Ratio Check Result

3.3 側擋限位結構設計

3.3.1 側擋限位結構設置

為控制頂升施工過程中鋼管桁架頂棚支承立柱縱橫向出現(xiàn)的位置偏移，頂升施工前需要分別在每一根支承鋼立柱的縱向與橫向設置側擋限位支架，側擋限位支架采用H400×H400×400×13×21 型鋼加工制作，為確保側擋限位支架與支承鋼立柱有足夠的搭接，其支架搭接高度不宜小于提升高度的3 倍，每個立柱處設置4 副側擋，如圖4 所示。

圖4 側擋限位結構示意圖Fig.4 Side Block Limit Structure Diagram

3.3.2 側擋限位支架結構驗算

在同步頂升施工過程中，鋼管桁架頂棚的結構重心會隨著頂升行程的增大隨之上移，其最不利工況出現(xiàn)在橫向側擋結構頂升的初始和頂升結束2個階段，且縱向側擋同時承受荷載作用。驗算時采用SAP2000結構分析軟件, 分別對這2 種不利工況下側擋限位支架結構桿件進行分析驗算，結合原鋼管桁架頂棚的設計荷載工況，同步頂升過程中橫向限位荷載按120 kN考慮，縱向限位風荷載按30 kN 考慮。并以頂升始、末2 種最不利荷載工況下，縱橫雙向同時存在側翻且作用于同一框架的情況進行計算，通過分析計算得到在頂升開始時結構桿件最大應力比為0.57，在頂升結束時結構最不利狀態(tài)下桿件最大應力比為0.54，側擋限位支架結構滿足整個頂升過程中最不利工況要求。具體驗算結果如圖5 所示。

圖5 最不利工況應力比驗算結果Fig.5 The Most Unfavorable Working Condition Stress Ratio Check Result

4 同步頂升施工

4.1 同步頂升施工流程

根據(jù)頂升設計方案，鋼管桁架頂棚結構頂升時，在橫向拉結箱型鋼梁上共設置4 處頂升位置，各頂升位置分別配備1 臺TJJ-2000 型液壓千斤頂，頂升能力為200 t，頂升行程為250 mm，千斤頂由頂升支架支撐進行交替頂升。頂升施工流程如圖6 所示。

圖6 頂升施工流程Fig.6 Lifting Construction Flow Chart

4.2 同步頂升控制

4.2.1 同步控制原理

為確保結構在提升過程的頂棚結構整體安全，頂升施工采用“頂升點油壓均衡，結構姿態(tài)調整，位移同步控制”的同步提升控制方案，利用YT-1 型智能化計算機同步控制系統(tǒng)進行控制，該系統(tǒng)可以根據(jù)控制策略和特定算法，實現(xiàn)對鋼結構的提升姿態(tài)和荷載情況的實時控制。在提升過程中，通過控制泵站調節(jié)使得同一電機的各個頂點受載情況基本均勻，保證各個頂升點在提升過程中能夠保持一定的同步性，同時在鋼管桁架頂棚結構頂升位置設置傳感器，通過傳感器收集頂升過程結構的姿態(tài)信息，并回饋到計算機同步控制系統(tǒng)中，通過反饋的信息觀察各頂升點的同步狀況，當存在頂升點同步不均，且最大值高低差達到預警值20 mm 時，需要及時調平，確保頂升過程的安全穩(wěn)定。

4.2.2 同步頂升施工

頂升施工主要采用YT-1 型智能化計算機同步控制系統(tǒng)進行頂升同步控制，頂升施工準備就緒后，通過計算機同步控制系統(tǒng)對各頂點千斤頂同時發(fā)出加壓指令，并通過傳感器實時監(jiān)控頂棚結構頂升變化狀態(tài)。當千斤頂頂升至最大行程時在臨時頂升支架上設置對應高度的鋼墊板，然后將千斤頂卸載縮缸，使頂棚荷載完全轉移到臨時支架上，并對應在頂升千斤頂下設置相應行程厚度的鋼墊板完成一個行程。當頂升高度超過1 m時，在頂升油缸下面墊1 000 mm×1 000 mm的箱型梁，箱型梁的作用同理墊板；繼續(xù)重復前面頂升過程，頂升1個油缸行程后即添加墊板，轉移荷載在墊板上。當頂升添加墊板高度大于1 m 時，添加1 000 mm×1 000 mm 箱型梁。每次油缸縮缸完成增加墊板30 cm，墊板超過1 m則增設墊梁，頂升油缸、墊板交替承載，如此往復同步頂升、同步監(jiān)測、同步平衡矯正，直至將結構頂升到位。

鋼管桁架頂棚結構頂升到位后，還需要對4個支承立柱進行駁接施工，由于駁接施工需要一定的時間，為避免千斤頂長期加壓受力而出現(xiàn)不確定性安全隱患，需要將頂升支架進行必要的向上延伸，并將結構荷載完全轉移至頂升支架上。通過采用該液壓同步頂升施工技術，頂升施工過程中從檢測數(shù)據(jù)反應出各頂升點之間的最大高差均控制在5 mm 以內，有效地避免了在頂升過程中頂升點高差超限所產生的安全隱患，確保了工程的順利實施。

5 結語

隨著我國經濟的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化水平的提高，類似的高速公路收費站改造工程也必然增多，通過對該提升改造工程的成功實踐，表明了該提升改造方案的設計思路，對頂棚結構的加固、頂升支架及一些限位措施的的設置都是比較科學合理的，同時施工中采用了智能化信息法施工，利用智能控制系統(tǒng)對頂升加壓，頂升同步控制進行實時監(jiān)控，有效地控制鋼管桁架頂棚整體平衡頂升，避免了施工中造成既有頂棚在正常使用狀態(tài)下，結構應力工況出現(xiàn)超限變化引起的安全隱患，確保了施工期間收費站部分車輛道的正常通行，施工精度高。本工程的順利實施為貴港市城市形象的提升做出貢獻，同時也為后續(xù)同類大型既有鋼桁架結構的改造提升提供了一定的工程借鑒和參考。