大跨度屋面鋼桁架提升施工過程分析研究

雷淑忠 崔節(jié)元 劉 鑫

（山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，濟(jì)南250101）

0 引 言

目前，大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的應(yīng)用正在增加。由于成本較高和施工周期較長的缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的搭建腳手架和分塊吊裝的施工方案逐漸無法適應(yīng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工安裝。隨著施工方面水平和精度的進(jìn)一步提高，目前地面拼裝加整體提升已經(jīng)成為大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋最常用的一種施工方法。國內(nèi)許多大型建設(shè)項(xiàng)目都采用了整體提升施工技術(shù)，如首都國際機(jī)場A380機(jī)庫屋蓋［1］、廣州新白云國際機(jī)場維修機(jī)庫鋼屋蓋［2］、澳門綜合體育館主桁架［3］、上海東方明珠廣播電視塔［4］、北京首都機(jī)場四位機(jī)庫［5］、MEGA會展中心鋼結(jié)構(gòu)屋蓋整體吊裝［6］等。

鋼屋蓋結(jié)構(gòu)在提升過程中的受力情況與設(shè)計(jì)狀態(tài)完全不同，需要對提升過程進(jìn)行施工力學(xué)模擬分析，保證提升過程的安全可靠。本文針對某工程大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的整體提升方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析施工過程中的索力、結(jié)構(gòu)變形和鋼構(gòu)件應(yīng)力比等數(shù)據(jù)，并且還對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同步提升分析，進(jìn)而得到桿件的應(yīng)力比和變形數(shù)據(jù)，確保結(jié)構(gòu)安全性。這種對整個(gè)提升過程進(jìn)行數(shù)值模擬的分析方法，可以計(jì)算獲得提升過程中各個(gè)階段的數(shù)據(jù)，對實(shí)際施工過程具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

某新建站房分為東、西站房和中間高架站房，由-10.0 m地下出站通廊、-5.10 m夾層、-2.70 m軌道層、0 m站臺層、4.50 m夾層、9.0 m高架層、15.90 m高架夾層、鋼結(jié)構(gòu)屋蓋組成，如圖1所示。位于站房及候車大廳上空的大型鋼屋面是該建筑的主要形象構(gòu)成要素，其跨度為72m，最大出挑接近14 m，投影面積為31 306 m2。

圖1 高架站房剖面圖Fig.1 Cross-section of the station housing

高架站房9.0 m以下為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，15.90 m高架夾層的結(jié)構(gòu)形式為鋼桁架；東站房15.90 m以下為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，15.90 m夾層屋面為鋼框架；西站房9.0 m以下為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，15.90 m高架夾層結(jié)構(gòu)形式為鋼框架。框架柱為鋼管混凝土柱：?1000×30 mm，屋蓋為雙向三角鋼桁架，桁架上、下弦中心高度為2.5～5 m，如圖2所示。

圖2 高架站房鋼屋蓋空間示意圖Fig.2 Schematic diagram of the station housing′s steel truss roof

2 施工方案

本工程中，鋼屋蓋中部跨度達(dá)到72 m，外輪廓呈曲線形，總重量1 878 t，屋面桁架的最大安裝標(biāo)高+38.330 m，施工難度很大。如果采用分件高空散裝，需要進(jìn)行高空組裝，焊接工作量較大，很難保證施工進(jìn)度，現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備難以滿足吊裝的要求，并且搭設(shè)工程需要的高空拼裝胎架很困難，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。施工難度較大，對于鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝的安全性、安裝質(zhì)量以及工程工期等方面的控制也非常不利。根據(jù)類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)，并經(jīng)技術(shù)論證分析，首先將屋蓋中部區(qū)域拼裝成整體，然后利用“超大型構(gòu)件液壓同步提升技術(shù)”將其整體提升到位，這將很大程度上降低安裝施工的難度，也有利于控制工程的質(zhì)量、安全、工期和施工成本。故高架站房鋼屋蓋結(jié)構(gòu)采取外側(cè)部分吊裝和中部部分整體提升相結(jié)合的方法進(jìn)行施工作業(yè)。

中部提升區(qū)域采用整體液壓同步提升技術(shù)，該技術(shù)使用液壓提升器作為提升設(shè)備，使用柔性鋼絞線作為承重索具，應(yīng)用液壓提升器為穿芯式結(jié)構(gòu)，并使用鋼絞線作為提升索具，將大重量的構(gòu)件在地面拼裝完成之后，再將整體提升到預(yù)定位置安裝就位，從而實(shí)現(xiàn)大重量、大跨度、大面積的大型構(gòu)件高空整體同步提升。

將本工程劃分為三個(gè)施工區(qū)，其中2/3軸～3/5軸和1/11軸～1/13軸間部分鋼屋蓋采用履帶吊及汽車吊施工，中間6軸～11軸間部分鋼屋蓋采用整體提升施工。整體施工順序按照先兩側(cè)后中間的總體思路，即先進(jìn)行兩側(cè)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)吊裝施工，然后進(jìn)行中部區(qū)域鋼屋蓋提升施工。施工分段如圖3所示，中部提升區(qū)域鋼屋蓋平面圖如圖4所示。

圖3 高架站房鋼屋蓋提升施工分段示意圖Fig.3 Elevation drawing of lifting construction of the station housing surface

圖4 中部提升區(qū)域鋼屋蓋平面圖Fig.4 Plan of steel roof in central lifting area

在中部區(qū)域鋼屋蓋提升單元投影面正下方的站房樓面上，首先將其拼裝成整體，并同時(shí)在屋面結(jié)構(gòu)層（標(biāo)高+26.887 m）處，借助預(yù)裝鋼結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)置提升平臺（上吊點(diǎn)），如圖5所示，提升平臺需保證提升過程中的承載可靠；將提升臨時(shí)吊具（下吊點(diǎn)）安裝在提升單元的屋面層桿件上與上吊點(diǎn)相對應(yīng)位置處，如圖6所示，將提升下吊點(diǎn)連接到要提升的結(jié)構(gòu)上，然后通過提升專用地錨、鋼絞線與提升上吊點(diǎn)液壓提升器相連，進(jìn)而通過提升器的重復(fù)操作完成結(jié)構(gòu)的提升工作。

圖5 提升平臺三維示意圖Fig.5 3D schematic diagramof lifting platform

圖6 提升下吊點(diǎn)三維示意圖Fig.6 3D schematic diagram of lifting points

液壓同步提升系統(tǒng)用于將鋼結(jié)構(gòu)提升單元整體提升到設(shè)計(jì)安裝的位置，并連接到預(yù)裝段牛腿等以完成安裝。鋼結(jié)構(gòu)提升的具體工序如下所述：

（1）將鋼結(jié)構(gòu)提升單元拼裝成整體提升單元，設(shè)置提升平臺，安裝預(yù)裝部分，一共設(shè)置26個(gè)提升吊點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的兩側(cè)各13個(gè)。

（2）安裝液壓同步提升系統(tǒng)設(shè)備，設(shè)置提升下吊點(diǎn)；調(diào)試液壓同步提升系統(tǒng)，張拉鋼絞線，使得所有鋼絞線都能夠受力均勻；然后檢查鋼結(jié)構(gòu)提升單元和液壓同步提升的所有臨時(shí)措施是否符合設(shè)計(jì)的要求。

（3）在確定都滿足要求之后，分階段進(jìn)行加載，直到整個(gè)提升單元離開拼裝平臺。

（4）將整體提升單元提升大約150 mm后，暫停提升；輕微調(diào)節(jié)每個(gè)吊點(diǎn)的標(biāo)高，讓每個(gè)吊點(diǎn)都處于水平狀態(tài)，并使其靜置4～12個(gè)小時(shí)；然后檢查和檢測提升點(diǎn)位移、屋蓋結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位和支座的應(yīng)力變形，并在檢查結(jié)果合格后進(jìn)行繼續(xù)提升。

（5）當(dāng)整體提升單元被提升到與預(yù)安裝部分結(jié)構(gòu)標(biāo)高接近時(shí)，此時(shí)應(yīng)該暫時(shí)停止提升工作；需要測量提升單元各個(gè)點(diǎn)的實(shí)際尺寸，然后核對處理，降低提速之后，繼續(xù)提升接近對接位置；通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的“微調(diào)、點(diǎn)動”功能，使每個(gè)提升吊點(diǎn)都能滿足要求。

（6）整體提升單元與預(yù)裝桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行對接，形成整體提升單元；當(dāng)屋蓋整體提升到位后，需安裝后補(bǔ)桿件才能卸載，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)需空中停留一段時(shí)間；對于本工程，因屋蓋主結(jié)構(gòu)為桁架結(jié)構(gòu)，投影面積大，風(fēng)荷載（六級以上）對提升過程有一定的影響，為了使結(jié)構(gòu)在提升過程中能夠有絕對的安全度，要做好提升間歇安全措施，要限制結(jié)構(gòu)在空中產(chǎn)生水平擺動和位移。

（7）拆除液壓提升設(shè)備，鋼結(jié)構(gòu)提升作業(yè)完成。

3 整體提升過程仿真分析

本工程的難點(diǎn)在于整個(gè)鋼屋蓋的吊裝和提升，由于跨度大、高度高、重量大、提升吊點(diǎn)數(shù)目較多、受力特點(diǎn)復(fù)雜，所以，施工過程中的吊點(diǎn)選擇、吊點(diǎn)加固，提升過程中鋼桁架受力分析、同步提升控制等方面都需進(jìn)行分析研究才能確定；與此同時(shí)，在施工過程中確保安裝精度以及控制屋蓋桁架平面外的穩(wěn)定，同樣是本工程拼裝和提升過程中非常重要的技術(shù)措施。

本文采用有限元分析軟件SAP2000來仿真模擬分析結(jié)構(gòu)的整個(gè)提升過程［7～9］。在分析過程中，采用梁單元模擬桁架桿件和聯(lián)系桿件，并通過邊界條件模擬桁架提升過程的體系轉(zhuǎn)換。仿真分析主要是為了驗(yàn)證整體結(jié)構(gòu)在提升過程中的應(yīng)力水平和變形情況，從而確保提升施工的安全性，分析所得結(jié)果可以為提升過程監(jiān)控監(jiān)測提供理論參考依據(jù)，并驗(yàn)算提升施工全部完成后整個(gè)結(jié)構(gòu)是否能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。

3.1 提升施工階段劃分

整個(gè)提升過程的施工模擬計(jì)算可以分為三個(gè)階段，將結(jié)構(gòu)施工全部完成施加使用荷載后的驗(yàn)算定為第四階段，各階段說明如下所述：

第一階段（中間部分的提升過程驗(yàn)算）：將中部區(qū)域屋蓋桁架結(jié)構(gòu)提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高（包括提升平臺及支撐桿件），提升過程中保證各吊點(diǎn)提升高度基本一致。

第二階段（中間部分與兩側(cè)部分合攏后的整體結(jié)構(gòu)驗(yàn)算）：安裝后補(bǔ)桿件，將提升結(jié)構(gòu)與兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)連接在一起，使結(jié)構(gòu)成為一個(gè)整體，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)是否滿足承載力要求。

第三階段（提升裝置拆除后的整體結(jié)構(gòu)驗(yàn)算）：拆除液壓提升設(shè)備、臨時(shí)支撐桿件，屋面桁架結(jié)構(gòu)最終安裝到位。

第四階段（整個(gè)結(jié)構(gòu)組裝完畢后的驗(yàn)算）：考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)施工組裝完畢施加使用荷載后的驗(yàn)算。

3.2 提升施工過程計(jì)算[10-12]

屋面桁架結(jié)構(gòu)材料和臨時(shí)措施材料材質(zhì)均為Q345B，結(jié)構(gòu)最大板厚為18 mm，鋼材抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為295 N/mm2。

在計(jì)算過程中，第一階段、第二階段和第三階段計(jì)算時(shí)只考慮屋面桁架結(jié)構(gòu)和提升裝置的自重荷載。由于節(jié)點(diǎn)等影響，計(jì)算模型重量與實(shí)際提升重量有差異，根據(jù)現(xiàn)場屋蓋拼裝時(shí)復(fù)核的實(shí)際重量和計(jì)算模型自重進(jìn)行對比，將模型鋼材密度放大了1.21倍。第四階段計(jì)算時(shí)根據(jù)原設(shè)計(jì)要求考慮的荷載如下：①為了使計(jì)算模型重量與實(shí)際提升重量相符，將模型鋼材密度放大了1.21倍；②屋蓋上弦恒荷載取1.1 kN/m2（屋面采光窗范圍為1.4 kN/m2）；③屋面活荷載取0.5 kN/m2；④基本風(fēng)壓取0.45 kN/m2。

每榀桁架的兩端均設(shè)置1個(gè)吊點(diǎn)，共有26個(gè)吊點(diǎn)。根據(jù)前述整個(gè)提升過程的四個(gè)模擬階段，對計(jì)算模型進(jìn)行一步步的連續(xù)疊加計(jì)算。每個(gè)階段的計(jì)算分析結(jié)果如表1所示，第四階段的應(yīng)力比分布圖和變形分布圖如圖7、圖8所示。

圖7 第四階段應(yīng)力比分布圖Fig.7 Stress ratio map of the fourth stage

圖8 第四階段變形分布圖Fig.8 Deformation map of the fourth stage

表1 提升施工過程中桿件的應(yīng)力比和變形Table 1 Stress ratios and deformations of members during lifting construction

由計(jì)算分析結(jié)果可得，屋面桁架結(jié)構(gòu)施工階段內(nèi)力較小，說明結(jié)構(gòu)安全度還是較高的；第四階段整個(gè)結(jié)構(gòu)組裝完畢后，施加使用荷載進(jìn)行計(jì)算可得，最大變形為175 mm，跨度為72 000 mm，由175/72000=1/411<1/250可知，滿足規(guī)范要求；應(yīng)力比均小于1，最大應(yīng)力比為0.71。通過位移計(jì)算結(jié)果可得，前三個(gè)階段桁架施工時(shí)位移增量在1 mm左右，這說明桁架結(jié)構(gòu)的施工對整體結(jié)構(gòu)的影響不是很明顯。

3.3 整體提升過程中不同步的驗(yàn)算

在屋蓋結(jié)構(gòu)整體提升過程中，吊點(diǎn)豎向不同步的情況是有可能發(fā)生的，各提升點(diǎn)位移差的出現(xiàn)將會對結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)產(chǎn)生很大的影響。所以當(dāng)可能出現(xiàn)位移差的情況時(shí)，需要計(jì)算分析結(jié)構(gòu)的受力情況，進(jìn)而使桁架的安全性和可靠性在提升過程中能夠得到保證。在提升過程中，提升成套設(shè)備配置有不同步響應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許提升施工存在設(shè)定幅度內(nèi)的不同步，但是如果不同步幅度超過了設(shè)定值，那么提升設(shè)備將會自動啟動響應(yīng)系統(tǒng)來確保提升施工的安全性。通過計(jì)算機(jī)同步控制系統(tǒng)對鋼屋蓋桁架結(jié)構(gòu)提升全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，并將不同步提升位移控制在20 mm以內(nèi)。

提升點(diǎn)有26個(gè)之多，存在多種位移不同步的工況。有必要從中選出較為危險(xiǎn)的情況，提升點(diǎn)的位移差將導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)力增加甚至變號，經(jīng)論證分析對比［13］，選出如下的七種比較危險(xiǎn)工況進(jìn)行計(jì)算分析。

工況一：設(shè)置提升點(diǎn)A-3/5作為不同步提升點(diǎn)1，對其單獨(dú)施加20 mm的位移差，其余提升點(diǎn)則設(shè)置零位移差，對結(jié)構(gòu)自身進(jìn)行復(fù)核。

對于工況二～工況七則分別設(shè)置提升點(diǎn)C-3/5、D-3/5、E-3/5、F-3/5、G-3/5、H-3/5為不同步提升點(diǎn)2～7，對不同步提升點(diǎn)單獨(dú)施加20 mm的位移差，其余提升點(diǎn)設(shè)置零位移差，對結(jié)構(gòu)自身進(jìn)行復(fù)核。

在計(jì)算過程中，只考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)的自重荷載，為了使計(jì)算模型重量與實(shí)際提升重量相符，將模型鋼材密度放大了1.21倍。七種工況下分析所得結(jié)果如表2所示，桁架最大應(yīng)力比出現(xiàn)在工況七中，最大應(yīng)力比為0.54，工況七應(yīng)力比分布圖如圖9所示，最大變形出現(xiàn)在工況一中，最大變形為142 mm，工況一變形分布圖如圖10所示。

圖9 工況七應(yīng)力比分布圖Fig.9 Stress ratio map of the working condition seven

圖10 工況一變形分布圖Fig.10 Deformation map of the working condition one

表2 提升過程中提升點(diǎn)不同步時(shí)桿件的應(yīng)力比和變形Table 2 Stress ratio and deformation of the rod when the lifting points are not synchronized during the lifting process

通過計(jì)算結(jié)果可知，考慮了提升過程中控制系統(tǒng)不同步時(shí)的分析，在提升過程中桿件最大應(yīng)力比與均勻提升時(shí)差值在0.02以內(nèi)，最大變形差值在2 mm以內(nèi)，均表明施工過程中能夠保證安全。這也表明，屋蓋結(jié)構(gòu)整體性較好，對邊界條件的變化具有很好的內(nèi)部調(diào)節(jié)能力。

4 結(jié) 論

整體同步提升技術(shù)是目前大跨度鋼結(jié)構(gòu)主要的安裝方法之一，而創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)施工技術(shù)必須有完善的施工過程仿真分析做保證。本文通過對整體提升過程中每個(gè)施工階段和多個(gè)吊點(diǎn)位移不同步工況中桁架桿件的應(yīng)力比和變形的計(jì)算，解決了提升過程中相關(guān)技術(shù)問題，確認(rèn)了該提升方案的可行性與合理性。在確定施工方案時(shí)，應(yīng)該考慮結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)和現(xiàn)場的具體條件，并且按照定量的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；采用較為合理的數(shù)值模型，進(jìn)而定量分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工過程中的重要環(huán)節(jié)，這樣對于判斷施工方案的合理性和可行性是有利的，可以實(shí)現(xiàn)有效的事前控制。本工程施工技術(shù)和施工過程分析也可供類似項(xiàng)目借鑒參考。