超高層巨型鋼桁架連體分次提升施工分析與控制研究

張文學 張茜

0 引言

超高層頂部巨型鋼桁架連體具有重型、高位、大跨、多層的特性導致施工難度大。目前超高層巨型鋼桁架連體施工多采用一次提升或局部提升與高空散拼相結(jié)合的施工方法。一次提升施工先在地面拼裝連體，再將連體結(jié)構(gòu)提升至設計位置，該方法施工速度快，施工精度高，但因鋼連體自重大提升過程對超高層主樓產(chǎn)生的側(cè)向變形與應力無法消除，為結(jié)構(gòu)使用階段埋下安全隱患。局部提升與高空散裝相結(jié)合是先在地面拼裝鋼連體下部結(jié)構(gòu)，提升至設計位置后，再吊裝上部結(jié)構(gòu)，該方法僅在地面拼裝連體下部部分樓層，提升過程對結(jié)構(gòu)主體影響相對小，但作業(yè)人員高空作業(yè)施工風險高，施工周期長。

亟需更優(yōu)的巨型鋼桁架連體施工方案，減少提升過程對主體結(jié)構(gòu)不利影響，同時保證施工工期、提高施工質(zhì)量。創(chuàng)造性提出沿豎向分次提升鋼桁架連體的施工方法，有效解決超高層頂部重型鋼桁架連體的施工難題。

1 工程概況

某門式超高層結(jié)構(gòu)，由兩棟超高層主樓在頂部八層通過巨型鋼連體連接形成。結(jié)構(gòu)主體為帶多道加強層的鋼管混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，單個塔樓平面尺寸為30.6m×63.9m，結(jié)構(gòu)頂部標高248.2 m，高寬比為8。鋼連體由四榀巨型（躍層）桁架、五道底層承重桁架及次方向鋼框架組成，巨型桁架桿件采用箱型截面，最大桿件截面850mm×600mm×75mm×75mm，連體標底標高為206.5m，八層總高度35.2m，最大跨度63.7m，結(jié)構(gòu)布置圖見圖1。鋼連體重約7 000 t，是國內(nèi)相同高度大跨連體中結(jié)構(gòu)重量最大的。重型、高位的鋼連體與高寬比大的主樓結(jié)構(gòu)對連體的施工提出了較大的挑戰(zhàn)。

圖1 某超高層結(jié)構(gòu)連體布置方案

2 設計與施工一體化協(xié)同分析

2.1 結(jié)構(gòu)計算模型

采用MIDAS 有限元分析軟件建立帶巨型鋼桁架連體的超高層結(jié)構(gòu)整體計算模型。所建立的模型包含兩棟主樓單體，頂部八層鋼桁架連體，提升裝置及施工過程中的臨時加固桿件。依據(jù)施工方案中的施工順序?qū)⒄w結(jié)構(gòu)、提升裝置、臨時加固桿件分成不同的結(jié)構(gòu)組，并分別定義與各結(jié)構(gòu)組相對應的邊界組與荷載組模擬結(jié)構(gòu)施工過程中真實的邊界條件與荷載情況。通過對施工各階段及使用階段結(jié)構(gòu)組、邊界組、荷載組激活與鈍化的處理，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設計與施工一體化協(xié)同分析。施工過程考慮結(jié)構(gòu)自重與風荷載、節(jié)點重量及構(gòu)造措施，綜合整體分析偏心提升、提升吊點不同步等提升施工的各種不利工況。

2.2 鋼連體提升次數(shù)分析

將八層鋼連體作為一個整體提升時，單次提升重量約7 000 t。計算分析表明：一次整體提升對主樓產(chǎn)生的最大側(cè)向變形約76.2mm，一次整體提升鋼連體對提升吊點處主樓外框柱產(chǎn)生了較大的施工殘余應力，成型后主樓側(cè)向變形無法消除，施工過程中與外框柱相連的核心筒產(chǎn)生了較大的拉應力，已接近混凝土墻體抗拉設計強度，局部需要加強臨時措施。因此不建議采用一次整體提升方案。

將八層鋼連體沿豎向拆分為上下四層分兩個提升部進行提升，將上部鋼連體結(jié)構(gòu)提升至設計位置后，將吊點由主樓外框柱牛腿轉(zhuǎn)換到上部連體結(jié)構(gòu)上，保證連體上下部變形協(xié)調(diào)的同時，進一步減小了連體提升過程引起的主樓側(cè)向變形（如圖2）。計算分析表明：二次整體提升過程對主樓產(chǎn)生的側(cè)向變形最大為35.6 mm，與連體一次提升相比大大降低；提升過程中與連體連接的主樓外框鋼管砼柱的最大應力為53.7Mpa，與外框柱連接的主樓核心筒最大拉應力小于1 Mpa，對于鋼管砼柱Q460鋼管與核心筒C60 強度均有較大富余。

圖2 兩次提升鋼連體結(jié)構(gòu)的變形及應力

2.3 結(jié)構(gòu)設計與施工一體化協(xié)同分析

合理的施工方案應保證結(jié)構(gòu)施工成型后受力與形位滿足設計要求。疊加考慮施工成型過程的“活模型”進行結(jié)構(gòu)使用階段的計算分析，并與未考慮連體施工成型過程的設計一次性加載過程進行對比分析。圖3可見，考慮兩次提升鋼連體施工過程對主體結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)構(gòu)使用階段主樓側(cè)向變形為39.3 mm，相比一次整體提升減少近一半。另外，考慮兩次整體提升鋼連體的施工成型過程主樓的豎向變形38.3 mm 比一次性加載狀態(tài)45.4mm 略小。

圖3 結(jié)構(gòu)使用階段的變形

將連體沿豎向分兩次提升施工全過程連體施工進行分析，連體結(jié)構(gòu)嵌補完成后在自重荷載下的最大豎向變形為26.1mm，為結(jié)構(gòu)跨度的1/2440，滿足施工規(guī)范要求，桿件材料處于彈性，因此兩次嵌補過程安全可靠。

考慮兩次整體提升鋼連體的施工成型過程關鍵構(gòu)件的應力比設計一次性加載狀態(tài)略大。圖4 可見，外框柱的最大應力為55.6 MPa，應力比約0.15，連體桁架的最大應力140.0 MPa，應力比為0.35，均滿足設計要求。對于其余位置的鋼連體構(gòu)件，考慮施工成型過程比一次性加載桿件的應力幅值大25%～40%，但自重荷載引起的連體結(jié)構(gòu)應力水平較低，考慮施工成型過程桿件使用階段應力比小于0.2。因此將鋼連體沿豎向分兩次提升，并進行一次吊點轉(zhuǎn)換的施工方案安全合理，對設計使用狀態(tài)影響小，最終確定兩次整體提升的施工方法。

圖4 結(jié)構(gòu)使用階段關鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應力

3 分次提升嵌補點變形協(xié)調(diào)分析

由于桁架連體分兩次提升就位，尤其是施工過程結(jié)構(gòu)的豎向變形造成嵌補桿件節(jié)點豎向標高位置變化，影響結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量，也會造成很大的嵌補施工難度，尤其是跨間腹桿的嵌補連接。因此連續(xù)兩次提升需要對50～51 層桁架腹桿節(jié)點的豎向變形差進行分析，優(yōu)化提升吊點位置，將嵌補桿件節(jié)點因施工變形造成的偏差降到最合理的數(shù)值。圖2 為在上部提升成型的連體桁架1/1-8 及1/1-12 軸設置第二次提升的吊點，經(jīng)標高調(diào)平處理后，提取仿真計算結(jié)果的連體桁架第二次提升階段50層桁架上下節(jié)點豎向變形及嵌補桿件間的理論豎向變形值。經(jīng)數(shù)據(jù)整理分析得出理論豎向變形差相對值見圖5，嵌補桿件節(jié)點豎向相對變形差在-3.7～0.6mm 之間，完全可以借助焊接間隙消除，具備腹桿嵌補施工的可行性。

圖5 豎向嵌補桿件上下節(jié)點相對變形差

4 提升過程風險控制

4.1 抗風控制

由于風荷載的作用，鋼連體在提升過程會產(chǎn)生水平位移。水平位移S=F(L-h)/G，按照剛度K=G/(L-h)對提升吊點施加水平彈性約束。其中：F 為風荷載值；G 為吊點力；L 為提升裝置據(jù)地面的距離；h 為提升高度。計算分析表明提升過程中，兩個提升部結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的側(cè)向變形隨提升高度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。風荷載作用下第一提升部結(jié)構(gòu)在提升高度為60 m 時水平位移最大，第二提升部結(jié)構(gòu)在提升高度為50 m 時水平位移最大。

依據(jù)現(xiàn)行提升施工規(guī)范，在第一提升部上施加六級風荷載，提升高度為60 m 時，Y 方向側(cè)移3.10m，與主樓連接的X方向側(cè)移為1.57 m，與主樓外框柱節(jié)點發(fā)生碰撞，不能滿足施工安全的要求。提升時X 向與主樓單體直接相連，因此由鋼連體X 向安全距離為400 mm 確定提升允許的最大風壓。

將風速設定在三級風的上限值v=5.4 m/s 時，第一提升部在風載荷作用下X 向最大變形為353mm，第二提升部在風載荷作用下X 向最大變形為254 mm，均可滿足X 向安全提升距離不超過400 mm 的要求（如圖6）。由此確定，將風速控制在三級風及以內(nèi)提升鋼連體結(jié)構(gòu)。

圖6 X 向風荷載作用下二次提升結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形

4.2 同步提升控制

提升過程中各提升吊點不可能完全同步，吊點不同步會導致被提升結(jié)構(gòu)發(fā)生內(nèi)力重分布，存在安全隱患，需進行同步提升控制驗算。

上部連體結(jié)構(gòu)由兩個相互獨立的子結(jié)構(gòu)組成，取其中一個進行不同步分析。因子結(jié)構(gòu)僅有4 個提升吊點，且主桁架間的框架連接較弱，上部連體對不同步提升位移差并不敏感。圖7可見，在吊點最大提升力處施加200 mm 向上強迫位移時，上部連體結(jié)構(gòu)個別桿件開始達到設計強度，該吊點提升力由同步提升時的3 303 KN 增大到3 655 KN，增幅僅10.67%。

圖7 上部連體同步提升分析

第二次提升的下部連體結(jié)構(gòu)垂直主桁架方向有承重桁架將結(jié)構(gòu)連接成整體，結(jié)構(gòu)整體剛度大，對不同步提升豎向位移十分敏感。在同步提升吊點最大提升力處僅施加7 mm 向上的強迫位移時，該吊點提升力由同步提升時的4 495 KN 增大到5 434 KN，增幅約20.8%。對于下部連體的提升過程，控制吊點的提升力不超過理論分析值的1.25 倍（圖8）。

圖8 下部連體同步提升分析

因此提升施工同步控制采用位移與載荷雙控方式，上部提升以位移同步控制為主，下部以載荷控制為主。

5 分次整體提升施工方案簡介

5.1 地面拼裝鋼連體結(jié)構(gòu)

在地面設置胎架，拼裝鋼連體結(jié)構(gòu)。拼裝過程中將鋼連體上部四層利用卡板臨時連接在下部連體結(jié)構(gòu)上。

5.2 分次整體提升

上部連體提升在與連體四榀主桁架相連的主樓外框柱處設置提升吊點，共設置8 個提升吊點，每個吊點處設置四個200t的液壓油缸，液壓油缸的安全系數(shù)為2.42～2.63。一次提升上部連體結(jié)構(gòu)至設計位置并嵌補桿件后，在已提升連體四榀主桁架跨內(nèi)底部對稱布置8 個提升吊點，提升連體下部結(jié)構(gòu)。每個吊點位置設置四個200 t 的液壓油缸，液壓油缸的安全系數(shù)為1.80～2.61。

6 結(jié)語

通過對超高層頂巨型鋼桁架連體分次提升施工分析與控制研究，得出結(jié)論如下：

（1）基于結(jié)構(gòu)設計與施工一體化協(xié)同分析，保證連體施工安全的同時，減少連體施工過程對主樓使用階段的影響，通過嵌補腹桿兩端節(jié)點豎向變形協(xié)調(diào)分析，確定沿豎向分兩次整體提升鋼體的施工方法可行。

（2）兩個提升部結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的側(cè)向變形隨提升高度的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。依據(jù)提升水平安全距離400 mm 確定提升施工過程允許的風速等級為三級。

（3）整體性弱對不同步提升豎向位移不敏感，同步提升由豎向位移控制；結(jié)構(gòu)整體性強，對不同步提升豎向位移十分敏感，同步提升由最大提升力控制。