剛度不均勻重載鋼結(jié)構(gòu)分區(qū)域累積提升及測(cè)控技術(shù)*

杜立春

(南京市江北新區(qū)公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京 210031)

0 引言

大跨鋼結(jié)構(gòu)鋼屋蓋采用高空原位散拼或分單元吊裝，高空焊接工作量大、臨時(shí)支撐胎架數(shù)量多，且由于高空焊接工效低，整體提升技術(shù)成為大型公建場(chǎng)館鋼屋蓋常用的安裝方法。王建平等[1]針對(duì)國(guó)家圖書(shū)館二期工程重達(dá)10 388t的巨型鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，采取地面平面整體提升的總體施工方案，共設(shè)置28個(gè)提升點(diǎn)，提升高度為15.65m。張明亮等[2]針對(duì)樓地面不平整的特點(diǎn)，將重達(dá)3.6t的湖南廣播電視臺(tái)F演播廳屋蓋鋼桁架劃分為2個(gè)提升單元，采用樓面拼裝+液壓提升+高空補(bǔ)桿的總體施工方案。采用整體提升技術(shù)時(shí)，上提升吊點(diǎn)設(shè)置往往關(guān)系到被提升結(jié)構(gòu)的整體性，常規(guī)設(shè)計(jì)思路均將實(shí)際結(jié)構(gòu)作為提升吊點(diǎn)，但應(yīng)確保提升吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)受力在彈性范圍內(nèi)。黃虎等[3]在長(zhǎng)沙冰雪世界工程屋蓋鋼結(jié)構(gòu)單榀桁架提升安裝施工時(shí)，將兩側(cè)的鋼管混凝土柱作為提升吊點(diǎn)，為平衡偏心荷載，在鋼管混凝土柱提升點(diǎn)背面增加平衡索。在整體提升方案確定的基礎(chǔ)上，對(duì)提升過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)控制整個(gè)提升過(guò)程的安全性。蘇杭等[4]在六安體育中心體育館大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)多點(diǎn)不對(duì)稱整體提升施工過(guò)程中進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；劉文超等[5]針對(duì)異形曲面大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊整體提升監(jiān)測(cè)技術(shù)難題，進(jìn)行整體提升工況下監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置和測(cè)試方法的研究。通過(guò)對(duì)比分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與施工過(guò)程有限元結(jié)果[6-10]，可更加精確地控制整個(gè)提升過(guò)程，確保提升施工全過(guò)程的安全性和可靠性。

本文結(jié)合南京市江北新區(qū)市民中心規(guī)劃展覽中心鋼結(jié)構(gòu)施工，分析研究剛度不均勻重載鋼結(jié)構(gòu)分區(qū)域累積提升和測(cè)控關(guān)鍵技術(shù)，以期為類(lèi)似工程施工提供借鑒。

1 工程概況

南京市江北新區(qū)市民中心工程占地面積約82畝(1畝≈667m2)，總建筑面積約7.5萬(wàn)m2，其中，地上約4.9萬(wàn)m2，地下約2.6萬(wàn)m2。地下1層，地下室底板埋深6.2m。地上部分主要由2棟獨(dú)立塔樓組成，其中市民活動(dòng)中心3層，規(guī)劃展覽中心5層。規(guī)劃展覽中心鋼結(jié)構(gòu)如圖1所示，其平面投影呈圓形(直徑104m)，豎向4個(gè)核心筒(方形鋼框架支撐筒)落地，樓層框架結(jié)構(gòu)標(biāo)高18.970～40.170m(高21.2m)，共5層，其中上部3層為桁架結(jié)構(gòu)，下部2層為吊掛結(jié)構(gòu)；樓層框架通過(guò)8榀主桁架及外圈桁架與核心筒4個(gè)四肢格構(gòu)柱連接承載。

圖1 規(guī)劃展覽中心鋼結(jié)構(gòu)

規(guī)劃展覽中心結(jié)構(gòu)總體采用鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，總用鋼量約13 000t，主要構(gòu)件包括格構(gòu)組合柱、平面桁架、弧形桁架、吊掛框架、屈曲支撐等，主要截面形式有箱形、H形、圓管等，主要結(jié)構(gòu)材質(zhì)有Q345B，Q345GJ等，樓板主要采用鋼筋桁架組合樓板。

2 施工重難點(diǎn)分析

為有效縮短施工工期、減少高空焊接工作量，南京市江北市民中心規(guī)劃展覽中心鋼結(jié)構(gòu)采用桁架結(jié)構(gòu)層整體提升+吊掛結(jié)構(gòu)層高空散裝的綜合施工方案。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件和提升結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析該項(xiàng)目施工重難點(diǎn)如下。

1)施工場(chǎng)地狹小，地基承載力差 由于該項(xiàng)目采用市民活動(dòng)中心和規(guī)劃展覽中心同步施工方案，規(guī)劃展覽中心基坑施工場(chǎng)地狹小，基坑內(nèi)無(wú)法進(jìn)行桁架層結(jié)構(gòu)整體拼裝成型，部分結(jié)構(gòu)需在基坑頂部拼裝，待在基坑底部拼裝的鋼結(jié)構(gòu)提升至基坑頂安裝高度且對(duì)接安裝后，才能形成桁架層的整體結(jié)構(gòu)。此外，由于地下室筏板僅500mm厚且下部土質(zhì)承載力弱，重型起重機(jī)械吊裝作業(yè)易造成筏板損壞，不僅限制了起重機(jī)選型，且需復(fù)核各種不利工況下筏板受力安全性。

2)提升結(jié)構(gòu)重量大，剛度不均勻 規(guī)劃展覽中心頂部3層桁架結(jié)構(gòu)重5 300t，包括直徑104m的環(huán)桁架、長(zhǎng)45m的8榀主桁架及環(huán)桁架與主桁架間的連接桿件。由于4個(gè)核心筒先安裝至設(shè)計(jì)標(biāo)高，擬提升結(jié)構(gòu)在核心筒處需斷開(kāi)連接，整體剛度較好的桁架層結(jié)構(gòu)被分割成剛度較大的環(huán)桁架+剛度離散的4組主桁架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致擬提升結(jié)構(gòu)剛度不均勻。

3)提升點(diǎn)數(shù)量多，控制難度大 擬提升結(jié)構(gòu)包括環(huán)桁架和8榀主桁架，利用已安裝成型的核心筒鋼結(jié)構(gòu)作為提升支撐點(diǎn)，共設(shè)置24個(gè)提升點(diǎn)。由于各提升點(diǎn)提升力差別較大，對(duì)施工同步控制要求高，且因地面拼裝條件限制，第1階段先提升3/4不規(guī)則結(jié)構(gòu)，第2階段桁架層結(jié)構(gòu)整體提升，如圖2所示。2次提升結(jié)構(gòu)重量差異大、形心偏離大，提升過(guò)程受力復(fù)雜。此外，利用4個(gè)高度近50m格構(gòu)柱框架核心筒單獨(dú)作為提升點(diǎn)，提升過(guò)程中整體穩(wěn)定性控制難度大。

圖2 桁架層結(jié)構(gòu)的累積提升

4)對(duì)接焊口數(shù)量多，精度要求高 由于擬提升3層桁架結(jié)構(gòu)的8榀主桁架均與核心筒斷開(kāi)，環(huán)桁架與伸臂桁架間也斷開(kāi)，桁架結(jié)構(gòu)層提升就位后需對(duì)接的焊口數(shù)量達(dá)97個(gè)。此外，構(gòu)件跨度較大，節(jié)點(diǎn)復(fù)雜且大部分為焊接節(jié)點(diǎn)，因此需考慮如何使鋼構(gòu)件快速安裝就位，有效避免構(gòu)件吊裝變形；同時(shí)需保證構(gòu)件空間焊接位置精準(zhǔn)對(duì)接，構(gòu)件拼接的幾何尺寸精度要求較高。

5)施工工期緊，組織管理難度大 項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中存在多項(xiàng)立體交叉作業(yè)，為確保項(xiàng)目的安全施工，加大了施工組織管理難度。此外，存在分2階段的累積提升施工、規(guī)劃展覽中心和市民活動(dòng)中心同步施工等多項(xiàng)施工組織管理，整個(gè)項(xiàng)目的組織管理難度較大。

3 累積提升施工關(guān)鍵技術(shù)

南京市江北新區(qū)市民中心規(guī)劃展覽中心桁架層結(jié)構(gòu)提升是我國(guó)最大直徑(100m)鋼環(huán)梁結(jié)構(gòu)首次采用整體提升技術(shù)施工，也是我國(guó)首例剛度不均勻重載鋼結(jié)構(gòu)提升工程。在項(xiàng)目方案策劃階段及實(shí)施階段，均形成了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合上述施工重難點(diǎn)分析，對(duì)該項(xiàng)目的累積提升施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

3.1 吊點(diǎn)設(shè)置

規(guī)劃展覽中心桁架結(jié)構(gòu)層與4個(gè)核心筒結(jié)構(gòu)切割斷開(kāi)后，被提升結(jié)構(gòu)在平面上變得較離散，4個(gè)核心筒間為剛度較大的主承力桁架，核心筒外圍為環(huán)桁架，主承力桁架與環(huán)桁架間為剛度較弱的連系桿件。利用4個(gè)核心筒進(jìn)行提升上吊點(diǎn)布置，為確保被提升結(jié)構(gòu)的受力安全性，擬定在剛度較大的主承力桁架、環(huán)桁架上均設(shè)置提升吊點(diǎn)的方案。同時(shí)，從提升設(shè)備投入量、各提升點(diǎn)受力均勻性等方面考慮，每個(gè)核心筒對(duì)應(yīng)的環(huán)桁架設(shè)置2個(gè)提升吊點(diǎn)，且吊點(diǎn)位置直接布置在環(huán)桁架上，如圖3所示。這種布置方式使核心筒鋼結(jié)構(gòu)在提升過(guò)程中受力不均勻，有一個(gè)鋼柱部位無(wú)提升吊點(diǎn)，需對(duì)最不利提升工況下的核心筒鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性復(fù)核驗(yàn)算，結(jié)果如圖4所示。最不利提升工況下的核心筒鋼結(jié)構(gòu)最大變形為-33.8mm，桿件應(yīng)力比最大值為0.749<1，核心筒鋼結(jié)構(gòu)安全性滿足要求。

圖3 吊點(diǎn)布置

圖4 最不利工況下核心筒安全性復(fù)核結(jié)果

3.2 累積提升有限元分析

根據(jù)被提升結(jié)構(gòu)的構(gòu)件布置(含臨時(shí)加固桿件)、吊點(diǎn)設(shè)置等，建立有限元模型(含提升吊索)，模擬實(shí)際提升過(guò)程。通過(guò)有限元分析，可準(zhǔn)確估算被提升結(jié)構(gòu)整體重量，并能提取各提升吊點(diǎn)提升力，用于提升千斤頂和鋼絞線的選擇。此外，除模擬提升吊點(diǎn)同步提升工況外，需模擬提升吊點(diǎn)不同步提升的多個(gè)工況，并根據(jù)分析結(jié)果，進(jìn)一步核算提升千斤頂和鋼絞線的安全裕度及各工況下的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力，給出提升吊點(diǎn)不同步控制偏差值。

根據(jù)該項(xiàng)目累積提升特點(diǎn)，分別進(jìn)行階段1，2工況下的提升多工況分析，結(jié)果如圖5所示。得出被提升結(jié)構(gòu)的整體重量約為53 000kN，結(jié)合不同步多工況分析，確定選用16臺(tái)TJJ-3500型(主桁架)和8臺(tái)TJJ-5000型(環(huán)桁架)液壓提升器，額定提升能力分別為3 500，5 000kN；選用1 860級(jí)φs17.80高強(qiáng)鋼絞線，主桁架每個(gè)吊點(diǎn)18根鋼絞線，環(huán)桁架每個(gè)吊點(diǎn)24根鋼絞線。

圖5 累積提升多工況有限元分析結(jié)果

不同步提升多工況應(yīng)力曲線如圖6所示。根據(jù)厚40mm及以上Q355B鋼材屈服強(qiáng)度為335MPa，以控制被提升結(jié)構(gòu)桿件均在彈性范圍內(nèi)為目標(biāo)，即取有限元分析結(jié)果中桿件應(yīng)力達(dá)到268MPa(80%屈服應(yīng)力)作為控制目標(biāo)。由圖6可知，結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力出現(xiàn)在主桁架提升吊點(diǎn)單點(diǎn)出現(xiàn)不同步時(shí)，不同步位移達(dá)50mm時(shí)，最大桿件應(yīng)力為231.69MPa；不同步位移達(dá)到60mm時(shí)，最大桿件應(yīng)力為271.97MPa。因此，該項(xiàng)目最終確定各提升吊點(diǎn)的不同控制偏差值為50mm。

圖6 不同步提升多工況桿件應(yīng)力曲線

3.3 累積提升同步控制技術(shù)

該工程采用頂部3層桁架結(jié)構(gòu)地面拼裝完成后整體提升，提升總重約53 000kN，總提升高度約37m，分2個(gè)階段，2次被提升結(jié)構(gòu)重量差異大，形心偏離大，提升過(guò)程受力復(fù)雜。提升采用吊點(diǎn)油壓均衡、結(jié)構(gòu)姿態(tài)調(diào)整、位移同步控制、分級(jí)卸載就位的同步提升和卸載就位控制策略。液壓同步控制系統(tǒng)由動(dòng)力控制、功率驅(qū)動(dòng)、計(jì)算機(jī)控制等系統(tǒng)組成，提升過(guò)程通過(guò)泵源系統(tǒng)、液壓提升器提供動(dòng)力輸出，通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)、計(jì)算機(jī)同步控制系統(tǒng)配合控制。通過(guò)數(shù)據(jù)反饋和控制指令傳遞，實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)作、負(fù)載均衡、姿態(tài)矯正、應(yīng)力控制、操作閉鎖、過(guò)程顯示和故障報(bào)警等多種功能。平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)不均衡多吊點(diǎn)的鋼桁架結(jié)構(gòu)向規(guī)則整體桁架的累積提升。

實(shí)際提升過(guò)程中，以被提升結(jié)構(gòu)有限元分析的各吊點(diǎn)提升力為控制目標(biāo)，對(duì)各提升吊點(diǎn)處的提升設(shè)備進(jìn)行分級(jí)加載，依次為20%→40%→60%→80%，經(jīng)全面檢查且確認(rèn)無(wú)異常后，繼續(xù)加載至 90%→100%，直至被提升結(jié)構(gòu)全部離地。被提升結(jié)構(gòu)即將離開(kāi)拼裝胎架(或地面)時(shí)，可能存在各點(diǎn)不同步的情況，應(yīng)密切觀察各點(diǎn)離地情況，必要時(shí)做單點(diǎn)提升，確保結(jié)構(gòu)平穩(wěn)離地，各點(diǎn)同步。被提升結(jié)構(gòu)離地約200mm后懸停12h，對(duì)被提升鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)、提升支架、吊具及各提升設(shè)備進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)檢查。懸停且檢查完成后，進(jìn)行正常的提升作業(yè)，由于各提升吊點(diǎn)荷載值不同，為確保提升的同步性，每提升5m進(jìn)行一次整體調(diào)平，確保提升過(guò)程中各吊點(diǎn)基本同步。

在整個(gè)同步提升過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)檢查以下內(nèi)容：①各吊點(diǎn)提升器受載均勻情況；②上吊點(diǎn)平臺(tái)的整體穩(wěn)定情況；③鋼結(jié)構(gòu)提升過(guò)程的整體穩(wěn)定性；④計(jì)算機(jī)控制各吊點(diǎn)的同步性。同時(shí)，液壓提升動(dòng)力系統(tǒng)監(jiān)視以下項(xiàng)目：①系統(tǒng)壓力變化；②油路泄漏；③油溫變化；④油泵、電機(jī)、電磁閥線圈溫度變化；⑤系統(tǒng)噪聲。

4 累積提升測(cè)控關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)于剛度不均勻重載鋼結(jié)構(gòu)提升全過(guò)程的安全控制，一方面需細(xì)化擬定的施工方案，解決實(shí)施過(guò)程中的重難點(diǎn)問(wèn)題，另一方面需對(duì)提升進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋，進(jìn)一步精細(xì)化控制各吊點(diǎn)提升同步性。在實(shí)施過(guò)程中，結(jié)構(gòu)拼裝階段即進(jìn)行桿件應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀器、下吊點(diǎn)同步性監(jiān)測(cè)儀器的安裝及調(diào)試。被提升結(jié)構(gòu)在地面拼裝完成后，調(diào)試完成各類(lèi)監(jiān)測(cè)儀器并實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)化采集。在累積提升過(guò)程中，應(yīng)分3個(gè)階段分別進(jìn)行測(cè)控。

1)離地階段 根據(jù)有限元分析階段進(jìn)行離地提升，每次分級(jí)加載后均應(yīng)進(jìn)行關(guān)鍵桿件應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集和分析，檢查相關(guān)受力點(diǎn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)。同時(shí)，通過(guò)安裝于下吊點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)儀及全站儀跟蹤監(jiān)測(cè)鋼結(jié)構(gòu)高差及下?lián)希员氵M(jìn)行離地后的整體調(diào)平，加載階段各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均應(yīng)做好完整記錄。

2)提升階段 由于提升階段被提升結(jié)構(gòu)相對(duì)于核心筒(提升架)為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在線監(jiān)測(cè)應(yīng)按結(jié)構(gòu)分區(qū)域布置采集儀器，且應(yīng)確保電源穩(wěn)壓供應(yīng)。4個(gè)核心筒均為獨(dú)立的提升架，每個(gè)核心筒均需布置1臺(tái)關(guān)鍵桿件應(yīng)力應(yīng)變采集箱，如圖7所示。被提升結(jié)構(gòu)的下吊點(diǎn)同步性監(jiān)測(cè)采用靜力水準(zhǔn)儀與圖3吊點(diǎn)對(duì)應(yīng)，共布置24個(gè)測(cè)點(diǎn)，選取其中1個(gè)測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，在線監(jiān)測(cè)各提升吊點(diǎn)相對(duì)位移，控制累積提升階段的同步性(相對(duì)高差≤50mm)。與常規(guī)上吊點(diǎn)同步性監(jiān)測(cè)方法相比，避免因提升吊點(diǎn)變形及鋼絞線夾片錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致的下吊點(diǎn)相對(duì)高差較大，能更加精確地確保被提升結(jié)構(gòu)的整體同步性。

圖7 桿件應(yīng)力應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

3)卸載階段 待被提升結(jié)構(gòu)提升就位后，進(jìn)行對(duì)接口的焊接和桿件嵌補(bǔ)，直至整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)體系完成。結(jié)構(gòu)體系成型后，需對(duì)24個(gè)提升吊點(diǎn)進(jìn)行卸載，卸載過(guò)程實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換，因此，在卸載階段同樣需對(duì)關(guān)鍵桿件應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一方面可驗(yàn)證結(jié)構(gòu)受力是否滿足設(shè)計(jì)，另一方面可確保整個(gè)卸載過(guò)程的安全性。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，卸載前、后關(guān)鍵桿件應(yīng)力變化率<30%，應(yīng)力變化值均<35MPa，未出現(xiàn)應(yīng)力激增的情況，整個(gè)卸載完成后結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布符合設(shè)計(jì)要求。卸載前、后，對(duì)環(huán)桁架成形圓度進(jìn)行精確測(cè)量，100m直徑圓最大測(cè)量偏差為35mm，豎向位移主要集中在主桁架跨中，最大豎向位移達(dá)5mm，均符合設(shè)計(jì)要求，實(shí)際完成效果如圖8所示。

圖8 項(xiàng)目完成效果

5 結(jié)語(yǔ)

1)為解決鋼桁架整體原位拼裝的技術(shù)難點(diǎn)，通過(guò)數(shù)值模型確立合適的桁架精度控制點(diǎn)及起拱值，并對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵控制點(diǎn)變形進(jìn)行預(yù)測(cè)與反饋。提出剛度不均勻重載鋼結(jié)構(gòu)提升全過(guò)程有限元分析方法，考慮提升不同步的影響，對(duì)提升施工進(jìn)行全過(guò)程分析，確定施工整體和關(guān)鍵分步施工流程，并確定流程間的銜接關(guān)系。

2)提出剛度不均勻重載鋼結(jié)構(gòu)提升吊點(diǎn)優(yōu)化設(shè)置方法，研發(fā)多點(diǎn)位、大差異整體同步提升控制系統(tǒng)和空間離散多接口精準(zhǔn)對(duì)接控制關(guān)鍵技術(shù)，解決了復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)整體提升多點(diǎn)位同步控制和精準(zhǔn)定位的難題。

3)下吊點(diǎn)豎向相對(duì)位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋完善了基于有限元分析結(jié)果的關(guān)鍵位置應(yīng)力與變形測(cè)控方法，基于多吊點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀高精度監(jiān)測(cè)施工技術(shù)和全過(guò)程伺服式施工監(jiān)測(cè)技術(shù)，開(kāi)發(fā)剛度不均勻重載鋼結(jié)構(gòu)整體提升過(guò)程的監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，增強(qiáng)了提升全過(guò)程的可控性，保障了復(fù)雜工況下施工的安全性。

該工程為我國(guó)首例最大直徑鋼環(huán)梁整體提升工程，也是我國(guó)首例剛?cè)峤Y(jié)合型整體提升工程，施工技術(shù)的應(yīng)用，可極大地提高施工效率、質(zhì)量和安全，縮短工期212d，焊接安裝質(zhì)量?jī)?yōu)良率98%，節(jié)約建造成本2 365萬(wàn)元，可為后續(xù)同類(lèi)鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目提供借鑒。