異形報告廳提升施工的應用與有限元分析

沙峰峰，胡倩茜

（江蘇省建筑工程集團第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

針對施工場地狹小，異形報告廳鋼結構無法采用大型機械吊裝設備施工的情況，提出采用液壓提升技術來完成此報告廳鋼結構的安裝，借助有限元分析與現(xiàn)場試驗，證明本施工方法不僅保證鋼結構安裝精度與效率，同時大幅度提高施工安全性。

1 工程概況

蘇地 2019-WG-53 號地塊（蘇州陽澄湖景區(qū)配套酒店項目）項目地址在蘇州市相城區(qū)相融路西側，緊靠環(huán)秀湖，擁有天然的生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢。其中報告廳平面區(qū)域位于 19/24 軸和 D/M 軸之間，共由 6 榀橫向桁架和 4 榀縱向桁架及聯(lián)系梁組成，上弦桿標高 23.5 m，下弦桿標高 18.45 m，桁架自身高度 4.9 m，單片桁架最大重量約為 49 t，最大跨度為 48 m（見圖 1）。

圖1 蘇州陽澄湖景區(qū)配套酒店項目效果圖

2 工程施工難點

1）異形報告廳中單片鋼桁架最大跨度達到 48 m，由于受到運輸機械的承重限制，現(xiàn)場需要采用分段拼裝為整體的方式。

2）由于主體鋼結構的安裝區(qū)域中心點，距離結構邊界較遠，并且上弦桿標高 23.5 m，下弦桿標高 18.45 m，若采用傳統(tǒng)的汽車吊，會存在一定局限性，故采用地面分段拼裝成整體，再將整體液壓同步提升就位后，焊接端部支座。

3）異形報告廳有 24 個主要受力點，為保證每個受力點的一致性，精準控制各個牛腿支座的平面位置和標高，成為異形鋼結構的施工難題之一。

3 異形報告廳提升施工工藝

3.1 施工工藝流程

異形報告廳鋼桁架在混凝土柱支座以外位置斷開，將桁架結構在其投影地面拼裝完成，將其直接從地面整體提升到設計位置，形成“桁架結構整體吊裝方案”。即在混凝土柱支座處將主結構斷開，并把此段預先安裝在設計位置，在提升標高底部地面將桁架結構全部拼裝完成，在桁架原結構混凝土柱上安裝臨時提升鋼支架作為提升過程的上吊點，其上方各布置一臺液壓提升器，專用鋼絞線先穿過提升器，再與設置在地面拼裝桁架結構的下吊點連接，通過液壓提升器的伸缸與縮缸，逐步將桁架提升至提升標高位置，鎖緊提升器，補裝焊接等設施后進行分級卸載，報告廳桁架提升工作完成。施工順序為先將提升區(qū)域一對應鋼桁架結構提升到設計位置，安裝后補桿件及永久措施后，將提升區(qū)域二鋼桁架提升至設計位置。

異形報告廳提升的施工工藝原理圖如圖 2 所示。

圖2 施工工藝原理圖

STEP1：在鋼結構正下方。

STEP2：在鋼桁架上端安裝下吊具與預埋勁性柱上安裝提升支架后，在提升支架的頂部固定液壓提升裝置，鋼絞線再依次穿過液壓提升器與下吊具。提升前需要完成整個提升系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的調(diào)試，能正常工作時，方可正式進入鋼結構的預提升。預提升時，先將整體鋼桁架提升至地面 100 mm 位置后，停止提升，觀察并記錄結構在 12 h 內(nèi)的狀態(tài)。

STEP3：12h 的觀察結果滿足要求后，開始對鋼桁架進行正式提升施工，通過全站儀對各布置的測點進行測量，來檢驗提升高度。通過液壓控制系統(tǒng)對單吊點的微調(diào)處理，實現(xiàn)鋼桁架提升至設計標高位置，施工過程如圖 3 所示。

圖3 鋼桁架提升至設計位置

STEP4：補裝后補桿件，各項檢查確認無誤后卸載。

STEP5：拆除鋼絞線、液壓提升器和提升臨時措施，提升工作完成。

3.2 施工工藝要求

1）拼裝施工之前，對每個分段單元進行編號，并注意連接點方向的正確性。

2）采用跨中預起拱（起拱值為跨度的1/700）的方式，克服大跨度鋼桁架的拼裝誤差。

3）分段單元之間的對接焊縫一律采用單面 450 坡口，內(nèi)加襯板，焊縫等級要求一級。

4）拼裝前依圖示在地面擱置 6 道 500 mm 高胎架梁，梁上安裝支撐架，將每榀桁架臨時固定，桁架組裝完成后，安裝桁架之間的聯(lián)系梁，再拆除支撐架，以此類推。

3.3 提升吊點布置

報告廳桁架結構提升吊點的設置以盡量不改變結構原有受力體系為總的原則，但桁架安裝提升工況與結構設計工況有一定區(qū)別，加之桁架結構投影面積較大、承受原結構自重荷載的支座較多，考慮到提升方案的經(jīng)濟性指標，在保證提升安全的情況下盡量減少提升吊點的數(shù)量和提升臨時設施的用鋼量。

在布置鋼桁架結構的提升吊點時，需要考慮到經(jīng)濟、安全等方面，確定提升吊點后，通過有限元分析軟件，模擬提升過程，根據(jù)計算結果對吊點位置作出適當?shù)恼{(diào)整，布置吊點如圖 4 所示。

圖4 報告廳提升吊點布置圖

4 有限元分析

4.1 提升支架的設計分析

綜合分析桁架結構的特性與每個提升吊點在施工過程中出現(xiàn)的最大反力值，提升支架焊接在型鋼柱的柱頂，提升支架上部安裝提升梁，作為上吊點的固定位置，布置提升上吊點需盡量避免對主體結構的干擾［1-3］。

異形報告廳臨時鋼結構提升支架的平面布置圖如圖 5 所示，提升區(qū)域一、二的提升桿件及加固桿件示意圖如圖 6、7 所示。

圖5 報告廳提升區(qū)域布置圖

圖6 提升區(qū)域一桿件示意圖

4.2 臨時鋼結構提升支架的有限元分析

采用 SAP2000 對本工程的臨時鋼結構提升支架進行有限元分析，結構計算模型和計算結構如圖 8 所示。其中，采用 BEAM44 單元對報告廳鋼結構各桿件進行模擬，其中構件的材料特性如表 1 所示。

表1 構件的材料特性統(tǒng)計表

圖7 提升區(qū)域二桿件示意圖

充分考慮臨時鋼結構提升支架的實際工況，在對其靜力強度分析計算時，應同時考慮恒荷載、活荷載及風荷載的作用，控制工況主要考慮提升支架各桿件與整體的位移及應力的控制［4］，其中立柱的位移限值f

由圖 8 有限元分析結果可知，提升階段支架最大下?lián)?5 mm，小于 L/200=15 mm，提升支架整體結構的最大應力比為 0.493，支架最小屈曲系數(shù) 43.1，結構穩(wěn)定性驗算亦滿足要求。以上有限元分析結果表明，鋼結構臨時提升支架的設計能夠保證大跨度異形報告廳提升施工階段的安全性。

圖8 有限元分析圖

4.3 報告廳鋼桁架計算分析

采用 SAP2000 對報告廳鋼桁架進行有限元分析，其中設置參數(shù)如表 2 所示。

表2 設置參數(shù)表

得到提升吊點反力值如圖 9 所示，結構的變形量與應力比值也符合規(guī)范要求，如圖 10 所示，其中將應力比值統(tǒng)計于表 3 中。

表3 應力比統(tǒng)計表

圖9 提升吊點反力圖（單位：kN）

圖10 結構的變形量與應力比云示意圖

由上述計算結果統(tǒng)計可知：提升階段結構最大下?lián)?14 mm，小于 L/400=120 mm；結構最大應力比 0.299；驗算結果表明各部分結構在提升階段安全。

5 結論

1）異形報告廳的鋼結構桁架通過地面胎架完成整體的拼裝，在滿足拼裝精準的同時，將高空作業(yè)量降至最少，加之液壓提升作業(yè)時間相對較短，能夠有效保證異形報告廳安裝工程的工期。

2）本文采用“液壓同步提升施工技術”吊裝異形報告廳，技術較為先進，安全性有保證；同時，為異形報告廳液壓提升的施工應用提供參考。

3）本文通過數(shù)值模擬結合實際工程，分析了報告廳鋼結構臨時提升支架在不同工況之下的受力性能，各構件的最大應力比符合 GB 50017－2003《鋼結構設計規(guī)范》［6］要求。同時，結構在提升過程的最大位移也均滿足規(guī)范設計要求，因此提升支架設計安全、可靠，保證了異形報告廳在提升階段安全施工。

4）異形報告廳提升支架吊點應力控制在容許應力控制范圍內(nèi)，考慮到現(xiàn)場施工的質(zhì)量，提升支架設計具有較大的安全系數(shù)以保證施工過程的安全性。Q