樹狀柱結(jié)構(gòu)自平衡提升安裝方案分析

余少樂 雷 克 陳新喜 陳海洲 孫曉陽(yáng) 張學(xué)偉

中國(guó)建筑第八工程局有限公司 上海 201204

1 工程概況

南京牛首山文化旅游區(qū)一期——佛頂宮屋蓋結(jié)構(gòu)建筑面積約20 000 m2（圖1）。屋蓋為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，呈不規(guī)則曲面形式，最大跨度130.0 m，最大高度56.3 m；屋蓋西側(cè)沿外邊線支撐于下部山坡上，中間及東側(cè)全部敞開，僅設(shè)處4根樹狀支撐結(jié)構(gòu)，屋蓋東側(cè)下方建有橢圓混凝土結(jié)構(gòu)，西側(cè)有山體，操作空間狹?。▓D2）。

圖1 牛首山佛頂宮整體效果圖

圖2 牛首山佛頂宮屋蓋樹狀支撐示意

2 樹狀柱結(jié)構(gòu)形式

圖3 南、北大樹示意

2.1 樹干結(jié)構(gòu)形式

該工程樹狀結(jié)構(gòu)施工的現(xiàn)場(chǎng)條件比較特殊：樹狀柱下方地面為大地下室頂板，板厚200 mm，已經(jīng)施工完成，不適合作為樹干部分底部固定位置。因此樹桿底部穿過樓板固定在地下室底部。南大樹從152 m標(biāo)高至176 m標(biāo)高，總高度24 m，質(zhì)量約150 t，其中地下室頂板混凝土平臺(tái)標(biāo)高164 m，因此平臺(tái)以上高12 m。管內(nèi)灌裝C40混凝土至164 m標(biāo)高處。北大樹從145.25 m標(biāo)高至176 m標(biāo)高，總高度30.75 m，質(zhì)量約180 t，其中混凝土平臺(tái)標(biāo)高164 m，因此平臺(tái)以上高12 m。管內(nèi)灌裝C40混凝土至164 m標(biāo)高（圖4、圖5）。

2.2 樹枝結(jié)構(gòu)形式

為了配合建筑外觀要求，每處支撐結(jié)構(gòu)由12根八邊形變截面鋼結(jié)構(gòu)柱構(gòu)成。單個(gè)樹枝最大質(zhì)量71.14 t，長(zhǎng)52.66 m，為南大樹7-A樹枝，最小質(zhì)量樹枝為北大樹13-C，質(zhì)量為15.47 t（圖6）。

圖4 樹干結(jié)構(gòu)尺寸

圖5 樹干基礎(chǔ)示意

圖6 南、北樹狀柱樹枝示意

3 樹枝運(yùn)輸拼裝

受限于現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地情況，樹狀柱從加工廠按批次運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)。由于最大樹枝長(zhǎng)度達(dá)到52 m，因此樹枝分節(jié)運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)后再拼裝。

3.1 樹枝運(yùn)輸

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝情況逐步運(yùn)輸樹枝至施工現(xiàn)場(chǎng)，其中南大樹樹枝運(yùn)輸順序?yàn)椋?0→11→12→9→8→2→3→4→5→6→1→7；北大樹樹枝運(yùn)輸順序?yàn)椋?8→17→16→15→14→20→21→22→23→24→19→13。樹枝主桿均為12 m/節(jié)，平均單節(jié)質(zhì)量15 t，運(yùn)輸采用13 m箱式拖車運(yùn)輸，單次運(yùn)輸量不大于30 t。構(gòu)件運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)后由東門進(jìn)入，至安裝現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)有靠近山坡道路由北側(cè)進(jìn)入安裝現(xiàn)場(chǎng)，行車路線主要沿現(xiàn)場(chǎng)預(yù)先設(shè)定的路線行進(jìn)。

3.2 樹枝拼裝

樹枝分段進(jìn)場(chǎng)后，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置焊接拼裝胎架，胎架高1 m，采用140 mm×14 mm角鋼作為支腿，寬100 mm、厚20 mm鋼板條作為擔(dān)杠，寬度1.2 m，支撐架平均10 m一道，按最長(zhǎng)樹枝設(shè)置拼裝胎架。12 m樹枝段通過25 t吊車吊裝至胎架上平放，在鄰接樹枝上焊接2條定位耳板，將鄰接樹枝吊放至下一處位置，定位耳板卡住上一節(jié)樹枝頂部，接縫下部采用千斤頂調(diào)整2節(jié)樹枝平整度，最終逐層焊接。樹枝焊接采用原位環(huán)形焊接，焊條采用大西洋焊絲，二氧化碳保護(hù)焊進(jìn)行焊接（圖7）。

圖7 樹枝拼裝示意

4 自平衡提升法安裝方案

4.1 大型鋼結(jié)構(gòu)常用安裝方案

南、北大樹總質(zhì)量達(dá)到1 000 t，單根樹枝最大質(zhì)量達(dá)到70 t，作為大型鋼結(jié)構(gòu)工程，在確定其安裝方案前本文收集了國(guó)內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)常用的安裝方法[1-4]。歸納主要可分為以下7種：高空散拼法、高空滑移法、分條或分塊安裝法、整體吊裝法、整體提升法、整體頂升法、折疊展開法。

4.2 自平衡提升法

牛首山樹狀柱的施工周期緊張，而且現(xiàn)場(chǎng)條件比較特殊，存在的具體情況如下：

1）樹狀柱下方地面為大地下室頂板，已經(jīng)施工完成，且作為消防通道只允許上不超過75 t汽車吊，大型機(jī)械設(shè)備不能進(jìn)入場(chǎng)地。

2）樹狀柱和周邊建筑及山體都很靠近，部分樹枝難以平躺。

3）樹狀柱投影面積較大，樹枝位置較高，搭設(shè)滿堂腳手架費(fèi)時(shí)費(fèi)工。

綜上以上3點(diǎn)，地面和空中限制條件較多，常規(guī)的提升方法不適用于本工程。因此針對(duì)本工程提出了自平衡提升法。自平衡提升法是指同步提升或者不同步提升一對(duì)或多根樹枝，在提升架設(shè)置一定數(shù)量的拉索平衡提升過程中的力，使得整個(gè)提升體系的力能自平衡。第1步，在地面胎架上拼裝一組樹枝，安裝提升塔架和提升設(shè)備；第2步，用輕型吊車將樹枝吊起，使樹枝一端與提升吊點(diǎn)相連，另一端通過銷軸形式與樹干相連以便于根部轉(zhuǎn)動(dòng)；第3步，啟動(dòng)提升設(shè)備，使樹枝繞著根部的鉸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到位后將樹枝根部與樹干對(duì)接；第4步，樹干節(jié)點(diǎn)焊接完成并滿足要求后，在樹枝下部采用支撐架支撐，并卸載提升設(shè)備。這就完成了一組樹枝的提升，其余各組樹枝也按照此流程提升（圖8）。自平衡提升法能夠適應(yīng)各種大型樹狀結(jié)構(gòu)，但在制訂方案時(shí)，需根據(jù)樹狀結(jié)構(gòu)的幾何特征和現(xiàn)場(chǎng)條件靈活選定提升單元組和提升機(jī)械。

圖8 自平衡提升法流程

4.3 自平衡提升方案比選

自平衡提升法可以采用不同的方案實(shí)施，下面討論3種方案：同步自平衡提升方案、不同步自平衡提升方案、不同步帶配重自平衡提升方案。針對(duì)最大質(zhì)量的南大樹7-A樹枝，采用3D3S空間結(jié)構(gòu)分析軟件，建立3種方案的整體分析模型，尋找最優(yōu)方案（圖9）。

圖9 有限元分析模型

1）同步自平衡提升方案。同步自平衡提升方案是指同時(shí)提升一組中的2個(gè)樹枝的方案。在提升過程中，樹枝作為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，提升索索力是不斷變化的（圖10）。從圖10中可以看出，最大索力發(fā)生在樹枝起吊就位階段，為1 209.99 kN。然而此時(shí)A索和B索的索力差異較大，左右不平衡力由塔架和纜風(fēng)繩來承受，纜風(fēng)繩最大索力1 089.4 kN。

圖10 同步提升方案提升索索力

2）不同步自平衡提升方案。不同步自平衡提升方案是指先提升質(zhì)量較大的一根樹枝，另一根作為配重通過2道拉索相連，其中一道和底部樹干相連，另一道和頂部提升塔架相連，形成一個(gè)傳力體系分擔(dān)塔架的不平衡力。從樹枝起吊就位階段和質(zhì)量較大的樹枝提升到位階段的索力值（圖11）可以看出，提升索最大索力仍為1 209.99 kN不變，但起吊就位階段A索與B索的索力之差由原先的991.44 kN減小為252.05 kN，減小74.6%。提升到位階段A索與B索的索力之差由原先的421.26 kN減小為3.37 kN，減小99.2%。纜風(fēng)繩的索力由原先的1 089.4 kN減小為587.1 kN，減小46.1%。

圖11 不同步提升方案提升索索力

3）不同步帶配重自平衡提升方案。由于纜風(fēng)繩的受力仍然達(dá)到587.1 kN，因此纜風(fēng)繩需要保證固定的穩(wěn)固性。由于本工程是在地下室頂板上施工，頂板不能提供足夠的錨固點(diǎn)，纜風(fēng)繩需要錨固到地下室柱子或者基礎(chǔ)底部。從上面的分析可以看出，小樹枝作為配重和下部背索構(gòu)成的傳力體系能夠明顯減小2根提升索的受力不平衡，而且能夠有效減小纜風(fēng)繩的受力。因此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的條件和進(jìn)度要求，提出了不同步帶配重的自平衡提升方案。不同步帶配重提升方案是指利用小型設(shè)備將和要提升的大樹枝對(duì)應(yīng)的小樹枝及兩側(cè)的2個(gè)小樹枝提升到設(shè)計(jì)位置，然后利用3根小樹枝作為配重，每根樹枝通過2道拉索分別和塔架頂點(diǎn)和樹干底部相連，形成一個(gè)整體受力體系。從樹枝起吊就位階段和較重樹枝提升到位階段的索力（圖12）可以看出，提升索最大索力仍為1 209.99 kN不變，但是纜風(fēng)繩在此方案中只是作為結(jié)構(gòu)的第2道防線，多加的2個(gè)配重和對(duì)應(yīng)的拉索替代了原來纜風(fēng)繩的作用。

圖12 不同步帶配重提升方案提升索索力

將上述3種方案計(jì)算結(jié)果列于表1。從表1可以看出，相比較同步提升方案，不同步提升方案能夠有效地減小纜風(fēng)繩的受力，減小塔頂位移。不同步帶配重提升方案相對(duì)不同步提升方案而言，纜風(fēng)繩作為第2道防線，在提升過程中參與受力程度較少，B索的索力在起吊就位階段和起吊到位階段相比不同步提升方案分別減小了36.5%和43.4%，不同步帶配重提升方案由于采用了3根背索，最大背索的拉力只有386.882 kN，比同步提升方案背索的索力減小了72.5%，塔架頂點(diǎn)的位移也比不同步提升方案小，安全系數(shù)更高。因此選用不同步帶配重提升方案進(jìn)行施工。

表1 3種不同方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

南京牛首山樹狀柱的施工周期緊張而且現(xiàn)場(chǎng)條件比較特殊，地面和空中限制條件較多，最大樹枝長(zhǎng)度達(dá)到52 m，對(duì)樹枝采用分節(jié)運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)后再拼裝。原地拼裝的樹狀柱由于本次施工的特殊性，常規(guī)的安裝方案不適用于本工程，針對(duì)本工程的特點(diǎn)提出了自平衡提升法。在自平衡提升法中比較了3種方案：同步提升法、不同步提升法、不同步帶配重提升法。通過對(duì)3種不同方案的比選，為本工程選擇了最優(yōu)方案，即不同步帶配重提升方案。相比較其他2種方案，不同步帶配重方案安全系數(shù)更高，操作可行性更大。