大跨度鋼屋蓋整體提升安裝方案設(shè)計(jì)研究

程金蓉

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；

2. 上海超高層建筑智能建造工程技術(shù)研究中心 上海 200080

1 工程概況

某大跨度建筑鋼屋蓋長(zhǎng)253 m、寬123 m、高30 m，采用倒放三角形截面的管桁架和鋼網(wǎng)架相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系。其中，管桁架縱橫布置，交會(huì)處設(shè)置鋼管混凝土立柱，共18根立柱。立柱與管桁架之間采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)及支座連接?？v橫管桁架?chē)隙傻匿撐萆w區(qū)域采用焊接球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架填充。整個(gè)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)自重約5 800 t。鋼屋蓋下方為滿鋪鋼筋混凝土平臺(tái)結(jié)構(gòu)，鋼屋蓋平面布置及剖面關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 鋼屋蓋平面布置示意

圖2 鋼屋蓋剖面示意

2 鋼屋蓋安裝方案比較

本工程鋼屋蓋結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬分別達(dá)到253 m和123 m，投影面積3.1萬(wàn) m2，下部為滿鋪的鋼筋混凝土平臺(tái)結(jié)構(gòu)，鋼屋蓋安裝高度最大達(dá)30 m。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、場(chǎng)地條件、施工安全、進(jìn)度控制等多方面因素，分別分析了不同的安裝方法[1]。

1）高空原位散裝：利用滿堂高空臨時(shí)支撐輔助，鋼結(jié)構(gòu)原位散件安裝。本工程鋼屋蓋面積大、離地高度高，此方法高空作業(yè)量大、質(zhì)量控制難、安全風(fēng)險(xiǎn)大。

2）分段、分塊吊裝：受下部混凝土結(jié)構(gòu)平臺(tái)影響，起重機(jī)無(wú)法進(jìn)跨吊裝。鋼屋蓋分段或分塊構(gòu)件需采用大型起重機(jī)跨外吊裝，由于鋼屋蓋尺度大，故對(duì)跨外作業(yè)的起重設(shè)備要求高，經(jīng)濟(jì)性不是很好。而且，鋼屋蓋采用網(wǎng)架和管桁架相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，分段、分塊吊裝時(shí)，需高空對(duì)位的桿件數(shù)量多，對(duì)位難度很大。

3）整體提升安裝[2-4]：首先將鋼屋蓋在其投影下方的混凝土結(jié)構(gòu)上拼裝成整體結(jié)構(gòu)，然后在結(jié)構(gòu)柱頂設(shè)置提升支架和液壓千斤頂，將鋼屋蓋整體同步提升到安裝高度。采用此方法，鋼屋蓋的拼裝、焊接等工作均在下部結(jié)構(gòu)樓面上開(kāi)展，施工安全性高，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。屋面檁條、鋼屋蓋內(nèi)部的機(jī)電管線等均可在鋼屋蓋拼裝時(shí)安裝或帶上，最大限度地減少高空工作量，降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

整體提升安裝流程如圖3所示。

圖3 鋼屋蓋整體提升安裝流程

3 鋼屋蓋整體拼裝

3.1 拼裝胎架及拼裝起重機(jī)械布置

鋼屋蓋在混凝土樓面上整體拼裝。鋼屋蓋管桁架質(zhì)量相對(duì)較重，為確保拼裝時(shí)下部樓面結(jié)構(gòu)的安全，采用架空鋼梁將胎架支承在下部混凝土梁或柱位置處，避免樓板直接承載（圖4）。網(wǎng)架質(zhì)量較輕，其胎架可直接支承在樓板上。混凝土平臺(tái)遇樓梯等洞口處采用設(shè)置型鋼加鋼板的鋼平臺(tái)方式處理。

圖4 管桁架拼裝胎架基礎(chǔ)架空處理

管桁架截面尺寸超出運(yùn)輸限制，無(wú)法分段進(jìn)場(chǎng)，因此考慮散件運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行拼裝，現(xiàn)場(chǎng)布置4臺(tái)TC7030塔吊負(fù)責(zé)鋼構(gòu)件的吊運(yùn)，同時(shí)4臺(tái)塔吊配合完成提升支架及提升系統(tǒng)的安裝與拆除工作。為加快拼裝進(jìn)度，網(wǎng)架等輕型構(gòu)件采用16 t小型汽車(chē)吊上混凝土平臺(tái)共同輔助拼裝（圖5）。經(jīng)計(jì)算，平臺(tái)承載能力滿足汽車(chē)吊開(kāi)行及停機(jī)作業(yè)需要。

圖5 鋼屋蓋拼裝立面工況

3.2 鋼屋蓋拼裝

根據(jù)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)體系，鋼屋蓋的拼裝由中間向兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行，先進(jìn)行主結(jié)構(gòu)—管桁架的拼裝，管桁架形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后，進(jìn)行管桁架?chē)蠀^(qū)域的鋼網(wǎng)架拼裝。為了消除拼裝過(guò)程中的累計(jì)誤差，由管桁架?chē)傻拿繅K鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，分成若干個(gè)小區(qū)塊進(jìn)行拼裝，最后補(bǔ)缺拼裝小區(qū)塊之間的桿件，形成整體（圖6）。

圖6 鋼屋蓋整體拼裝三維BIM模擬

鋼屋蓋結(jié)構(gòu)整體拼裝后完成表面涂裝。鋼屋蓋屋面檁條、屋蓋內(nèi)部的機(jī)電管線也可以在鋼屋蓋拼裝過(guò)程中穿插安裝。

4 鋼屋蓋整體提升安裝

4.1 整體提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1.1 提升支架布置及結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)

整個(gè)鋼屋蓋由18根立柱支承，立柱位于縱橫布置的管桁架交會(huì)處。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，整體提升考慮設(shè)置18個(gè)提升支架（圖7）。提升支架均布置在柱頂，力求提升過(guò)程鋼屋蓋的受力盡量接近永久支承狀態(tài)。同時(shí)，借助永久立柱設(shè)置提升支架，可減少提升支架用量，節(jié)約成本。

圖7 整體提升支架平面布置示意

提升支架與立頂部柱采用環(huán)抱焊接固定。為降低提升支架懸臂高度，鋼屋蓋上的提升吊點(diǎn)設(shè)計(jì)在倒放三角斷面管桁架的下弦桿上。受立柱位置影響，鋼屋蓋拼裝時(shí)管桁架縱橫交會(huì)處下弦及斜腹桿無(wú)法拼裝，采用下弦桿設(shè)置后補(bǔ)段、斜腹桿后裝的方式避讓?zhuān)瑫r(shí)設(shè)置臨時(shí)桿件將提升點(diǎn)處的管桁架結(jié)構(gòu)連接形成穩(wěn)定的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)?？紤]到縱橫管桁架交會(huì)處桿件空間分布，為確保提升支架與鋼屋蓋結(jié)構(gòu)相互無(wú)干涉，利用BIM技術(shù)將鋼屋蓋結(jié)構(gòu)、臨時(shí)加強(qiáng)桿件、提升支架整體建模，通過(guò)碰撞檢測(cè)，優(yōu)化提升支架設(shè)計(jì)（圖8）。

圖8 典型提升支架BIM輔助設(shè)計(jì)

4.1.2 液壓整體提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)整體提升全過(guò)程有限元模擬分析，獲得每個(gè)提升點(diǎn)的最大反力，即對(duì)應(yīng)每個(gè)提升點(diǎn)的最大提升力，選擇布置各提升點(diǎn)的提升千斤頂。各提升點(diǎn)反力及提升千斤頂配置如表1所示。圖9為整體提升采用的穿心式液壓千斤頂及計(jì)算機(jī)同步控制系統(tǒng)。

圖9 整體提升液壓千斤頂及同步控制系統(tǒng)

表1 各提升點(diǎn)反力及提升千斤頂配置

4.2 整體提升施工

4.2.1 試提升

液壓提升裝置系統(tǒng)安裝完成后，對(duì)提升系統(tǒng)各部件進(jìn)行檢查驗(yàn)收。鋼屋蓋在具備整體液壓提升條件之后，進(jìn)行分級(jí)加載試提升，將整個(gè)鋼屋蓋提升離地200 mm，靜止4 h。對(duì)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)、提升支架、提升系統(tǒng)進(jìn)行檢查和觀測(cè)，確保結(jié)構(gòu)變形和受力符合施工模擬計(jì)算結(jié)果、提升系統(tǒng)安全可靠。

4.2.2 正式提升

試提升各項(xiàng)檢查結(jié)果符合要求后，方可正式提升。用測(cè)量?jī)x器檢測(cè)各吊點(diǎn)的離地距離，計(jì)算出各吊點(diǎn)的相對(duì)高差。通過(guò)液壓提升系統(tǒng)設(shè)備調(diào)整各吊點(diǎn)高度，使鋼屋蓋結(jié)構(gòu)達(dá)到水平姿態(tài)。正式提升速度控制在4～6 m/h，連續(xù)提升到位。提升過(guò)程中，對(duì)液壓提升系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)增加鋼屋蓋及提升支架的應(yīng)力和變形監(jiān)測(cè)。

4.3 提升過(guò)程監(jiān)測(cè)

整體提升過(guò)程監(jiān)測(cè)是提升安全的重要技術(shù)保障措施[5]。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括鋼屋蓋結(jié)構(gòu)、臨時(shí)提升支架的應(yīng)力及變形監(jiān)測(cè)。通過(guò)全過(guò)程監(jiān)測(cè)，確保提升過(guò)程中鋼屋蓋結(jié)構(gòu)和提升支架的應(yīng)力及變形在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

在鋼屋蓋整體拼裝時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)方案做好監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置。變形監(jiān)測(cè)采用全站儀測(cè)量，先在鋼屋蓋和提升支架變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置反射貼片或反射棱鏡。應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用應(yīng)變計(jì)，并采用無(wú)線傳輸方式采集數(shù)據(jù)，提高監(jiān)測(cè)安全性。

鋼屋蓋提升前進(jìn)行初始狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集。試提升并靜止懸停后，對(duì)提升點(diǎn)的位移、鋼屋蓋結(jié)構(gòu)及提升支架的應(yīng)力、變形以及各提升點(diǎn)提升荷載進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.4 鋼屋蓋桿件補(bǔ)缺安裝

鋼屋蓋提升并精調(diào)到位后，補(bǔ)缺鋼屋蓋支座處桿件，使鋼屋蓋結(jié)構(gòu)與支座形成整體。支座及與鋼屋蓋結(jié)構(gòu)連接的鑄鋼節(jié)點(diǎn)在整體提升前臨時(shí)固定在柱頂。鋼屋蓋補(bǔ)缺構(gòu)件為管桁架的下弦桿及腹桿，在鋼柱柱頂架設(shè)操作平臺(tái)，采用塔吊配合吊裝。補(bǔ)缺時(shí)，先根據(jù)提升停止時(shí)的鋼屋蓋定位，確定對(duì)應(yīng)的鑄鋼節(jié)點(diǎn)標(biāo)高，鑄鋼節(jié)點(diǎn)標(biāo)高定位采用千斤頂調(diào)整。然后安裝相應(yīng)的補(bǔ)缺構(gòu)件，并完成補(bǔ)缺構(gòu)件與管桁架及鑄鋼節(jié)點(diǎn)的焊接。

4.5 提升設(shè)備卸載

完成結(jié)構(gòu)補(bǔ)缺后，鋼屋蓋形成自身完整的受力體系，提升千斤頂卸載，將鋼屋蓋荷載由提升千斤頂承載逐步轉(zhuǎn)換至自承載狀態(tài)。考慮到提升千斤頂布置在緊鄰鋼柱位置，卸載過(guò)程中各提升點(diǎn)產(chǎn)生的下降位移量很小，因此千斤頂卸載時(shí)采用力控為主。提升系統(tǒng)各項(xiàng)檢查合格后，先進(jìn)行試卸載，觀察測(cè)控?cái)?shù)據(jù)是否有異常。試卸載合格后分級(jí)進(jìn)行正式卸載，初始兩級(jí)卸載按5%的卸載力值控制，后續(xù)可提高到10%、15%，直至提升鋼絞線安全松弛，完成千斤頂卸載，最后拆除提升設(shè)備和提升支架。

4.6 整體提升計(jì)算分析

整體提升過(guò)程中，結(jié)構(gòu)處于非完整體系狀態(tài)，此時(shí)結(jié)構(gòu)受力與終態(tài)受力存在較大差異，需對(duì)施工過(guò)程結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行詳細(xì)分析。建成后的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)受施工過(guò)程的影響顯著，為保證結(jié)構(gòu)建成后的構(gòu)件殘余應(yīng)力最小，須對(duì)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的內(nèi)力分布及變化進(jìn)行分析[6]。

利用大型通用有限元分析軟件Abaqus，對(duì)鋼屋蓋整體拼裝、整體提升、支座處結(jié)構(gòu)補(bǔ)缺完成等各階段進(jìn)行施工過(guò)程仿真分析，對(duì)永久及臨時(shí)結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果表明，構(gòu)件的內(nèi)力與變形均在可控范圍內(nèi)，鋼屋蓋采用整體提升的方案是可行的（圖10）。

圖10 鋼屋蓋整體提升最不利工況下內(nèi)力及變形云圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)本工程大跨度鋼屋蓋結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)場(chǎng)施工條件及需求的深入分析、多方案比選，選擇了整體提升安裝的總體技術(shù)路線，并結(jié)合管桁架和鋼網(wǎng)架組合結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)鋼屋蓋整體拼裝、整體提升點(diǎn)布置、提升支架設(shè)計(jì)、提升器選型、鋼屋蓋結(jié)構(gòu)臨時(shí)加強(qiáng)以及整體提升就位后的桿件補(bǔ)缺和體系轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。通過(guò)整體提升全過(guò)程計(jì)算分析和監(jiān)測(cè)，確保整體提升技術(shù)的可行性和實(shí)施過(guò)程的安全性。