大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊施工技術(shù)*

周春雨，徐 斌，張愛紅，曹遠(yuǎn)征，郭 超，劉秀麗

(1.中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250100； 2.日照市城鎮(zhèn)化建設(shè)服務(wù)中心，山東 日照 276800； 3.萊西市建設(shè)工程和人防服務(wù)中心，山東 萊西 266600；4.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033)

0 引言

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段。鋼結(jié)構(gòu)作為常見的結(jié)構(gòu)體系之一，在建筑領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊作為高層建筑工程項(xiàng)目間的一種架空結(jié)構(gòu)，是建筑體系中的重要組成部分，由于其造型美觀、施工周期短，且可實(shí)現(xiàn)建筑體間的空間共享，被廣泛應(yīng)用于大型公共場館及超高層建筑中[1]。大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊整體安裝是施工中的重難點(diǎn)，傳統(tǒng)的高空散裝方式存在較大的安全和質(zhì)量風(fēng)險，現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備很難滿足吊裝要求，且高空組拼胎架難以搭設(shè)，不利于鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝的安全、質(zhì)量及工期控制；若采用腳手架支撐，腳手架搭設(shè)密度大、高度大、搭設(shè)和拆除周期長，受影響施工工序多，不利于工期控制。本文結(jié)合某工程大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊施工技術(shù)進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹分段吊裝和整體提升相結(jié)合的施工方案，該方案大大降低了安裝施工難度，保證了結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全，有利于工期和施工成本控制[2]。

1 工程概況

本工程鋼結(jié)構(gòu)連廊主要由兩側(cè)的鋼桁架通廊和中央的鋼網(wǎng)殼球體組成(見圖1)。結(jié)構(gòu)總長度為59.4m，跨度為55.8m，樓面高度為35.8m，連廊中間球體頂部高度為44.0m。鋼桁架桿件規(guī)格包括□150×6，□400×30等，材質(zhì)為Q355B(□400×30為Q460B)。鋼網(wǎng)殼桿件規(guī)格包括φ245×16，φ530×30，材質(zhì)為Q355B(φ530×30，φ400×30為Q460B)。

圖1 大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊

連廊施工最大安裝標(biāo)高為45.050m。連廊重約560t(不含樓承板)，提升部分重約300t(不含樓承板)。

連廊與兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)采用4個球形支座連接，如圖2所示，其中支座ZZ-1為固定鉸支座(見圖3a)，ZZ-2為單向滑動支座(見圖3b)，ZZ-3為雙向滑動支座(見圖3c)。3種球形支座型號及基本參數(shù)如表1所示。球形支座具有承受額定豎向荷載并各向轉(zhuǎn)動的功能。

圖2 球形支座布置

圖3 球形支座

表1 3種球形支座型號及基本參數(shù)

2 鋼結(jié)構(gòu)連廊安裝施工方案

由于鋼結(jié)構(gòu)連廊安裝標(biāo)高較大，采用兩側(cè)分段吊裝+中間整體提升的施工方案，可大大降低安裝施工難度，有利于質(zhì)量、安全、工期和施工成本的控制[3]。由連廊兩端向中間施工，先對兩側(cè)桁架通廊部分進(jìn)行分段吊裝(見圖4)，先吊裝35.800m以下部分，再吊裝35.800m以上部分，然后拼裝中間區(qū)域的鋼網(wǎng)殼球體部分并進(jìn)行整體提升。

圖4 分段吊裝施工

施工機(jī)械設(shè)備包括50t(提升施工區(qū)域)，110t(分段、分塊吊裝區(qū)域)，220t汽車式起重機(jī)各1臺，4臺液壓提升器。兩側(cè)通廊吊裝最重分塊為N01和N02，分別重21.4t。220t汽車式起重機(jī)(臂長57.7m)作業(yè)半徑為18m時，起重能力為24-1.5(吊鉤重)=22.5t>最重分段21.4t，因此滿足要求。

2.1 兩側(cè)通廊分段吊裝施工

兩側(cè)通廊具體安裝工序如圖5所示。首先進(jìn)行N01分塊吊裝，隨后在N01的基礎(chǔ)上吊裝Q01分塊，繼續(xù)吊裝前兩者對稱的N02，Q02分塊，然后對端部進(jìn)行散裝，最后吊裝Q03，Q04分塊及桁架間補(bǔ)桿，完成連廊一側(cè)吊裝。同理可完成連廊另一側(cè)吊裝。

圖5 通廊吊裝施工

2.2 中間區(qū)域整體提升施工

中間區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)在安裝位置正下方地面上拼裝成整體，采用超大型構(gòu)件液壓同步提升技術(shù)將其整體提升到位。

采用1臺50t汽車式起重機(jī)由下往上進(jìn)行拼裝(見圖6)，內(nèi)部桁架結(jié)構(gòu)首先安裝主貫通弦桿(下部通過單管支撐)，后裝腹桿；外部殼體首先安裝上、下相鄰2層環(huán)向結(jié)構(gòu)(下部通過單管及內(nèi)側(cè)支撐架支撐)，后塞裝2層環(huán)向結(jié)構(gòu)間的桿件，以此類推，逐層安裝[4]。

圖6 中間區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)拼裝分段

整體提升流程如下。

1)在安裝位置正下方地面拼裝被提升單元。

2)設(shè)置臨時提升措施，安裝液壓同步提升系統(tǒng)設(shè)備，在提升梁相應(yīng)位置設(shè)置4個上吊點(diǎn)，各吊點(diǎn)配置1臺YS-SJ-180型液壓提升器[5-6]。在提升上、下吊點(diǎn)間安裝專用底錨和專用鋼絞線。每臺液壓提升器處各設(shè)置1套行程傳感器，以測量提升過程中各液壓提升器的提升位移同步性。調(diào)試液壓提升系統(tǒng)，按設(shè)計(jì)荷載的20%，40%，60%，70%，80%，90%，95%，100%的順序逐級加載，上升過程采取平動移動，使各提升點(diǎn)位移完全同步，如此可使鋼連廊內(nèi)力變化最小[7-8]。提升單元離地150mm后，在空中停留12h進(jìn)行全面檢查(包括吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)、承重體系和提升設(shè)備等)，各項(xiàng)檢查正常無誤，再進(jìn)行正式提升[9-10]。

3)再次檢查鋼結(jié)構(gòu)提升單元，確認(rèn)無異常后將桁架結(jié)構(gòu)提升至設(shè)計(jì)高度。根據(jù)需要，對整個液壓提升系統(tǒng)中各吊點(diǎn)的液壓提升器進(jìn)行同步微調(diào)(上升或下降)。微調(diào)精度可達(dá)毫米級，完全能滿足結(jié)構(gòu)安裝的精度要求。

4)將提升單元提升至距設(shè)計(jì)標(biāo)高約200mm時，暫停提升；各吊點(diǎn)微調(diào)使結(jié)構(gòu)精確提升到達(dá)設(shè)計(jì)位置；后裝桿件安裝，使提升單元結(jié)構(gòu)形成整體穩(wěn)定受力體系。拆除液壓提升系統(tǒng)設(shè)備及相關(guān)臨時措施，完成提升單元整體提升安裝。

2.3 臨時提升措施

本工程共設(shè)置4個提升架，Z1和Z2，Z3和Z4上部設(shè)置提升梁，每個提升梁上設(shè)置2個提升點(diǎn)，提升架下部通過轉(zhuǎn)換鋼梁(H594×302×14×23，Q345B)搭到下部土建梁上，如圖7所示。

圖7 提升架布置

在液壓提升器提升或下降過程中，每臺液壓提升器須事先配置好導(dǎo)向架，方便液壓提升器頂部預(yù)留的鋼絞線導(dǎo)出順暢。

2.4 鋼連廊提升過程監(jiān)控

液壓同步提升施工技術(shù)采用傳感監(jiān)測和計(jì)算機(jī)集中控制。施工過程中應(yīng)滿足以下要求：①應(yīng)盡量保證各提升吊點(diǎn)的液壓提升設(shè)備配置系數(shù)基本一致；②應(yīng)保證提升(下降)結(jié)構(gòu)的空中穩(wěn)定，以便提升單元結(jié)構(gòu)能正確就位，即要求各吊點(diǎn)在上升(下降)過程中能保持一定同步性(誤差±20mm)。

根據(jù)以上要求，制定控制策略。將集群液壓提升器中的任意提升速度和行程位移值設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)值，作為同步控制策略中速度和位移的基準(zhǔn)。在計(jì)算機(jī)的控制下，其余液壓提升器分別以各自的位移量進(jìn)行跟蹤對比，根據(jù)兩點(diǎn)間位移差進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，保證各吊點(diǎn)在提升過程中始終保持同步。

3 施工過程數(shù)值模擬分析

3.1 提升架施工過程數(shù)值模擬

采用有限元軟件MIDAS Gen進(jìn)行數(shù)值模擬。立桿和頂部鋼梁采用梁單元模擬，腹桿采用桁架單元模擬，提升架底端采用鉸接邊界條件。

1)提升架設(shè)計(jì)考慮的荷載 ①自重荷載D提升架自重D1，自重系數(shù)取1.1，由軟件自動計(jì)算；②活荷載L位于提升架頂部提升橫梁端部上吊點(diǎn)處所受豎向荷載L1=-953.3kN，L2=-933kN；③風(fēng)荷載W取當(dāng)?shù)?0年一遇基本風(fēng)壓ω0=0.4kN/m2，風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=1.57，風(fēng)振系數(shù)βz=1.5，體形系數(shù)μs=1.62，風(fēng)荷載折算為線荷載施加在提升架立桿上。

2)位移計(jì)算結(jié)果 提升架變形結(jié)果如圖8所示，提升架水平方向最大變形為46mm<45 000/400=112.5mm，滿足規(guī)范要求；最大豎向位移為-31.10mm， 滿足精度要求，不需對提升架高度進(jìn)行變形補(bǔ)償。

圖8 提升架變形結(jié)果(單位：mm)

3)應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果 提升架應(yīng)力比如圖9所示，提升架桿件最大應(yīng)力比為0.77，其中，立桿B180× 7最大應(yīng)力比為0.60<0.9，腹桿B80×5最大應(yīng)力比為0.43<0.9，頂部轉(zhuǎn)換橫梁最大應(yīng)力比為0.70<0.9，提升橫梁最大應(yīng)力比為0.70<0.9，均滿足承載能力要求。

圖9 應(yīng)力比云圖

4)提升架整體承載力驗(yàn)算 按照自重荷載+活荷載組合進(jìn)行屈曲分析，考慮6個屈曲模態(tài)。選取低階屈曲模態(tài)的屈曲因子作為提升架承載力極限值。由計(jì)算結(jié)果可知，提升架在接近4倍設(shè)計(jì)荷載作用時整體發(fā)生失穩(wěn)。提升架穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 連廊結(jié)構(gòu)施工過程數(shù)值模擬

3.2.1結(jié)構(gòu)變形分析

采用有限元軟件MIDAS Gen對鋼結(jié)構(gòu)連廊兩側(cè)分段吊裝+中間整體提升施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析計(jì)算，并與一次成型的鋼結(jié)構(gòu)連廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形和應(yīng)力對比分析，驗(yàn)證本工程施工方案的可行性和安全性。有限元軟件中僅考慮桿件自重，將施工過程中的風(fēng)荷載等其他荷載影響采用增大自重系數(shù)的方式施加于結(jié)構(gòu)中，自重系數(shù)取1.1。關(guān)鍵施工模擬步驟為：吊裝N01，Q01→兩側(cè)組裝完畢→中間區(qū)域拼裝→拼裝完畢→拆除吊裝兩側(cè)支撐架→完成連廊安裝。

鋼結(jié)構(gòu)連廊施工模擬如圖10所示，分段安裝各施工步及一次成型結(jié)構(gòu)變形結(jié)果如表2所示。

圖10 鋼結(jié)構(gòu)連廊施工模擬

表2 分段安裝各施工步及一次成型結(jié)構(gòu)變形 mm

由圖10，表2可知，采用兩側(cè)分段吊裝+中間整體提升分段安裝施工時，第1步結(jié)構(gòu)變形<1mm，可忽略不計(jì)；第2～4施工步為中間區(qū)域提升過程，結(jié)構(gòu)在3個方向開始逐步出現(xiàn)較大變形，其中x，y方向變形分別保持0.34，2.01mm不變，z方向略有增加；第4步完成后中間區(qū)域提升結(jié)束，此時x，y，z向變形分別為-0.34，-2.01，-2.05mm，分塊對接口位置桿件各方向變形均較小，滿足安裝精度要求；第5，6步進(jìn)行支撐拆除等施工卸載，結(jié)構(gòu)變形增加較大，尤其第6步完全卸載后結(jié)構(gòu)變形增加顯著。其中y向增幅甚微，x向增幅較小，z向增幅最大，增加近38mm。說明大跨度鋼結(jié)構(gòu)通廊分段施工中卸載過程對結(jié)構(gòu)變形，尤其是z向變形影響最顯著，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注。

采用兩側(cè)分段吊裝+中間整體提升分段施工最終步產(chǎn)生的變形與鋼結(jié)構(gòu)連廊一次成型結(jié)構(gòu)的變形較接近，x，y向相差甚微，z向相差1.36mm。說明本工程采用的分段施工方案對結(jié)構(gòu)變形沒有產(chǎn)生明顯影響。

3.2.2結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比分析

鋼結(jié)構(gòu)連廊采用兩側(cè)分段吊裝+中間整體提升分段施工各施工步結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比和一次成型結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比如圖11所示。

圖11 應(yīng)力比云圖

由圖11可知，采用分段施工第1步構(gòu)件應(yīng)力比較小；中間區(qū)域提升過程第2～4施工步結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力比為0.26，均出現(xiàn)在兩側(cè)通廊部分；第5施工步為兩側(cè)通廊結(jié)構(gòu)卸載過程，結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力比明顯增加，最大應(yīng)力比為0.61<1.0，滿足施工安全要求，出現(xiàn)在通廊與中央球體連接附近；第6步結(jié)構(gòu)卸載完成后，結(jié)構(gòu)桿件大部分產(chǎn)生微小應(yīng)力，但數(shù)值較小，對結(jié)構(gòu)桿件受荷不產(chǎn)生明顯影響，構(gòu)桿最大應(yīng)力比下降到0.39，與一次成型構(gòu)件最大應(yīng)力比相同，說明采用分段施工方案進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)施工比較可靠、安全，且施工過程對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力影響甚微。

3.3 附加應(yīng)力分析

施工過程是結(jié)構(gòu)逐步成型的過程，與原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)一次成型過程有較大差別，這種差別會在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力，使部分構(gòu)件應(yīng)力比原設(shè)計(jì)狀態(tài)大，從而降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全儲備，因此需對施工過程在結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)產(chǎn)生的附加應(yīng)力進(jìn)行分析。

提取最終施工步結(jié)構(gòu)各桿件的應(yīng)力值N1及自重作用下結(jié)構(gòu)一次成型桿件的應(yīng)力值N2，則施工過程產(chǎn)生的附加應(yīng)力ΔN=N1-N2。

分段施工完成后構(gòu)件附加應(yīng)力如圖12所示。正號表示分段施工構(gòu)件應(yīng)力增大，負(fù)號則表示構(gòu)件應(yīng)力減小。

圖12 構(gòu)件附加應(yīng)力

由圖12可知，構(gòu)件最大附加應(yīng)力為25.9MPa，大部分構(gòu)件正向附加應(yīng)力在±10MPa左右?？傮w而言，鋼結(jié)構(gòu)連廊采用兩側(cè)分段吊裝+中間整體提升施工方案對結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力狀況影響較小，說明該施工方案是切實(shí)可行的。

4 結(jié)語

本文介紹了某工程大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊施工方案，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)連廊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用兩側(cè)分段吊裝+中間整體提升的施工方案。通過對其進(jìn)行有限元模擬計(jì)算分析，并與鋼結(jié)構(gòu)連廊一次成型結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力進(jìn)行對比，得出以下結(jié)論。

1)由于鋼結(jié)構(gòu)連廊安裝標(biāo)高較大，不宜采用分件高空散裝施工方法，且鋼結(jié)構(gòu)通廊由兩側(cè)的鋼桁架通廊和中央的鋼網(wǎng)殼球體兩部分組成，故采用兩側(cè)分段吊裝+中間整體提升的施工方案可大大降低施工難度，保證施工安全。

2)安裝卸載階段(第5～6步)結(jié)構(gòu)z向變形出現(xiàn)大幅度增加，說明卸載過程中z向變形需重點(diǎn)關(guān)注。采用兩側(cè)分段吊裝+中間整體提升分段施工最終步產(chǎn)生的變形與鋼結(jié)構(gòu)連廊一次成型結(jié)構(gòu)的變形較接近，說明本工程采用的分段施工方案對結(jié)構(gòu)變形沒有產(chǎn)生明顯影響。

3)兩側(cè)分段吊裝+中間整體提升施工方案關(guān)鍵施工步結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大應(yīng)力比出現(xiàn)在安裝卸載階段，值為0.61<1.0，滿足施工安全要求。結(jié)構(gòu)卸載完成后，最大應(yīng)力比減小至0.39，與一次成型構(gòu)件最大應(yīng)力比相同，說明采用兩側(cè)分段吊裝+中間整體提升分段施工方案進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)施工對結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力影響較小。

4)兩側(cè)分段吊裝+中間整體提升施工方案會在結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力，但對結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力狀況影響較小。