大跨度鋼連廊整體提升平臺(tái)設(shè)計(jì)及提升安全性仿真分析

程一夫

（中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510231）

0 引言

大跨度鋼連廊憑借其重量小、造價(jià)低、施工效率高及可回收等顯著優(yōu)勢(shì)，在大型公共建筑中得到了日益廣泛的應(yīng)用。對(duì)大跨度鋼連廊施工而言，如何優(yōu)化施工方案，提高工作效率和安全性的同時(shí)，降低施工成本，顯得尤為關(guān)鍵。李建華等[1]以蘇州中心廣場(chǎng)項(xiàng)目為例，采用分段制作、吊裝的工藝，從而規(guī)避了對(duì)現(xiàn)有地鐵線的干擾。張國(guó)松等人[2]以杭州某工程為例，提出了鋼連廊的加工制作及其變形預(yù)留值的控制相關(guān)技術(shù)，從而保證了安裝精度。孫連波[3]提出了在場(chǎng)地狹窄條件下，采用手拉葫蘆提升安裝工藝，并對(duì)鋼連廊結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了研究。此外，還有多位學(xué)者針對(duì)鋼連廊整體提升施工工藝進(jìn)行了研究[4-5]。

本文以龍港市經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心建設(shè)項(xiàng)目中的高空鋼連廊施工為例，在總結(jié)前人研究成果基礎(chǔ)上，提出先在安裝位置正下方地下室頂板上預(yù)先拼裝鋼連廊，而后再整體提升的工藝。對(duì)采用自行設(shè)計(jì)的提升平臺(tái)及整體提升過(guò)程相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行了安全性分析，驗(yàn)證了工藝可行性。

1 工程概況

龍港市經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心建設(shè)項(xiàng)目由南北兩棟辦公樓和一個(gè)球形的會(huì)議中心組成和諧統(tǒng)一的樓群。地下結(jié)構(gòu)為1 層，中間球形會(huì)議中心總層高24.1m，地上南、北樓為10 層的框架鋼結(jié)構(gòu)，建筑高度46.5m。

鋼結(jié)構(gòu)連廊提升范圍為北側(cè)的屋頂層及六層和南側(cè)的屋頂層、八層、六層鋼梁，連廊的最大安裝標(biāo)高為42.05m，自身高度2m，結(jié)構(gòu)最大跨度為41.3m，屋頂層的提升高度為38m，八層的提升高度為26.1m，六層的提升高度為18.7m。北側(cè)屋頂層提升重量為504t，北側(cè)六層提升重量為472t，南側(cè)屋頂層提升重量為490t，南側(cè)八層提升重量為63t，南側(cè)六層提升重量為435t，提升總重量為1 964t。連廊桿件截面為焊接箱型及H 型鋼。

2 提升平臺(tái)的設(shè)計(jì)和吊點(diǎn)設(shè)置

2.1 提升平臺(tái)設(shè)計(jì)

提升平臺(tái)主要作用是固定提升設(shè)備和傳遞提升過(guò)程荷載至結(jié)構(gòu)層。提升平臺(tái)的組成部分分為：上吊點(diǎn)、下吊點(diǎn)及提升平臺(tái)。下吊點(diǎn)一側(cè)設(shè)置地錨座，通過(guò)鋼絞線與提升平臺(tái)上的上吊點(diǎn)相連，組成提升系統(tǒng)。

根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)形式，擬于44.8m 標(biāo)高面設(shè)置提升平臺(tái)，如圖1 所示。

圖1 提升平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.2 提升吊點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工要求，按順序逐個(gè)提升北樓/南樓各層連廊，南樓八層連橋提升設(shè)置4 組吊點(diǎn)，北樓和南樓的屋頂層及六層連廊提升均設(shè)置8 組吊點(diǎn)，每組吊點(diǎn)配置1 臺(tái)YS-SJ180 型液壓提升器，同一時(shí)間最多8 臺(tái)設(shè)備工作，如圖2 所示。

圖2 提升吊點(diǎn)平面布置圖

3 鋼連廊整體提升技術(shù)要點(diǎn)

鋼連廊整體提升以鋼絞線為鎖具，液壓提升器作為提升動(dòng)力源。在提升過(guò)程中，通過(guò)對(duì)各吊點(diǎn)離地高度進(jìn)行檢測(cè)，得到相對(duì)高度差的全部數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)得的實(shí)際數(shù)據(jù)，反饋給液壓提升系統(tǒng)設(shè)備，再對(duì)各個(gè)吊點(diǎn)高度予以調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)提升單元達(dá)到設(shè)計(jì)姿態(tài)。液壓提升每個(gè)行程的提升高度為250 mm。被提升單元借助液壓提升器的周期往返動(dòng)作，逐步實(shí)現(xiàn)向上位移，最終達(dá)到設(shè)計(jì)高程。

4 提升平臺(tái)和整體提升同步性驗(yàn)算

本次計(jì)算僅包括鋼連廊及提升平臺(tái)在提升關(guān)鍵階段的應(yīng)力、變形等受力狀況。

4.1 鋼連廊提升過(guò)程計(jì)算

4.1.1 分析計(jì)算模型

鋼連廊及提升平臺(tái)仿真計(jì)算與分析采用有限元分析軟件MIDAS/Gen 進(jìn)行；節(jié)點(diǎn)采用ANSYS 進(jìn)行。構(gòu)件材質(zhì)均為Q355B 鋼。

4.1.2 荷載與組合

（1）荷載標(biāo)準(zhǔn)值

①恒荷載DL：

結(jié)構(gòu)自重，程序自動(dòng)計(jì)算；

②活荷載LL：

LL 為各提升平臺(tái)最大荷載；

③被提升結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載W：

式（1）中：β—風(fēng)振系數(shù)；μs—風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz—風(fēng)壓高度變化系數(shù)；∑Ai-正迎風(fēng)面積

單個(gè)提升區(qū)域共有8 個(gè)提升吊點(diǎn)，風(fēng)荷載水平力最大值為：

（2）荷載組合

表2 荷載工況組合表

（3）支座約束

提升吊點(diǎn)—Z 向固定、XY 向彈簧。

4.1.3 結(jié)構(gòu)主要分析結(jié)果

（1）反力

經(jīng)Midas Gen 數(shù)值模擬得出：鋼連廊結(jié)構(gòu)在提升過(guò)程中的最大反力為805kN，最小反力487kN，如圖3 所示。

表1 提升設(shè)備配置表

圖3 提升反力FZ 標(biāo)準(zhǔn)值（單位：kN）

（2）應(yīng)力

鋼連廊結(jié)構(gòu)在提升過(guò)程中，最大應(yīng)力比為0.73 ＜1，滿(mǎn)足規(guī)范要求，如圖4 所示。

圖4 被提升結(jié)構(gòu)應(yīng)力比分布圖

（3）位移

鋼連廊結(jié)構(gòu)提升過(guò)程中的最大變形為74mm，其支座間距約為41 300mm，變形為跨度的1/558，滿(mǎn)足規(guī)范1/400 的要求，如圖5 所示。

圖5 被提升結(jié)構(gòu)位移分布圖（單位：mm）

4.1.4 提升不同步工況分析

計(jì)算模擬中，結(jié)合被提升結(jié)構(gòu)及吊點(diǎn)布置特點(diǎn)，選取合適的提升點(diǎn)，加載不同步荷載進(jìn)行驗(yàn)算。桿件應(yīng)力比驗(yàn)算時(shí)荷載組合：1.5 自重荷載+1.0 不同步荷載。

結(jié)合被提升結(jié)構(gòu)及吊點(diǎn)布置特點(diǎn)，本次計(jì)算選取周邊代表位置的最大反力點(diǎn)作為不同步工況的計(jì)算點(diǎn)。計(jì)算工況詳情如下：

不同步荷載：805×0.2=161kN。

在不同步荷載的作用下，不同步點(diǎn)的變形值，如圖6 所示。

圖6 不同步提升點(diǎn)變形值（單位：mm）

由圖6 可知，不同步提升點(diǎn)變形值為12mm，其不同步荷載由提升力控制，加載不同步荷載結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同步整體應(yīng)力比示意圖

從以上分析可以看出，不同步最大應(yīng)力比為0.76，僅在不同步下提升點(diǎn)附近的桿件應(yīng)力比稍有改變，應(yīng)力比均不超過(guò)1.0，在可控制范圍內(nèi)。

4.2 提升平臺(tái)安全驗(yàn)算

4.2.1 平臺(tái)應(yīng)力

經(jīng) Midas Gen 數(shù)值模擬得出：提升平臺(tái)設(shè)計(jì)及連接采用坡口熔透焊，等強(qiáng)連接，綜合上述分析結(jié)構(gòu)，提升平臺(tái)最大應(yīng)力比為0.76，最大剪應(yīng)力比為0.43，桿件應(yīng)力比均小于1，滿(mǎn)足要求。如圖8、9 所示。

圖8 應(yīng)力比圖

圖9 剪應(yīng)力比圖

4.2.2 平臺(tái)變形

提升時(shí)，提升平臺(tái)最大豎向位移為3.0mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求，如圖10 所示。

圖10 位移圖（單位：mm）

4.2.3 平臺(tái)反力

提升平臺(tái)最大反力為826kN，最小反力為201kN，如圖11所示。

圖11 反力圖（單位：kN）

4.3 上下吊點(diǎn)受力驗(yàn)算

采用ANSYS 建立模型并進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算采用容許應(yīng)力法，荷載采用液壓提升器額定提升力（1800kN）。

計(jì)算結(jié)果如下：上吊點(diǎn)最大變形為6.9mm；最大應(yīng)力為245MPa（應(yīng)力集中），其中大部分應(yīng)力在218MPa 以下，小于規(guī)范要求的295MPa，符合設(shè)計(jì)要求。下吊點(diǎn)最大變形為3.4mm；最大應(yīng)力為187MPa（應(yīng)力集中），其中大部分應(yīng)力在166MPa以下，小于規(guī)范要求的295MPa，符合設(shè)計(jì)要求。整個(gè)結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

4.4 整體提升結(jié)論

（1）結(jié)構(gòu)在提升過(guò)程中，最大應(yīng)力比為0.73 ＜1，滿(mǎn)足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)最大變形為74mm，其支座間距約為41 300mm，變形為跨度的1/558，滿(mǎn)足規(guī)范1/400 的要求。

（2）整體提升不同步工況：不同步提升點(diǎn)變形值為12mm；不同步最大應(yīng)力比為0.76，僅在不同步工況下提升點(diǎn)附近的桿件應(yīng)力比稍有改變，應(yīng)力比均不超過(guò)1.0，在可控制范圍內(nèi)。

（3）提升平臺(tái)驗(yàn)算：提升平臺(tái)最大應(yīng)力比為0.76，最大剪應(yīng)力比為0.43，桿件應(yīng)力比均小于1，豎向變形最大3.0mm，滿(mǎn)足提升工況要求。

5 結(jié)論

液壓同步整體提升施工技術(shù)能夠解決受限空間條件下的大跨度鋼連廊安裝難題。本文通過(guò)對(duì)自行設(shè)計(jì)的提升平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出提升平臺(tái)在整體提升過(guò)程中安全性均符合要求，其安全性分析結(jié)果可提供參考。