多層鋼結構連廊整體提升施工的模擬研究*

高雷雷 史秋俠 柳志華 符青浦

1. 中冶天工上海十三冶建設有限公司 上海 201900；2. 上海建工七建集團有限公司 上海 200050；3. 上海市青浦區建筑管理所 上海 201700

1 工程概況

上海金虹橋國際中心工程占地總面積35 494 m2，位于虹橋功能拓展區的中心地帶，是上海商務商貿副中心。該工程主體結構由南塔樓、北塔樓及連廊3 部分組成，形成“凱旋門”式結構。辦公塔樓地上29 層，總高度143.7 m，總建筑面積146 233 m2（圖1）。

鋼結構連廊位于22～29層，共8 層，高度為100.9～134.6 m，尺寸為42 m×24.7 m。連廊結構形式基本一致，采用H型鋼梁及鋼筋桁架樓板組合結構，連廊各層中間無豎向結構，是獨特的多層片狀連體形式。每層連廊鋼結構質量超200 t，8 層鋼結構連廊總質量約1 700 t。

2 連廊提升方案確定

本工程屬于超高層建筑的鋼結構連廊范疇，具有如下特點：

（a）鋼構件質量大，對設備要求高；

圖1 整體效果圖

（b）結構懸空，高度較高，常規的支撐體系不適用。

在超高層建筑中使用塔式起重機最大起重質量為10～30 t，不能滿足連廊鋼構件吊裝要求。從成本上看，僅為了占工程量比例很小的鋼結構連廊配置大型的塔吊是得不償失的。對于跨度大、構件重的連體層鋼結構，整體提升是一種比較有效、安全的施工方法。結構在地面拼裝，然后利用液壓千斤頂將整個鋼結構連體層提升到設計位置，完成鋼結構的安裝。由于絕大部分工作都在有條件的平臺上進行，在施工安全上比較有保障。

利用雙向支撐系桿將單層片狀結構連成單元，將8 層連廊依次劃分成4 個提升單元，利用一套設備分4 次進行提升。在地面拼裝、提升過程中，系桿均能起到穩定結構體系的作用，連廊安裝完成后拆除系桿。

3 吊點布置與設計

采用液壓提升設備提升鋼構件，需在待提升構件的正上方一定高度設置專用的提升吊點，通過鋼絞線與設置在提升構件上的下吊點連接來提升構件[1]。提升牛腿的設置可依靠主塔樓勁性鋼柱，根據其結構特點可在N～K/19～22軸線勁性柱上設置提升上吊點，用于放置液壓提升器。本工程提升吊點布置如圖2。

圖2 提升吊點布置

由于2 個被提升的鋼結構連廊在同一個垂直面上，所以必須合理設置提升牛腿防止發生碰撞。為此，提升吊點設計成扁擔形式，以使鋼絞線讓開提升主梁（圖3）。此種設計方式避免后3 次提升的鋼結構連廊產生斜吊工況，減少索具受力因傾斜增加荷載，降低安全隱患。

圖3 吊點示意

運用大型有限元程序MIDAS對連廊提升單元進行實體建模分析，計算最大提升反力。

3.1 提升反力計算

通過對4 個單元的提升反力進行比較，確定最大反力（圖4），為吊點模擬分析提供依據。

3.2 吊點模擬分析

以下吊點為例，運用ANSYS軟件進行結構模擬驗算，采用shell63板單元模擬結構的鋼板按照實際尺寸定義不同的板厚。根據下吊點幾何尺寸，建立結構模型。其余物理參數如下：拉壓彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比=0.3，密度ρ=7.85×1 000 kg/m3。

圖4 模擬吊點反力（單位：kN）

對托梁兩邊荷載按最大提升反力施加，以面荷載形式施加于受力底面。同時約束原結構3 根支撐桿下部、工字鋼端部的6 個自由度。

3.3 計算結果

按照上述模型荷載及邊界條件進行計算，下吊點結構的應力及變形如圖5所示。

圖5 吊點模擬結果

由圖5可知，下吊點結構的最大應力為120.7 MPa，最大變形為0.87 mm。結構強度和剛度均滿足要求。

4 提升工況模擬

以第4單元為例進行提升工況模擬分析，選用了MIDAS/GEN V 7.3版本作為有限元設計軟件。計算模型采用空間三維實尺模型，桿件選用2 個節點、6 個自由度的frame單元，該單元可以考慮拉（壓）、彎、剪、扭4 種內力的共同作用。

4.1 地面拼裝工況[2]

2 層連廊通過系桿形成提升單元，此工況系桿受壓。

在恒載作用下，懸挑位置跨中的變形較大。由圖6、圖7可知，最大變形值為－9 mm、結構跨度20 m，滿足規范要求。結構桿件最大應力比值為0.67，結構有較大的大安全儲備，設計安全可靠。

圖6 恒載下變形云圖

圖7 恒載下應力云圖

4.2 提升工況

拼裝完畢后進行整體提升，此工況系桿受拉[3]。由圖8、圖9可知，最大變形值為－16 mm、結構跨度20 m，滿足規范要求。結構桿件最大應力比值為0.7，結構有較大的大安全儲備，設計安全可靠。

圖8 恒載下變形云圖

5 實施效果

采用“應力—變形—提升”閉環測控技術進行監測，通過網絡數據集中傳輸至中央控制系統，確保提升過程安全可靠。

圖9 恒載下應力云圖

5.1 吊點監測

提升吊點變形測量如圖10所示。最大變形出現在19～22軸線，變形值約為0.8 mm，與模擬分析數值基本一致。

圖10 吊點變形

5.2 提升單元監測

對全部鋼結構連廊提升過程的變形數據進行收集整理（圖11）。第4單元變形值約為13 mm，變形參數與模擬分析結果基本一致。

圖11 提升單元變形

6 結語

通過有限元分析軟件，對金虹橋國際中心工程鋼結構連廊提升吊點及拼裝、提升過程進行模擬分析，為施工工藝控制提供了有力支撐，達到了預期效果。同時為大型復雜結構整體提升施工開拓了新的思路，提供了成功實例。