重型結(jié)構(gòu)液壓提升系統(tǒng)設(shè)計實證研究

孔海峰 劉建中 劉海峰 王 艾

1. 江蘇建科建設(shè)監(jiān)理有限公司 南京 210008； 2. 中新蘇州工業(yè)園區(qū)置地有限公司 蘇州 215000；3. 中國華西企業(yè)股份有限公司 上海 201615

1 研究背景

重型結(jié)構(gòu)液壓同步提升施工技術(shù)是我國近年來逐步提出、形成、發(fā)展和完善起來的一種新型機電液一體化施工技術(shù)，在建筑工程中主要應(yīng)用于超大、超高、超重等特大型構(gòu)件的吊裝和水平移運。由于安裝效率高、高空作業(yè)少、經(jīng)濟效果突出，該項技術(shù)已經(jīng)在較多的工程中得到了應(yīng)用，取得了一定的技術(shù)和經(jīng)濟效果。但是，由于大部分應(yīng)用工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況特殊，加之鋼結(jié)構(gòu)整體提升技術(shù)的不成熟，行業(yè)至今也沒有形成相應(yīng)的技術(shù)標準，技術(shù)和實踐上仍有許多問題需要進一步探索。

隨著近年來施工技術(shù)的快速發(fā)展，重型結(jié)構(gòu)液壓同步提升施工技術(shù)在工程實踐中大量應(yīng)用，如蘇州中銀大廈中庭鋼結(jié)構(gòu)連廊，提升質(zhì)量480 t，提升高度18 m；深圳東海商務(wù)中心鋼結(jié)構(gòu)連廊，提升質(zhì)量700 t，提升高度176 m；成都海洋天堂連廊，提升質(zhì)量5 800 t，提升高度107 m；南京新城大廈二期鋼結(jié)構(gòu)連廊，提升質(zhì)量520 t，提升高度62.2 m等等。提升質(zhì)量從百余噸到上千噸，較大的甚至達到萬噸以上，如國家圖書館鋼結(jié)構(gòu)的整體提升質(zhì)量達萬噸[1]，提升高度15 ～176 m不等。由于液壓提升面臨的質(zhì)量、跨度巨大，任何一個微小的考慮不周、荷載不當、計算失誤引起個別構(gòu)件的失效往往會產(chǎn)生連鎖反應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)失敗，形成重大質(zhì)量安全事故。

2 研究現(xiàn)狀及存在問題

經(jīng)過近幾年的工程實踐，液壓同步提升施工技術(shù)已經(jīng)得到了初步的論證和總結(jié)，上海制定了《重型結(jié)構(gòu)（設(shè)備）整體提升技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ 08-2056—2009），在荷載及作用、被提升結(jié)構(gòu)分析和驗算、提升結(jié)構(gòu)分析和驗算、提升過程控制等進行了較為詳細的系統(tǒng)總結(jié)[2]，但整體仍局限于較粗線條和概念性要求，難以指導(dǎo)具體工程實踐。陳凌軒等利用計算機仿真技術(shù)對重型結(jié)構(gòu)提升過程進行了仿真分析[3]，沈錦添利用計算機建模采用ANSYS軟件對重型構(gòu)件提升過程各個階段進行了具體分析[4]。

雖然有了上述一定的研究成果，但是，對提升系統(tǒng)受力狀態(tài)的分析和模擬沒有系統(tǒng)研究。大部分研究基本借用了相關(guān)規(guī)范中結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計和荷載取值方法，將提升荷載簡化為重力荷載，利用荷載分項系數(shù)進行簡化運算。沈錦添計算時將被提升鋼屋架重力荷載分項系數(shù)取值為1.35，大部分研究者直接按恒載設(shè)定被提升結(jié)構(gòu)荷載，并直接按固定荷載取分項系數(shù)為1.2[5,6]。

規(guī)范DG/TJ 08-2056—2009提出可變荷載效應(yīng)控制的基本組合表達式如下：

式中：S(ω)——結(jié)構(gòu)效應(yīng)函數(shù)；

γG——永久荷載分項系數(shù)，對結(jié)構(gòu)不利時取1.2，對結(jié)構(gòu)有利時取0.9；

Gk——永久荷載標準值（一般為提升支承結(jié)構(gòu)及提升用設(shè)備重）；

QGk——被提升結(jié)構(gòu)（設(shè)備）質(zhì)量的標準值；

ωk——不同階段單位迎風(fēng)面積上的水平風(fēng)荷載標準值；

QLk——平臺活載的標準值；

Qi——除上述可變載荷外，其余第i個可變荷載標準值，i=4～n；

ψci——可變荷載Qi的組合值系數(shù)，一般取0.7；

γi——可變荷載Qi的分項系數(shù)，一般為1.4，僅溫度作用取1.0；

R(ω)——結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)；

γR——結(jié)構(gòu)抗力的標準值；

fk——材料強度分項系數(shù)；

αk——幾何參數(shù)標準值。

雖然目前大量采用了各種有限元模擬結(jié)構(gòu)計算軟件與方法，但荷載取值的不規(guī)范和計算模型的不確定，必然導(dǎo)致計算結(jié)果的差異，并關(guān)系到方案的經(jīng)濟效果和安全適用性。

3 實驗驗證

為了驗證荷載作用效果，獲得經(jīng)濟、安全的重型結(jié)構(gòu)提升結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)模型，結(jié)合某項目中庭連廊鋼結(jié)構(gòu)提升工程，決定利用其中一榀桁架作為實驗提升對象檢驗設(shè)計成果。該實驗桁架質(zhì)量約為104 t，提升高度16.45 m。提升范圍沒有其他建構(gòu)筑物，兩側(cè)結(jié)構(gòu)施工已超過提升面3個樓層，具備設(shè)置額外安全裝置的條件[7]。

提升單位是一家長期專業(yè)承包重型結(jié)構(gòu)提升施工的專業(yè)隊伍，參與和實施了較多大型工程鋼結(jié)構(gòu)提升工程，有豐富的液壓同步提升施工經(jīng)驗。

提升公司按照常規(guī)設(shè)計方法設(shè)計完成了提升方案，共設(shè)置2組吊點，每組吊點反力標準值520 kN。每組吊點配置1臺YS-SJ-75型液壓提升器，額定提升能力為750 kN。提升時考慮恒載系數(shù)（按提升公司經(jīng)驗數(shù)據(jù)）1.35，動載系數(shù)1.05。提升器、臨時吊具以及鋼絞線等按照1.0 t考慮，提升最大反力設(shè)計值F，則：F=736 kN，計算簡圖如圖1所示。

圖1 提升平臺計算示意

以此為基礎(chǔ)，分別計算和復(fù)核提升平臺梁、斜撐、拉桿、預(yù)埋件等，其中，拉桿選用規(guī)格為150 mm×150 mm×7 mm×70 mm的H型鋼，材質(zhì)Q345B，與計算平面的夾角為β=15°，側(cè)向支撐選用規(guī)格為150 mm×150 mm×7 mm×70 mm的H型鋼，材質(zhì)Q345B，按照設(shè)計模型和荷載，構(gòu)件內(nèi)力驗算均安全可靠。提升系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。

圖2 提升立面示意

為了了解在結(jié)構(gòu)提升過程中的荷載變化情況，在兩側(cè)鋼絞線分別設(shè)置表面應(yīng)力傳感器，實時監(jiān)控應(yīng)力變化情況。同時，在提升結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)+34.25 m處設(shè)置了附加安全裝置。

正式提升前，施工單位組織專業(yè)提升公司制定了詳細的施工組織設(shè)計規(guī)劃，配備專用集群同步控制計算機平臺，系統(tǒng)調(diào)試完成分級加載，提升脫離地面150 mm后離地檢查，各項荷載、變形均在設(shè)計預(yù)計范圍。

靜止12 h后檢查提升設(shè)備的狀態(tài)、提升支架的變形、鋼架撓度，各項均未發(fā)現(xiàn)異常。在正式提升開始至70 min，提升高度約5.5 m時，東側(cè)觀測位發(fā)現(xiàn)側(cè)向一根支撐快速變形，拉桿出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象，隨時可能發(fā)生支撐鋼架失穩(wěn)，應(yīng)急安全裝置受力后變形才逐步穩(wěn)定。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，整個提升過程提升鋼絞線受力均超過被提升結(jié)構(gòu)和其他附加裝置質(zhì)量。

通過實驗說明，這種簡化的設(shè)計方法存在較大的安全隱患，如果沒有其他安全措施，有可能引起重大安全事故。

4 實驗數(shù)據(jù)整理與分析

通過實驗數(shù)據(jù)分析，提升操作沒有明顯違規(guī)現(xiàn)象，鋼絞線應(yīng)力狀況顯示，提升荷載基本保持不變，約等于提升荷載標準值，遠小于荷載設(shè)計值。提升結(jié)構(gòu)從側(cè)向結(jié)構(gòu)開始破壞，經(jīng)檢查，材料無明顯缺陷，發(fā)生破壞只有可能是荷載超過了材料極限承載力。

側(cè)向支撐規(guī)格為150 mm×150 mm×7 mm×70 mm的H型鋼，材質(zhì)Q345B，其截面特性：A=39.10 cm2，凈截面積比取0.9。其中，H=2 494 mm，L=2 531 mm，θ=45°。

方案中中側(cè)向支撐計算簡圖如圖3所示。

圖3 側(cè)向支撐計算簡示意

側(cè)向支撐拉力設(shè)計值：T2=125 kN，σ=T2/Aw=66 MPa＜f=310 MPa。

雖然方案計算時沒有考慮長細比和壓桿承載力降低系數(shù)，但即使考慮壓桿承載力降低系數(shù)，經(jīng)測算，按φx=0.9，φy=0.8，η=0.7計算，在計算荷載作用下，強度驗算、平面內(nèi)穩(wěn)定驗算、平面外穩(wěn)定驗算仍然是安全的。可以肯定問題主要在于計算模型沒有反映結(jié)構(gòu)真實的受力狀態(tài)。靜置狀態(tài)提升結(jié)構(gòu)受力安全以及提升過程屈服破壞反映出提升過程中提升結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)簡化計算模型并不一致。

大部分情況下，在重型結(jié)構(gòu)提升過程中，主要為了克服被提升結(jié)構(gòu)豎向荷載，側(cè)向結(jié)構(gòu)處于輔助狀態(tài)，其受力相對垂直支撐結(jié)構(gòu)受力極小，設(shè)計時往往按構(gòu)造考慮。但實際提升過程中，由于提升千斤頂規(guī)律性動作、陣風(fēng)、提升過程的不同步等均可能導(dǎo)致被提升結(jié)構(gòu)和構(gòu)件小范圍的晃動，由于這些被提升構(gòu)件荷載的巨大，其微小的受力方向變化均可能產(chǎn)生較大的水平分量，由于設(shè)計過程沒有考慮這一分量，其結(jié)果往往導(dǎo)致相應(yīng)受力構(gòu)件破壞[7]。

考慮提升過程不同受力狀態(tài)，充分考慮提升過程每一動作的作用和影響，其中按被提升結(jié)構(gòu)2%的重心偏離，重新進行系統(tǒng)設(shè)計，提升裝置、鋼絞線等均沒有發(fā)生變化，但側(cè)向支撐充分考慮提升結(jié)構(gòu)偏心荷載，驗算平面內(nèi)外穩(wěn)定性，最終選用規(guī)格為400 mm×300 mm×20 mm×20 mm的H型鋼，再次提升確認安全可靠。

5 結(jié)語

1）采用荷載分項系數(shù)設(shè)計方法計算和設(shè)計提升系統(tǒng)選擇鋼絞線、提示器等沒有任何實際意義和理論基礎(chǔ)，被提升結(jié)構(gòu)及其附加裝置荷載是明確已知的，無故乘以1.2～1.4的放大系數(shù)目的不明確，也不能解決任何問題。設(shè)計者需要解決的是對已知的荷載如何在各提升點進行分配，只要充分考慮被提升結(jié)構(gòu)變形情況、同步控制的水平、提升點布置的位置和數(shù)量等各方面影響，系統(tǒng)就是安全的。目前，由于基于有限單位分析的計算機軟件普及，這項工作難度并不大，而且更有實際意義。

2）簡化的支撐系統(tǒng)設(shè)計模型存在較大風(fēng)險。簡化模型將鋼絞線、千斤頂傳遞來的提升荷載默認為垂直向下，并試圖通過某一個放大的修正系數(shù)來調(diào)整。實驗證明，即使按照已知項目荷載分項系數(shù)取值的1.4考慮，系統(tǒng)仍然存在失穩(wěn)問題。雖然被提升結(jié)構(gòu)的重力是一定的，但是，因被提升結(jié)構(gòu)變形、安裝誤差、吊點的微小變化、被提升構(gòu)件的晃動等均可能產(chǎn)生一定的水平分量。由于被提升結(jié)構(gòu)質(zhì)量的巨大，這些相對垂直荷載較小的水平分量對計算和確定支撐系統(tǒng)各個構(gòu)件來說都是巨大的。這些支撐構(gòu)件主要破壞形式不是理想的平面內(nèi)破壞，其破壞形式基本為平面外失穩(wěn)。

3）在進行液壓整體提升系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)當依據(jù)施工各個時點、各種工況系統(tǒng)的不同受力狀態(tài)、荷載傳遞途徑進行模擬設(shè)計。在起吊、被提升結(jié)構(gòu)變形、同步、提升、下落等不同階段，各個提升點荷載大小、方向均存在差異，在被提升結(jié)構(gòu)各種極限狀態(tài)，如拼裝誤差造成的重心偏移、拼裝位置偏差造成的提升荷載方向改變、提升過程產(chǎn)生的縱向和橫向擺動等同樣將引起系統(tǒng)受力狀態(tài)的差異，只有全面分析了這些差異，所得到的設(shè)計結(jié)果才是安全可靠的。