高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)連接施工技術(shù)探討

李森林

【摘要】高層鋼結(jié)構(gòu)建筑自重輕、構(gòu)件截面小，有效空間大，抗震性能好，施工速度快，用工少，現(xiàn)場(chǎng)施工文明。除鋼結(jié)構(gòu)本身的造價(jià)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)稍高外，其綜合效益優(yōu)于同類高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。本文主要探討高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；鋼結(jié)構(gòu)；安裝；施工技術(shù)

在高層建筑中，鋼結(jié)構(gòu)以其施工速度快、利于環(huán)保、綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)佳、建筑造型美觀、抗震性能好等獨(dú)特的優(yōu)越性，被越來(lái)越廣泛重視和應(yīng)用。我國(guó)高層鋼結(jié)構(gòu)的施工水平發(fā)展很快，已能獨(dú)立建造一些超高層和大跨度空間結(jié)構(gòu)。另外，大空間鋼結(jié)構(gòu)中以鋼管為桿件的球節(jié)點(diǎn)平板網(wǎng)架，多層變截面網(wǎng)架及網(wǎng)殼等是我國(guó)空間鋼結(jié)構(gòu)用量最大的結(jié)構(gòu)形式，施工已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。張拉結(jié)構(gòu)，鋼拱結(jié)構(gòu)，鋼塔結(jié)構(gòu)，屋蓋鋼析架結(jié)構(gòu)也大量使用。此外，鋼結(jié)構(gòu)的吊裝、連接和防護(hù)技術(shù)也已達(dá)到了很高的水平。常規(guī)的大型活動(dòng)式起重機(jī)無(wú)法滿足安裝高度需要，而塔式起重機(jī)吊裝能力又嚴(yán)重不足。如果采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安裝施工工藝，會(huì)帶來(lái)吊裝過(guò)程穩(wěn)定性差、高空安裝精度保證難、高空作業(yè)量大、施工周期長(zhǎng)等弊端。液壓同步提升施工技術(shù)的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)吊裝辦法中出現(xiàn)的問(wèn)題，其施工工藝特點(diǎn)可概括為“鋼絞線承載、計(jì)算機(jī)控制、液壓千斤頂集群作業(yè)”。通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)的使用，可以將連體鋼結(jié)構(gòu)在地面（或裙樓頂部）散件拼裝成整體，一次吊裝就位。某辦公樓連體鋼結(jié)構(gòu)安裝就是該項(xiàng)技術(shù)的一次成功應(yīng)用。

1、工程概況

該辦公樓位于某開發(fā)區(qū)，其主樓結(jié)構(gòu)形式為鋼-鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)。其主體結(jié)構(gòu)之間存在兩種連體鋼結(jié)構(gòu)，第1種為平面鋼結(jié)構(gòu)井字梁，共2層，位于主體結(jié)構(gòu)中庭○D～○G軸，通過(guò)主梁的8個(gè)萬(wàn)向支座連接于主樓結(jié)構(gòu)上，主梁與次梁的截面均為工字形截面，其中主梁截面尺寸為 H1800×700×30×80，平面尺寸為36.0m×31.5m，鋼梁頂面標(biāo)高分別為主體結(jié)構(gòu)3層15.600m 和主體結(jié)構(gòu)6層 29.400m，自重分別為217t 和 201t； 第2種為空間鋼結(jié)構(gòu)桁架，共兩個(gè)，分別位于○B(yǎng)軸和○J軸對(duì)應(yīng)處，每個(gè)鋼桁架都由1榀主桁架、與周邊主結(jié)構(gòu)連接的次梁以及部分懸挑結(jié)構(gòu)組成，主桁架的立柱、弦桿、腹桿的截面均為工字形截面，最大截面尺寸為 H600×600×40×40，跨度30m，桁架上標(biāo)高 43.500m。 為防止提升時(shí)結(jié)構(gòu)重心偏心，只提升主桁架部分，待提升部分自重均為 67t。

2、施工難點(diǎn)

1）高空安裝構(gòu)件截面大，自重大（主梁重13kN/m），受空間限制移動(dòng)式起重機(jī)械無(wú)法作業(yè)，塔式起重機(jī)起重能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

2）作業(yè)空間小，冬期施工難度大 利用已建主體結(jié)構(gòu)搭建提升平臺(tái)，構(gòu)造復(fù)雜。冬季環(huán)境低溫給液壓提升系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來(lái)考驗(yàn)。

3）精度要求高。 鋼桁架和井字鋼梁的空中對(duì)接點(diǎn)分別為6個(gè)和8個(gè)，提升同步控制和對(duì)接難度較大，對(duì)安裝精度控制要求較高。被提升結(jié)構(gòu)在地面拼裝時(shí)要精確定位，保證千斤頂位置與鋼結(jié)構(gòu)提升吊點(diǎn)位置上下對(duì)應(yīng)。

3、整體提升方案

3.1鋼結(jié)構(gòu)井字梁

本工程待提升的巨型鋼結(jié)構(gòu)井字梁共有2層，位于主體結(jié)構(gòu)3層（標(biāo)高15.600m）和6層（標(biāo)高29.850m），每個(gè)井字梁的主梁通過(guò)8個(gè)萬(wàn)向支座連接于主體結(jié)構(gòu)上。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)置 4 個(gè)提升點(diǎn)，將主體結(jié)構(gòu) 7 層處的混凝土懸挑梁作為提升平臺(tái)，每個(gè)提升點(diǎn)的懸挑梁上安放箱形截面鋼梁，然后將2個(gè)100t 穿心式液壓千斤頂支在上面，每個(gè)千斤頂配 4 束15.24mm鋼絞線，鋼絞線經(jīng)鋼梁中心所開圓孔，連接于被提升井字梁外伸上翼緣處的防松工具錨上。具體提升步驟如下。

1）步驟1：在主樓結(jié)構(gòu) 7 層懸挑平臺(tái)提升點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置處安裝提升鋼梁，同時(shí)地面拼裝6層被提升部分鋼梁，之后安裝提升設(shè)備，連接提升鋼絞線。

2）步驟2：將6層鋼梁提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3）步驟3：對(duì)接6層鋼梁8個(gè)支座，焊接剩余次梁，完畢后卸載。同時(shí)地面拼裝3層被提升部分鋼梁。

4）步驟4：將3層鋼梁提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，對(duì)接8個(gè)支座，焊接剩余次梁，完畢后卸載。

5）步驟5：拆除提升平臺(tái)及設(shè)備，鋼梁安裝完畢。

3.2鋼結(jié)構(gòu)桁架

本工程待提升鋼桁架的提升方案確定為： 設(shè)置2個(gè)提升點(diǎn)，將臨時(shí)焊接于主結(jié)構(gòu)型鋼柱上的箱形截面鋼梁作為提升平臺(tái)，然后將1個(gè)100t 穿心式液壓千斤頂支在上面，每個(gè)千斤頂配 4 束15.24mm鋼絞線。鋼絞線通過(guò)提升吊點(diǎn)工裝，連接于桁架結(jié)構(gòu)中弦端部。只提升中心單榀桁架，其他與主體結(jié)構(gòu)相連的次梁及懸挑部分構(gòu)件在空中拼裝。具體提升步驟如下。

1）步驟1：在主結(jié)構(gòu)型鋼柱標(biāo)高 41.200m 位置處焊接鋼牛腿，同時(shí)地面拼裝6層被提升部分鋼梁。然后安裝提升設(shè)備，連接提升鋼絞線。準(zhǔn)備工作完成之后開始提升。

2）步驟2：將鋼桁架提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3）步驟3：對(duì)接鋼桁架中弦和下弦牛腿，焊接上弦構(gòu)件及對(duì)應(yīng)鋼柱。

4）步驟4：所有構(gòu)件焊接完畢，進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收，合格后卸載，拆除臨時(shí)提升牛腿及設(shè)備。

4、整體提升核心技術(shù)問(wèn)題

4.1提升點(diǎn)及提升力設(shè)計(jì)

對(duì)應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)井字梁正常使用狀態(tài)，在主梁端部對(duì)應(yīng)處設(shè)置8個(gè)提升點(diǎn)更符合原結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)受力假定，但工藝復(fù)雜、成本較高。因此在主樓結(jié)構(gòu) 7 層懸挑平臺(tái)處布設(shè) 4 個(gè)提升點(diǎn)。為計(jì)算各個(gè)支撐點(diǎn)的提升力，對(duì)鋼梁整體建立有限元模型，如圖 1（以6層鋼梁為例）所示，在提升點(diǎn)的對(duì)應(yīng)位置建立豎向約束。鋼結(jié)構(gòu)井字梁的自重及必要的施工荷載施加于鋼梁整體有限元模型中，通過(guò)計(jì)算得到各豎向支座反力，即為施工過(guò)程中各提升點(diǎn)需要的提升力，這不僅是選擇千斤頂數(shù)量及規(guī)格的依據(jù)，也是進(jìn)行提升平臺(tái)設(shè)計(jì)驗(yàn)算和提升地錨吊點(diǎn)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

對(duì)于本工程待提升的鋼結(jié)構(gòu)桁架，在結(jié)構(gòu)中弦兩端各設(shè)置1個(gè)提升點(diǎn)，計(jì)算內(nèi)容與鋼結(jié)構(gòu)井字梁相同。

圖 1 鋼結(jié)構(gòu)井字梁整體模型

4.2提升支架設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)井字梁的提升平臺(tái)由主體結(jié)構(gòu) 7 層處的混凝土懸臂梁和安放于其上的箱形截面鋼梁組成。提升平臺(tái)不僅是提升千斤頂?shù)墓ぷ髌脚_(tái)，也把千斤頂?shù)暮奢d由鋼梁、混凝土懸臂梁傳遞到主體結(jié)構(gòu)上?；炷翍冶哿航?jīng)過(guò)強(qiáng)度、撓度及裂縫驗(yàn)算，滿足相關(guān)要求。對(duì)應(yīng)集中力位置預(yù)埋鋼板，防止局部破壞。在混凝土梁下部增加臨時(shí)鋼管 （219mm，Q345）斜撐，增大安全系數(shù)。 箱形截面鋼梁通過(guò)有限元軟件 ANSYS 驗(yàn)算，最大等效應(yīng)力100MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

鋼桁架提升平臺(tái)由臨時(shí)焊接于主體型鋼柱上的鋼 牛 腿 構(gòu) 成，其 箱 形 截 面 尺 寸 為1000mm×480mm×30mm×20mm，通過(guò)有限元軟件驗(yàn)算，最大等效應(yīng)力183MPa（見圖 2），滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際施工中，在鋼牛腿側(cè)面增加斜支撐，保證其側(cè)向穩(wěn)定性。

圖 2 鋼桁架提升牛腿等效應(yīng)力分布

4.3 提升吊點(diǎn)設(shè)計(jì)

在提升過(guò)程中，鋼絞線的提升力是通過(guò)提升吊點(diǎn)工裝傳遞給被提升結(jié)構(gòu)，提升吊點(diǎn)的構(gòu)造一般較為復(fù)雜，傳力途徑并不十分明確，而且吊點(diǎn)附近構(gòu)應(yīng)力分布也較復(fù)雜。因此，對(duì)提升吊點(diǎn)建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算，分析其應(yīng)力分布情況。

對(duì)于本工程待提升的鋼結(jié)構(gòu)井字梁，將上翼緣外伸，并開圓孔形成吊點(diǎn)，同時(shí)增加兩側(cè)加勁肋，保證提升力有效傳遞。鋼梁提升吊點(diǎn)處的等效應(yīng)力分布情況如圖 3所示，最大應(yīng)力不超過(guò)130MPa，強(qiáng)度滿足要求。

圖 3 鋼結(jié)構(gòu)井字梁提升下錨點(diǎn)局部應(yīng)力

本工程提升鋼桁架的提升吊點(diǎn)是由桁架結(jié)構(gòu)中弦焊接臨時(shí)吊耳工裝構(gòu)成。鋼桁架提升吊點(diǎn)處的等效應(yīng)力分布情況如圖 4所示，最大應(yīng)力不超過(guò)85MPa，強(qiáng)度滿足要求。

圖 4 鋼桁架提升下錨點(diǎn)局部應(yīng)力

4.4 提升過(guò)程控制參數(shù)

在結(jié)構(gòu)整體提升過(guò)程中，各提升點(diǎn)位移不可避免地存在不一致的情況，相對(duì)位移的存在會(huì)引起提升力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重新分配。要保證提升過(guò)程安全，必須預(yù)先考慮如何將各提升點(diǎn)提升力和相對(duì)位移控制在允許范圍之內(nèi)。具體分析本工程待提升結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)井字梁和鋼桁架都屬平面結(jié)構(gòu)，各點(diǎn)提升力對(duì)相對(duì)位移差不敏感，因此只對(duì)相對(duì)位移進(jìn)行控制，建立各提升點(diǎn)間相互影響的剛度矩陣，最終得出各提升點(diǎn)間的最大允許相對(duì)位移為 20mm。

4.5 提升應(yīng)急預(yù)案

根據(jù)對(duì)提升方案各環(huán)節(jié)的情況分析，針對(duì)可能出現(xiàn)的緊急狀況，除了在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)上采取相應(yīng)安全防范保證措施外，還制定了相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

1） 通過(guò)試提升檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性

試提升分 5 級(jí)加載，提升至離地 200mm后懸停12h，在逐級(jí)加載及懸停過(guò)程中對(duì)支撐系統(tǒng)、提升系統(tǒng)和被提升結(jié)構(gòu)等各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)（或觀測(cè)）對(duì)比，出現(xiàn)異常情況時(shí)可采取下放或支點(diǎn)處墊實(shí)卸載處理。

2）鋼絞線斷裂的應(yīng)急措施

發(fā)現(xiàn)鋼絞線斷裂，立即通知控制臺(tái)停止，提升鎖定全部油缸，替換鋼絞線，從油缸穿至下部錨具，重新張緊后繼續(xù)提升。

3）提升不同步應(yīng)急措施

采用油缸行程和水準(zhǔn)儀觀測(cè)同步進(jìn)行方式，設(shè)高差預(yù)警值為16mm，提升點(diǎn)間高差達(dá)到預(yù)警值后鎖定，調(diào)整行程偏差油缸至高差 5mm以內(nèi)后繼續(xù)提升。

4）其他干擾

大風(fēng)、雨雪、機(jī)械故障等情況下鎖定油缸（也可能油缸防墜安全錨自鎖），利用提升前在被提升結(jié)構(gòu)上固定的大繩將其與周邊結(jié)構(gòu)拉結(jié)防止晃動(dòng)，根據(jù)不同情況采取相應(yīng)處理措施。

結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)系統(tǒng)細(xì)致的理論計(jì)算分析，科學(xué)合理的施工方案制定，確保了該辦公樓連體鋼結(jié)構(gòu)整體提升施工安全順利完成，為其他類似工程積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭江，郝際平，王宏，等. 大跨屋蓋多點(diǎn)整體提升過(guò)程的力學(xué)形體研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2009，39（1）： 83-87.

[2] 巍葳，程陽(yáng)春. 大跨連體鋼結(jié)構(gòu)整體提升技術(shù)[J]. 施工技術(shù)，2009，38（7）： 43-45.

[3] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院. GB50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

[4] 周明，高杰，尤盛志，等. 深圳灣體育中心大跨屋蓋鋼結(jié)構(gòu)卸載分析[J]. 施工技術(shù)，2011，40（14）： 9-11.