上海某公共建筑屋頂桁架層施工技術研究

吳水根 陳 瑞 張 銘 汪小林

1. 同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海 200092；2. 同濟大學土木工程學院 上海 200092；3. 上海建工四建集團有限公司 上海 201103

懸掛建筑結構與傳統建筑結構相比，除豎向承重結構落地外，部分樓層和豎向結構被懸掛在空中，其結構復雜多變，其內力傳遞路徑也與傳統結構不一致。目前懸掛結構施工階段的施工技術研究主要是在施工前通過Midas有限元軟件進行施工過程模擬分析來指導施工方案，對于施工階段來說，結構、邊界和內力變形均處于時變過程，懸掛結構的施工技術研究對于施工過程具有重要的指導意義。

本文以上海某公共建筑項目屋頂桁架層施工技術為例，對比分析研究屋頂桁架層拼裝施工技術方案。該項目屋頂桁架層主要采用箱型鋼梁作為桁架桿件，高度3.45 m，懸挑部分跨度16.8 m，該項目屋頂桁架跨度大、自重大、節點多而復雜，在施工成形工程中懸挑部分的位移隨之變大，控制難度增加。如何選擇合適的屋頂桁架拼裝方案，以確保拼裝的安全性、可實施性以及控制變形不超過預警值是本項目屋頂桁架施工技術的重、難點。

1 工程概況

1.1 項目工程概況

該公共建筑項目位于上海市浦東新區花木城市副中心。項目地塊東、北至合歡路，南鄰錦繡路、世紀大道，西至迎春路。項目總建筑面積114 951 m2，地上建筑共有7層，建筑高度50 m。地下建筑共2層，埋深－9.9 m。

該建筑上部結構主樓為16.8 m 16.8 m的規則柱網，外部一圈懸挑尺寸最大為16.8 m，位于屋頂層，懸挑尺寸往下逐層遞減，結構總高度49.5 m，核心區域采用框架＋剪力墻筒體結構，懸挑區域采用“懸掛結構”。核心區域豎向構件采用現澆勁性鋼筋混凝土柱和剪力墻筒體，梁采用鋼桁架和鋼梁。懸挑區域采用全鋼結構，在屋頂設置上翻鋼桁架，并通過吊柱懸掛下面5層荷載，下面各層均采用單向實腹鋼梁結構，鋼梁與核心區采用鉸接連接，吊柱與樓面鋼梁也采用鉸接連接，如圖1所示。

1.2 屋頂桁架工程概況

屋頂層鋼結構包括主樓區域和懸掛區域屋頂桁架，如圖1（d）所示。主樓區域屋頂桁架共64榀桁架，4個核心筒區域共20榀桁架，主樓區域（除核心筒外）共44榀桁架，上下弦桿以及腹桿的材質均為Q420C。屋頂層懸挑區域共64榀桁架，上下弦桿以及腹桿的材質均為Q420C，桁架之間設連系鋼梁，多為H型鋼。由于屋頂層懸挑桁架跨度及自重過大，需要在7層懸挑箱型梁上加臨時支撐，支撐屋頂層懸挑桁架，屋頂層懸挑桁架與7層懸挑結構以及臨時拉撐和支撐形成一個臨時穩定結構，剖面如圖2所示。

圖1 上海某公共建筑結構示意

圖2 屋頂層懸掛區桁架臨時穩定結構剖面示意

2 屋頂桁架層施工重、難點分析

本項目懸掛結構采用全鋼結構，外部懸挑跨度大，尺寸最大為16.8 m，位于屋頂桁架層。屋頂設置高度為3.45 m的上翻桁架，桁架自重大、節點復雜，通過吊柱懸掛下面5層荷載。下面各層水平鋼梁與主樓區域采用鉸接連接，懸掛區的荷載通過吊柱由屋頂桁架層承受，桁架層再轉換到主樓區域，內力的傳遞與傳統結構不一致。

主樓區域鋼結構施工完成后，開始懸挑區域鋼結構施工，3～7層懸挑結構利用上一層主樓結構設置臨時斜拉桿斜拉下層懸掛結構，7層斜拉桿節點設置在隅撐和屋頂根部桁架的交點位置。屋頂層懸挑桁架由于節點復雜、跨度及自重過大，施工時利用7層主樓結構設置臨時斜向支撐，支撐屋頂層懸挑桁架，屋頂層懸挑桁架與7層懸挑結構以及臨時拉撐和支撐形成一個臨時的穩定結構，再對桁架進行分節、分段安裝。

綜合拼裝施工的結構受力特點、拼裝精度、施工交叉等因素，該懸挑區域施工難點歸納為以下幾個方面。

2.1 懸掛結構內力傳遞路徑不同

本項目非懸挑區域樓面荷載的傳力路徑是傳統的自上而下的方式：樓板→次梁→框架梁→框架柱/核心筒。

懸挑區域采用全鋼結構，在懸挑桁架端部設置吊柱以懸掛下部3～7層懸挑區域的荷載，桁架、鋼梁與吊柱之間采用鉸接連接。除屋頂外的各層懸挑區域結構采用單梁體系，梁單向布置，與核心區域采用鉸接連接。這樣懸挑區域樓面荷載的傳力路徑（圖3）與傳統路徑不同，是自下而上的：樓板→次梁→框架梁→吊桿→屋頂桁架→框架柱/核心筒。

圖3 懸掛結構傳力路徑

通過這樣的傳力路徑，懸掛區域全部荷載均由屋頂懸挑桁架承受，屋頂桁架作為內力轉換層，如何在現場進行安裝，安裝工序如何確定，如何保證安裝質量是本工程的重、難點。

2.2 屋頂桁架跨度大、節點復雜

本工程屋頂桁架跨度大，主樓外圍一圈均為懸挑桁架下掛結構樓層，整品桁架不僅僅質量超過塔吊起重量，而且最長的長度為23 m。屋頂桁架在現場進行分節、分段拼裝，屋頂桁架的拼裝工序和拼裝質量是本工程的重點。

鋼結構節點多而復雜，加勁肋密集，最大板厚達到100 mm，由于本工程屋頂桁架的拼裝采用分節、分段施工順序，施工工序不同對結構及結構節點的受力和變形影響不同以及導致節點的施工工藝也不同，而且鋼材等級高、焊縫多、要求高，選擇合理的拼裝順序和焊縫的工藝直接決定了整個結構的質量，是保證結構安全的前提。

2.3 桁架拼裝難度大、安全性難控制

本項目屋頂層懸挑桁架的大部分桁架質量約為75.0 t，跨度約為16.80 m，高度約為3.45 m，在斜角ZHJ-W4桁架最重為98.9 t，跨度達到約為21.70 m，高度約為3.45 m。屋頂桁架不能進行一次拼裝完成，需要進行分節、分段拼裝，再加上懸掛結構施工為高空施工和頂層懸挑桁架跨度及自重過大，導致屋頂層懸挑桁架的拼裝難度大，安全性和變形很難控制，如何在現場進行拼裝，保證拼裝質量是本工程的重點。

本工程焊接作業多為高空、懸挑臨邊施工，焊接時需搭設焊接操作平臺，焊接作業條件十分復雜，防風、防雨，確保安全的措施須實用及有效。這都導致屋頂層懸挑桁架的拼裝難度異常大，安全性和變形很難控制。

2.4 精度要求高

本工程項目屬于公共建筑，屋頂層懸挑桁架體量大，懸掛結構的外端部的節點位移比較大，為了避免施工工程中和施工后使用階段的變形過大，項目需要進行模型分析結合監測數據對變形進行實時控制，并嚴格要求對變形的精度控制，避免變形在任何階段超過預警值而對結構產生不利影響。

3 屋頂桁架拼裝施工方案選擇與模擬分析

3.1 施工方案選擇

由于施工順序和荷載施加方式對結構內力及變形的影響較大，對屋頂桁架各階段的結構和臨時結構進行的力學分析與傳統力學分析不同，荷載、結構體系及邊界條件不斷變化，受力特征發生各種變化[1-3]。核心區混凝土結構與屋頂桁架拼裝同步施工，混凝土結構的時間依存材料性能和力學性能隨著時間發生變化。在施工過程中，充分考慮施工順序對結構的內力與變形影響[4-5]。

綜合考慮屋頂懸挑桁架拼裝施工的工程特點、施工工期、施工精度要求、施工完成后結構合理的力學性能和變形狀況等因素對施工過程的影響，對各施工措施的重點、難點進行詳細分析，擬采用2種方案進行模擬拼裝，并對方案進行分析比較，選出最佳的方案。根據分析結果制定施工方案和施工技術路線，通過有限元軟件Midas Gen對施工方案進行施工模擬，并分析施工過程中的內力和變形，為現場的施工提供參考依據。2種方案流程如圖4所示。

3.2 方案對比分析

結合該項目的施工特點和難點，綜合考慮施工工期、施工部署、施工安全、施工質量以及經濟性原則，最終考慮采用方案2進行施工。分析得出以下結論：

1）施工安全性。通過對比分析，方案1在屋頂桁架下弦桿安裝完成后并沒有及時設置邊桁架下弦桿，屋頂桁架下弦桿缺少橫向支撐，橫向位移大于方案2，再加上異形懸掛結構在橫向風荷載的作用下，橫向位移必然會加大，導致異形懸掛結構受扭轉力，方案2安全性更好。

圖4 方案流程示意

2）可實施性。由于屋頂桁架跨度及自重大、施工環境限制，在屋頂桁架分段吊裝的施工過程中須考慮施工環境，為吊裝預留空間，簡化施工工序，縮短施工工期。方案1首先整體安裝屋頂主桁架，沒有考慮施工環境限制，未在角部桁架留有桁架吊裝的空間，對屋頂桁架的分段吊裝具有不利影響，將嚴重影響施工工序的順利進行。方案2充分考慮了施工環境限制，在角部桁架預留吊裝空間最后安裝，盡管位移稍大，可以在施工過程中采用預起拱的形式減少或消除位移。因此，方案2更適合屋頂桁架的施工。

3）對結構整體成形的影響。方案1沒有及時吊裝屋頂桁架的連系鋼梁，未充分考慮異形懸掛結構的橫向位移和橫向穩定問題，受到更大的扭轉變形，對整體的最后成形有不利影響。方案2充分考慮整體橫向變形和穩定問題，及時設置邊桁架下弦桿作為連系鋼梁，有利于最終整體的力學形態。

3.3 模擬與分析

采用有限元軟件Midas Gen對屋頂懸掛桁架結構的施工過程的所選方案2進行模擬分析，有限元模型如圖5所示。

圖5 屋頂懸掛桁架有限元模型

1）監測點布置。在屋頂懸掛桁架的28個吊柱吊點處設置分析控制點，按照核心區域核心筒的設置位置以及檢測設置逆時針對分析控制點進行編號1～28，如圖6所示。

圖6 控制點編號

2）斜拉桿內力分析。圖7為所選施工方案不同施工階段下屋頂桁架臨時斜拉桿最大內力曲線。斜拉桿最大內力為1 592.6 kN，最大內力發生在核心筒A角部桁架下的斜拉桿，截面應力為157.2 N/mm2，應力比為0.51，臨時斜拉桿滿足強度要求。

圖7 臨時斜拉桿最大內力

3）位移分析。圖8為所選施工方案不同施工階段下屋頂桁架控制節點豎向位移曲線。最大位移發生在節點12 783上，其位移值為40.7 mm。

4）支撐反力分析。圖9為所選施工方案不同施工階段下屋頂桁架臨時斜撐內力曲線。臨時斜撐最大內力為1 738.2 kN（壓力），最大內力發生在核心筒B角部桁架下的臨時斜撐，截面應力為175 N/mm2（考慮穩定系數φ＝0.492），應力比為0.56，臨時斜撐滿足強度和穩定要求。

圖8 控制點最大位移

圖9 支撐最大內力

4 結語

上海某公共建筑項目屋頂桁架層施工過程中結構體系還未成形，采用設置臨時斜拉桿和臨時支撐分節、分段的方法拼裝施工，施工過程中建立各階段有限元計算模型，充分考慮分析施工過程對懸掛結構的影響，結合施工工期、施工整體部署、施工精度以及施工過程中合理的力學位移性態，共同制定合理的施工順序，確保施工過程中懸掛結構的安全。采用有限元模擬施工方案可以有效地預估施工方案的變形和內力，優化施工方案，為施工方案的順利進行提供有效的依據，為類似懸掛結構施工提供參考。