大跨度屋面鋼桁架提升施工過程分析研究

雷淑忠 崔節元 劉 鑫

（山東建筑大學土木工程學院，濟南250101）

0 引 言

目前，大跨度鋼結構屋蓋的應用正在增加。由于成本較高和施工周期較長的缺點，傳統的搭建腳手架和分塊吊裝的施工方案逐漸無法適應大跨度鋼結構的施工安裝。隨著施工方面水平和精度的進一步提高，目前地面拼裝加整體提升已經成為大跨度鋼結構屋蓋最常用的一種施工方法。國內許多大型建設項目都采用了整體提升施工技術，如首都國際機場A380機庫屋蓋［1］、廣州新白云國際機場維修機庫鋼屋蓋［2］、澳門綜合體育館主桁架［3］、上海東方明珠廣播電視塔［4］、北京首都機場四位機庫［5］、MEGA會展中心鋼結構屋蓋整體吊裝［6］等。

鋼屋蓋結構在提升過程中的受力情況與設計狀態完全不同，需要對提升過程進行施工力學模擬分析，保證提升過程的安全可靠。本文針對某工程大跨度鋼結構屋蓋的整體提升方案進行數值模擬分析，分析施工過程中的索力、結構變形和鋼構件應力比等數據，并且還對該結構進行不同步提升分析，進而得到桿件的應力比和變形數據，確保結構安全性。這種對整個提升過程進行數值模擬的分析方法，可以計算獲得提升過程中各個階段的數據，對實際施工過程具有重要的指導意義。

1 工程概況

某新建站房分為東、西站房和中間高架站房，由-10.0 m地下出站通廊、-5.10 m夾層、-2.70 m軌道層、0 m站臺層、4.50 m夾層、9.0 m高架層、15.90 m高架夾層、鋼結構屋蓋組成，如圖1所示。位于站房及候車大廳上空的大型鋼屋面是該建筑的主要形象構成要素，其跨度為72m，最大出挑接近14 m，投影面積為31 306 m2。

圖1 高架站房剖面圖Fig.1 Cross-section of the station housing

高架站房9.0 m以下為鋼筋混凝土框架結構，15.90 m高架夾層的結構形式為鋼桁架；東站房15.90 m以下為鋼筋混凝土框架結構，15.90 m夾層屋面為鋼框架；西站房9.0 m以下為鋼筋混凝土框架結構，15.90 m高架夾層結構形式為鋼框架。框架柱為鋼管混凝土柱：?1000×30 mm，屋蓋為雙向三角鋼桁架，桁架上、下弦中心高度為2.5～5 m，如圖2所示。

圖2 高架站房鋼屋蓋空間示意圖Fig.2 Schematic diagram of the station housing′s steel truss roof

2 施工方案

本工程中，鋼屋蓋中部跨度達到72 m，外輪廓呈曲線形，總重量1 878 t，屋面桁架的最大安裝標高+38.330 m，施工難度很大。如果采用分件高空散裝，需要進行高空組裝，焊接工作量較大，很難保證施工進度，現場機械設備難以滿足吊裝的要求，并且搭設工程需要的高空拼裝胎架很困難，存在較大的安全風險和質量風險。施工難度較大，對于鋼結構現場安裝的安全性、安裝質量以及工程工期等方面的控制也非常不利。根據類似工程的成功經驗，并經技術論證分析，首先將屋蓋中部區域拼裝成整體，然后利用“超大型構件液壓同步提升技術”將其整體提升到位，這將很大程度上降低安裝施工的難度，也有利于控制工程的質量、安全、工期和施工成本。故高架站房鋼屋蓋結構采取外側部分吊裝和中部部分整體提升相結合的方法進行施工作業。

中部提升區域采用整體液壓同步提升技術，該技術使用液壓提升器作為提升設備，使用柔性鋼絞線作為承重索具，應用液壓提升器為穿芯式結構，并使用鋼絞線作為提升索具，將大重量的構件在地面拼裝完成之后，再將整體提升到預定位置安裝就位，從而實現大重量、大跨度、大面積的大型構件高空整體同步提升。

將本工程劃分為三個施工區，其中2/3軸～3/5軸和1/11軸～1/13軸間部分鋼屋蓋采用履帶吊及汽車吊施工，中間6軸～11軸間部分鋼屋蓋采用整體提升施工。整體施工順序按照先兩側后中間的總體思路，即先進行兩側鋼屋蓋結構吊裝施工，然后進行中部區域鋼屋蓋提升施工。施工分段如圖3所示，中部提升區域鋼屋蓋平面圖如圖4所示。

圖3 高架站房鋼屋蓋提升施工分段示意圖Fig.3 Elevation drawing of lifting construction of the station housing surface

圖4 中部提升區域鋼屋蓋平面圖Fig.4 Plan of steel roof in central lifting area

在中部區域鋼屋蓋提升單元投影面正下方的站房樓面上，首先將其拼裝成整體，并同時在屋面結構層（標高+26.887 m）處，借助預裝鋼結構及混凝土結構設置提升平臺（上吊點），如圖5所示，提升平臺需保證提升過程中的承載可靠；將提升臨時吊具（下吊點）安裝在提升單元的屋面層桿件上與上吊點相對應位置處，如圖6所示，將提升下吊點連接到要提升的結構上，然后通過提升專用地錨、鋼絞線與提升上吊點液壓提升器相連，進而通過提升器的重復操作完成結構的提升工作。

圖5 提升平臺三維示意圖Fig.5 3D schematic diagramof lifting platform

圖6 提升下吊點三維示意圖Fig.6 3D schematic diagram of lifting points

液壓同步提升系統用于將鋼結構提升單元整體提升到設計安裝的位置，并連接到預裝段牛腿等以完成安裝。鋼結構提升的具體工序如下所述：

（1）將鋼結構提升單元拼裝成整體提升單元，設置提升平臺，安裝預裝部分，一共設置26個提升吊點，結構的兩側各13個。

（2）安裝液壓同步提升系統設備，設置提升下吊點；調試液壓同步提升系統，張拉鋼絞線，使得所有鋼絞線都能夠受力均勻；然后檢查鋼結構提升單元和液壓同步提升的所有臨時措施是否符合設計的要求。

（3）在確定都滿足要求之后，分階段進行加載，直到整個提升單元離開拼裝平臺。

（4）將整體提升單元提升大約150 mm后，暫停提升；輕微調節每個吊點的標高，讓每個吊點都處于水平狀態，并使其靜置4～12個小時；然后檢查和檢測提升點位移、屋蓋結構關鍵部位和支座的應力變形，并在檢查結果合格后進行繼續提升。

（5）當整體提升單元被提升到與預安裝部分結構標高接近時，此時應該暫時停止提升工作；需要測量提升單元各個點的實際尺寸，然后核對處理，降低提速之后，繼續提升接近對接位置；通過計算機系統的“微調、點動”功能，使每個提升吊點都能滿足要求。

（6）整體提升單元與預裝桁架結構進行對接，形成整體提升單元；當屋蓋整體提升到位后，需安裝后補桿件才能卸載，屋蓋鋼結構需空中停留一段時間；對于本工程，因屋蓋主結構為桁架結構，投影面積大，風荷載（六級以上）對提升過程有一定的影響，為了使結構在提升過程中能夠有絕對的安全度，要做好提升間歇安全措施，要限制結構在空中產生水平擺動和位移。

（7）拆除液壓提升設備，鋼結構提升作業完成。

3 整體提升過程仿真分析

本工程的難點在于整個鋼屋蓋的吊裝和提升，由于跨度大、高度高、重量大、提升吊點數目較多、受力特點復雜，所以，施工過程中的吊點選擇、吊點加固，提升過程中鋼桁架受力分析、同步提升控制等方面都需進行分析研究才能確定；與此同時，在施工過程中確保安裝精度以及控制屋蓋桁架平面外的穩定，同樣是本工程拼裝和提升過程中非常重要的技術措施。

本文采用有限元分析軟件SAP2000來仿真模擬分析結構的整個提升過程［7～9］。在分析過程中，采用梁單元模擬桁架桿件和聯系桿件，并通過邊界條件模擬桁架提升過程的體系轉換。仿真分析主要是為了驗證整體結構在提升過程中的應力水平和變形情況，從而確保提升施工的安全性，分析所得結果可以為提升過程監控監測提供理論參考依據，并驗算提升施工全部完成后整個結構是否能夠滿足設計的要求。

3.1 提升施工階段劃分

整個提升過程的施工模擬計算可以分為三個階段，將結構施工全部完成施加使用荷載后的驗算定為第四階段，各階段說明如下所述：

第一階段（中間部分的提升過程驗算）：將中部區域屋蓋桁架結構提升至設計標高（包括提升平臺及支撐桿件），提升過程中保證各吊點提升高度基本一致。

第二階段（中間部分與兩側部分合攏后的整體結構驗算）：安裝后補桿件，將提升結構與兩側主體結構連接在一起，使結構成為一個整體，驗算結構是否滿足承載力要求。

第三階段（提升裝置拆除后的整體結構驗算）：拆除液壓提升設備、臨時支撐桿件，屋面桁架結構最終安裝到位。

第四階段（整個結構組裝完畢后的驗算）：考慮整個結構施工組裝完畢施加使用荷載后的驗算。

3.2 提升施工過程計算[10-12]

屋面桁架結構材料和臨時措施材料材質均為Q345B，結構最大板厚為18 mm，鋼材抗拉、抗壓和抗彎強度設計值為295 N/mm2。

在計算過程中，第一階段、第二階段和第三階段計算時只考慮屋面桁架結構和提升裝置的自重荷載。由于節點等影響，計算模型重量與實際提升重量有差異，根據現場屋蓋拼裝時復核的實際重量和計算模型自重進行對比，將模型鋼材密度放大了1.21倍。第四階段計算時根據原設計要求考慮的荷載如下：①為了使計算模型重量與實際提升重量相符，將模型鋼材密度放大了1.21倍；②屋蓋上弦恒荷載取1.1 kN/m2（屋面采光窗范圍為1.4 kN/m2）；③屋面活荷載取0.5 kN/m2；④基本風壓取0.45 kN/m2。

每榀桁架的兩端均設置1個吊點，共有26個吊點。根據前述整個提升過程的四個模擬階段，對計算模型進行一步步的連續疊加計算。每個階段的計算分析結果如表1所示，第四階段的應力比分布圖和變形分布圖如圖7、圖8所示。

圖7 第四階段應力比分布圖Fig.7 Stress ratio map of the fourth stage

圖8 第四階段變形分布圖Fig.8 Deformation map of the fourth stage

表1 提升施工過程中桿件的應力比和變形Table 1 Stress ratios and deformations of members during lifting construction

由計算分析結果可得，屋面桁架結構施工階段內力較小，說明結構安全度還是較高的；第四階段整個結構組裝完畢后，施加使用荷載進行計算可得，最大變形為175 mm，跨度為72 000 mm，由175/72000=1/411<1/250可知，滿足規范要求；應力比均小于1，最大應力比為0.71。通過位移計算結果可得，前三個階段桁架施工時位移增量在1 mm左右，這說明桁架結構的施工對整體結構的影響不是很明顯。

3.3 整體提升過程中不同步的驗算

在屋蓋結構整體提升過程中，吊點豎向不同步的情況是有可能發生的，各提升點位移差的出現將會對結構受力狀態產生很大的影響。所以當可能出現位移差的情況時，需要計算分析結構的受力情況，進而使桁架的安全性和可靠性在提升過程中能夠得到保證。在提升過程中，提升成套設備配置有不同步響應系統，該系統允許提升施工存在設定幅度內的不同步，但是如果不同步幅度超過了設定值，那么提升設備將會自動啟動響應系統來確保提升施工的安全性。通過計算機同步控制系統對鋼屋蓋桁架結構提升全過程進行實時的監測，并將不同步提升位移控制在20 mm以內。

提升點有26個之多，存在多種位移不同步的工況。有必要從中選出較為危險的情況，提升點的位移差將導致構件內力增加甚至變號，經論證分析對比［13］，選出如下的七種比較危險工況進行計算分析。

工況一：設置提升點A-3/5作為不同步提升點1，對其單獨施加20 mm的位移差，其余提升點則設置零位移差，對結構自身進行復核。

對于工況二～工況七則分別設置提升點C-3/5、D-3/5、E-3/5、F-3/5、G-3/5、H-3/5為不同步提升點2～7，對不同步提升點單獨施加20 mm的位移差，其余提升點設置零位移差，對結構自身進行復核。

在計算過程中，只考慮整個結構的自重荷載，為了使計算模型重量與實際提升重量相符，將模型鋼材密度放大了1.21倍。七種工況下分析所得結果如表2所示，桁架最大應力比出現在工況七中，最大應力比為0.54，工況七應力比分布圖如圖9所示，最大變形出現在工況一中，最大變形為142 mm，工況一變形分布圖如圖10所示。

圖9 工況七應力比分布圖Fig.9 Stress ratio map of the working condition seven

圖10 工況一變形分布圖Fig.10 Deformation map of the working condition one

表2 提升過程中提升點不同步時桿件的應力比和變形Table 2 Stress ratio and deformation of the rod when the lifting points are not synchronized during the lifting process

通過計算結果可知，考慮了提升過程中控制系統不同步時的分析，在提升過程中桿件最大應力比與均勻提升時差值在0.02以內，最大變形差值在2 mm以內，均表明施工過程中能夠保證安全。這也表明，屋蓋結構整體性較好，對邊界條件的變化具有很好的內部調節能力。

4 結 論

整體同步提升技術是目前大跨度鋼結構主要的安裝方法之一，而創新的結構施工技術必須有完善的施工過程仿真分析做保證。本文通過對整體提升過程中每個施工階段和多個吊點位移不同步工況中桁架桿件的應力比和變形的計算，解決了提升過程中相關技術問題，確認了該提升方案的可行性與合理性。在確定施工方案時，應該考慮結構體系特點和現場的具體條件，并且按照定量的計算數據進行分析；采用較為合理的數值模型，進而定量分析復雜結構施工過程中的重要環節，這樣對于判斷施工方案的合理性和可行性是有利的，可以實現有效的事前控制。本工程施工技術和施工過程分析也可供類似項目借鑒參考。