雙塔高層鋼拱連體結構的安裝施工

李今興 王 勇

1. 杭州雙塔置業有限公司 浙江 杭州 310013；2. 杭州宋都房地產集團有限公司 浙江 杭州 310013

大跨度鋼拱結構在市政橋梁工程項目中應用較為廣泛，在民用建筑中主要應用于一些體育建筑，如文獻[1]中采用的步進式頂推滑移施工方法。

本文重點介紹了在民用雙塔高層建筑間設置鋼拱連橋的施工方案，通過綜合比較和施工模擬分析，創新性采用了地面低空拼裝、旋轉起扳提升、高空嵌補連接的方式，目前該鋼拱連橋已完成結構施工，從實際實施效果來看，工期得到了有效控制，綜合成本得到了有效節約。

1 工程概況

杭州之門項目位于杭州市蕭山區錢江世紀城，為辦公樓、酒店及商業等一體的綜合大型項目，如圖1所示，用地面積約77 572 m2，總建筑面積約為513 226 m2。項目包括2幢高302.6 m的對稱塔樓，塔樓地上63層，地下室3層，總建筑面積約513 226 m2，其中地上建筑面積約359 454 m2，地下建筑面積約153 772 m2。

圖1 杭州之門項目總體效果圖

雙塔間在底部設有跨度約60 m、高約22 m的鋼拱連橋，連橋上方設有懸垂屋面體系。連橋與塔樓在±0 m層以上通過伸縮縫完全脫開，懸垂屋面從雙塔21層的懸挑鋼桁架端部挑出，懸垂屋面與鋼拱連橋間沒有豎向約束，豎向變形相互不影響。鋼拱連橋包括底層鋼拱結構層、拱上柱梁結構、6層型鋼桁架結構。底部為6榀鋼拱桿件，采用連接桿連接，拱上柱梁為H型鋼構件，拱頂標高以上設有5層鋼結構樓面，樓面上支撐有6層鋼結構屋面結構（圖2）。

圖2 鋼拱連橋施工單元劃分示意

2 鋼結構施工特點和難點

本工程鋼拱連橋造型獨特新穎，結構節點復雜，制作和安裝的精度要求高。且焊接構件采用了大量中厚板材，厚板的焊接質量對本工程有直接的影響，確保高強鋼厚板焊接質量是本工程的重點之一。鋼拱結構采用地面低空拼裝，旋轉提升過程中的鋼拱及節點受力需要進行全過程模擬計算。旋轉提升后在鋼拱中間部位進行高空焊接嵌補合攏，施工測量精度要求高，且施工時必須以合理的施工工序并選擇合適的氣候環境對變形予以控制，以減少鋼拱產生的次應力。每2榀鋼拱合攏完成后需要安裝橫向連接桿件將兩整榀鋼拱形成穩固單元，并需通過計算模擬來判定內力轉換過程中結構和臨時支撐的安全性和穩定性。

3 施工方案的確定及計算模擬分析

本項目的鋼拱連橋平面結構如圖3所示。

圖3 6榀鋼拱及提升支撐架平面布置

根據本項目鋼拱連橋的結構特點及工期控制要求確定對6榀鋼拱分別分2段進行地面低空拼裝，并在半榀鋼拱的塔樓根部一端設置轉軸，另一端設置高空塔吊標準節支撐架，支撐架上端設置提升設備。待每半榀鋼拱拼裝完成后，采用提升設備將鋼拱旋轉起扳提升至鋼拱安裝的高度位置，如圖4所示。待2個半榀鋼拱均采用同樣方法提升至安裝位置后，對鋼拱最中間的一支后裝段進行嵌補安裝，鋼拱最大提升質量64 t。待相鄰兩整榀鋼拱均按照此施工方法完成安裝后，將兩整榀鋼拱之間的橫向連接桿件進行安裝，以便使兩整榀鋼拱形成穩固單元，南側2榀和北側2榀鋼拱均按此方法進行安裝。對于中間2榀鋼拱，由于起扳提升行程相同，對其采取同步提升的方法進行施工，拼裝方法與其他4榀鋼拱相同，起扳提升時同側的2個半榀鋼拱同時起扳提升。待6榀鋼拱構件均安裝完成后，依次安裝鋼拱上方3—5層的立柱和樓層梁，最后進行6層17榀型鋼桁架的安裝。為驗證該施工方案的安全性和穩定性，采用有限元軟件對鋼拱的旋轉起扳提升結構的應力和變形等受力狀況進行了綜合分析，計算結果如圖5、圖6所示。

圖4 1/2結構即半榀鋼拱起扳提升模型

圖5 起扳提升開始狀態拱肋應力變形

圖6 起扳提升結束狀態拱肋應力變形

起扳提升開始時，拱梁最大應力比為0.21＜1.00，結構懸挑端最大豎向變形為37 mm，為懸挑長度的1/378，小于1/200，均滿足規范要求。為驗證旋轉起扳提升塔架的安全性和穩定性，采用有限元軟件對支承結構進行了有限元仿真分析，計算結果如圖7、圖8所示。

圖7 支承塔架應力分布

圖8 支承塔架變形分布

起扳提升時，結構最大應力比為0.97＜1.00，支架頂部最大水平變形為210 mm，其高度約為23 000 mm，變形為高度的1/110，滿足規范要求。

為驗證旋轉鉸接點的應力情況，采用了Ansys軟件對局部節點進行了結構建模，并根據旋轉起扳過程中產生的最大節點力分析應力和變形等受力狀況，如圖9所示。

圖9 旋轉鉸接點應力和位移云圖

根據以上結果可知，節點最大應力為53 MPa＜295 MPa，最大變形為0.2 mm。結構的強度和剛度均滿足要求。

根據對鋼結構、支承塔架及旋轉鉸接點的有限元模擬計算，提升過程中產生的應力和變形均在可控范圍之內，滿足施工過程中安全性和穩定性要求，且施工過程中對鋼拱結構產生的次應力對原設計的影響基本可以忽略不計。

4 主要施工技術

4.1 鋼拱連橋構件的分段

為了保證構件質量滿足塔吊額定荷載，以及保證構件長度滿足運輸要求，需對鋼拱連橋的箱形鋼拱桿件、鋼拱上方立柱、鋼拱端部立柱以及鋼拱6層桁架進行分段。

4.2 鋼拱構件安裝工藝流程

鋼拱分段拼裝及旋轉起扳提升安裝的主要施工工藝流程如圖10所示。先搭設先拼裝的半榀鋼拱的高空提升支撐架，在鋼拱兩側各設1個支撐架，在2個支撐架上端設置提升橫梁，在橫梁上安裝提升設備（支撐架高度高出鋼拱的就位高度，支撐架高度22.400 m，鋼拱高度 20.225 m）。

圖10 鋼拱桿件地面低空安裝流程

采用提升設備將先拼裝的半榀鋼拱旋轉起扳提升至安裝高度，同步可以將后拼裝的半榀鋼拱的端部剩余桿件拼裝完成，如圖11所示。再按照先拼裝的半榀鋼拱的操作流程，搭設后拼裝的半榀鋼拱的高空提升支撐架，在鋼拱兩側各設1個支撐架，在2個支撐架上端設置提升橫梁，在橫梁上安裝提升設備（支撐架高度高出鋼拱的就位高度，支撐架高度22.400 m，鋼拱高度20.225 m）。

圖11 左側鋼拱旋轉起扳提升安裝流程

采用提升設備將后拼裝的半榀鋼拱同樣旋轉提升至安裝高度，如圖12所示。

圖12 右側鋼拱旋轉起扳提升安裝流程

最后吊裝2個半榀鋼拱中間的嵌補段鋼拱桿件，整榀鋼拱的拼裝和安裝過程均按照設計圖紙要求的起拱值進行起拱，至此整榀鋼拱安裝完成，如圖13所示。

圖13 中間嵌補段安裝流程圖

6榀鋼拱中，TB-G軸、TB-F軸南側2榀鋼拱與TB-A軸、TB-B軸北側2榀鋼拱均為箱形鋼拱桿件，TB-E軸、TB-C軸中間2榀為H形的鋼拱桿件。先將中間2榀提升行程相同的鋼拱同步完成提升安裝，然后再對南側、北兩側剩余的4榀鋼拱分別進行提升安裝。

4.3 鋼拱拼裝測量校正

鋼拱橋構件的拼裝與常規結構鋼梁的拼裝測量方法相同，即根據每段鋼拱桿件端部的坐標對其進行拼裝定位測量。拼裝測量工作主要包括以下方面：坐標提取、確定支撐柱高度、桿件坐標調整校正、拼裝桿件定位。

5 結語

在本項目雙塔高層建筑中間的鋼拱連橋施工中，通過合理地采用地面低空拼裝、旋轉起扳提升、高空嵌補連接的方式，相比常規的滿堂腳手架方案，在工期控制上節約1/3以上工期，工程造價節約60萬元。