大跨度鋼結構連廊施工技術*

周春雨，徐 斌，張愛紅，曹遠征，郭 超，劉秀麗

(1.中建八局第一建設有限公司，山東 濟南 250100； 2.日照市城鎮化建設服務中心，山東 日照 276800； 3.萊西市建設工程和人防服務中心，山東 萊西 266600；4.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033)

0 引言

近年來，隨著我國社會經濟的發展，建筑行業進入高速發展階段。鋼結構作為常見的結構體系之一，在建筑領域被廣泛應用。大跨度鋼結構連廊作為高層建筑工程項目間的一種架空結構，是建筑體系中的重要組成部分，由于其造型美觀、施工周期短，且可實現建筑體間的空間共享，被廣泛應用于大型公共場館及超高層建筑中[1]。大跨度鋼結構連廊整體安裝是施工中的重難點，傳統的高空散裝方式存在較大的安全和質量風險，現場機械設備很難滿足吊裝要求，且高空組拼胎架難以搭設，不利于鋼結構現場安裝的安全、質量及工期控制；若采用腳手架支撐，腳手架搭設密度大、高度大、搭設和拆除周期長，受影響施工工序多，不利于工期控制。本文結合某工程大跨度鋼結構連廊施工技術進行分析，詳細介紹分段吊裝和整體提升相結合的施工方案，該方案大大降低了安裝施工難度，保證了結構質量安全，有利于工期和施工成本控制[2]。

1 工程概況

本工程鋼結構連廊主要由兩側的鋼桁架通廊和中央的鋼網殼球體組成(見圖1)。結構總長度為59.4m，跨度為55.8m，樓面高度為35.8m，連廊中間球體頂部高度為44.0m。鋼桁架桿件規格包括□150×6，□400×30等，材質為Q355B(□400×30為Q460B)。鋼網殼桿件規格包括φ245×16，φ530×30，材質為Q355B(φ530×30，φ400×30為Q460B)。

圖1 大跨度鋼結構連廊

連廊施工最大安裝標高為45.050m。連廊重約560t(不含樓承板)，提升部分重約300t(不含樓承板)。

連廊與兩側主體結構采用4個球形支座連接，如圖2所示，其中支座ZZ-1為固定鉸支座(見圖3a)，ZZ-2為單向滑動支座(見圖3b)，ZZ-3為雙向滑動支座(見圖3c)。3種球形支座型號及基本參數如表1所示。球形支座具有承受額定豎向荷載并各向轉動的功能。

圖2 球形支座布置

圖3 球形支座

表1 3種球形支座型號及基本參數

2 鋼結構連廊安裝施工方案

由于鋼結構連廊安裝標高較大，采用兩側分段吊裝+中間整體提升的施工方案，可大大降低安裝施工難度，有利于質量、安全、工期和施工成本的控制[3]。由連廊兩端向中間施工，先對兩側桁架通廊部分進行分段吊裝(見圖4)，先吊裝35.800m以下部分，再吊裝35.800m以上部分，然后拼裝中間區域的鋼網殼球體部分并進行整體提升。

圖4 分段吊裝施工

施工機械設備包括50t(提升施工區域)，110t(分段、分塊吊裝區域)，220t汽車式起重機各1臺，4臺液壓提升器。兩側通廊吊裝最重分塊為N01和N02，分別重21.4t。220t汽車式起重機(臂長57.7m)作業半徑為18m時，起重能力為24-1.5(吊鉤重)=22.5t>最重分段21.4t，因此滿足要求。

2.1 兩側通廊分段吊裝施工

兩側通廊具體安裝工序如圖5所示。首先進行N01分塊吊裝，隨后在N01的基礎上吊裝Q01分塊，繼續吊裝前兩者對稱的N02，Q02分塊，然后對端部進行散裝，最后吊裝Q03，Q04分塊及桁架間補桿，完成連廊一側吊裝。同理可完成連廊另一側吊裝。

圖5 通廊吊裝施工

2.2 中間區域整體提升施工

中間區域鋼結構在安裝位置正下方地面上拼裝成整體，采用超大型構件液壓同步提升技術將其整體提升到位。

采用1臺50t汽車式起重機由下往上進行拼裝(見圖6)，內部桁架結構首先安裝主貫通弦桿(下部通過單管支撐)，后裝腹桿；外部殼體首先安裝上、下相鄰2層環向結構(下部通過單管及內側支撐架支撐)，后塞裝2層環向結構間的桿件，以此類推，逐層安裝[4]。

圖6 中間區域鋼結構拼裝分段

整體提升流程如下。

1)在安裝位置正下方地面拼裝被提升單元。

2)設置臨時提升措施，安裝液壓同步提升系統設備，在提升梁相應位置設置4個上吊點，各吊點配置1臺YS-SJ-180型液壓提升器[5-6]。在提升上、下吊點間安裝專用底錨和專用鋼絞線。每臺液壓提升器處各設置1套行程傳感器，以測量提升過程中各液壓提升器的提升位移同步性。調試液壓提升系統，按設計荷載的20%，40%，60%，70%，80%，90%，95%，100%的順序逐級加載，上升過程采取平動移動，使各提升點位移完全同步，如此可使鋼連廊內力變化最小[7-8]。提升單元離地150mm后，在空中停留12h進行全面檢查(包括吊點結構、承重體系和提升設備等)，各項檢查正常無誤，再進行正式提升[9-10]。

3)再次檢查鋼結構提升單元，確認無異常后將桁架結構提升至設計高度。根據需要，對整個液壓提升系統中各吊點的液壓提升器進行同步微調(上升或下降)。微調精度可達毫米級，完全能滿足結構安裝的精度要求。

4)將提升單元提升至距設計標高約200mm時，暫停提升；各吊點微調使結構精確提升到達設計位置；后裝桿件安裝，使提升單元結構形成整體穩定受力體系。拆除液壓提升系統設備及相關臨時措施，完成提升單元整體提升安裝。

2.3 臨時提升措施

本工程共設置4個提升架，Z1和Z2，Z3和Z4上部設置提升梁，每個提升梁上設置2個提升點，提升架下部通過轉換鋼梁(H594×302×14×23，Q345B)搭到下部土建梁上，如圖7所示。

圖7 提升架布置

在液壓提升器提升或下降過程中，每臺液壓提升器須事先配置好導向架，方便液壓提升器頂部預留的鋼絞線導出順暢。

2.4 鋼連廊提升過程監控

液壓同步提升施工技術采用傳感監測和計算機集中控制。施工過程中應滿足以下要求：①應盡量保證各提升吊點的液壓提升設備配置系數基本一致；②應保證提升(下降)結構的空中穩定，以便提升單元結構能正確就位，即要求各吊點在上升(下降)過程中能保持一定同步性(誤差±20mm)。

根據以上要求，制定控制策略。將集群液壓提升器中的任意提升速度和行程位移值設定為標準值，作為同步控制策略中速度和位移的基準。在計算機的控制下，其余液壓提升器分別以各自的位移量進行跟蹤對比，根據兩點間位移差進行動態調整，保證各吊點在提升過程中始終保持同步。

3 施工過程數值模擬分析

3.1 提升架施工過程數值模擬

采用有限元軟件MIDAS Gen進行數值模擬。立桿和頂部鋼梁采用梁單元模擬，腹桿采用桁架單元模擬，提升架底端采用鉸接邊界條件。

1)提升架設計考慮的荷載 ①自重荷載D提升架自重D1，自重系數取1.1，由軟件自動計算；②活荷載L位于提升架頂部提升橫梁端部上吊點處所受豎向荷載L1=-953.3kN，L2=-933kN；③風荷載W取當地10年一遇基本風壓ω0=0.4kN/m2，風壓高度變化系數μz=1.57，風振系數βz=1.5，體形系數μs=1.62，風荷載折算為線荷載施加在提升架立桿上。

2)位移計算結果 提升架變形結果如圖8所示，提升架水平方向最大變形為46mm<45 000/400=112.5mm，滿足規范要求；最大豎向位移為-31.10mm， 滿足精度要求，不需對提升架高度進行變形補償。

圖8 提升架變形結果(單位：mm)

3)應力比計算結果 提升架應力比如圖9所示，提升架桿件最大應力比為0.77，其中，立桿B180× 7最大應力比為0.60<0.9，腹桿B80×5最大應力比為0.43<0.9，頂部轉換橫梁最大應力比為0.70<0.9，提升橫梁最大應力比為0.70<0.9，均滿足承載能力要求。

圖9 應力比云圖

4)提升架整體承載力驗算 按照自重荷載+活荷載組合進行屈曲分析，考慮6個屈曲模態。選取低階屈曲模態的屈曲因子作為提升架承載力極限值。由計算結果可知，提升架在接近4倍設計荷載作用時整體發生失穩。提升架穩定性滿足設計要求。

3.2 連廊結構施工過程數值模擬

3.2.1結構變形分析

采用有限元軟件MIDAS Gen對鋼結構連廊兩側分段吊裝+中間整體提升施工過程進行數值模擬分析計算，并與一次成型的鋼結構連廊結構進行變形和應力對比分析，驗證本工程施工方案的可行性和安全性。有限元軟件中僅考慮桿件自重，將施工過程中的風荷載等其他荷載影響采用增大自重系數的方式施加于結構中，自重系數取1.1。關鍵施工模擬步驟為：吊裝N01，Q01→兩側組裝完畢→中間區域拼裝→拼裝完畢→拆除吊裝兩側支撐架→完成連廊安裝。

鋼結構連廊施工模擬如圖10所示，分段安裝各施工步及一次成型結構變形結果如表2所示。

圖10 鋼結構連廊施工模擬

表2 分段安裝各施工步及一次成型結構變形 mm

由圖10，表2可知，采用兩側分段吊裝+中間整體提升分段安裝施工時，第1步結構變形<1mm，可忽略不計；第2～4施工步為中間區域提升過程，結構在3個方向開始逐步出現較大變形，其中x，y方向變形分別保持0.34，2.01mm不變，z方向略有增加；第4步完成后中間區域提升結束，此時x，y，z向變形分別為-0.34，-2.01，-2.05mm，分塊對接口位置桿件各方向變形均較小，滿足安裝精度要求；第5，6步進行支撐拆除等施工卸載，結構變形增加較大，尤其第6步完全卸載后結構變形增加顯著。其中y向增幅甚微，x向增幅較小，z向增幅最大，增加近38mm。說明大跨度鋼結構通廊分段施工中卸載過程對結構變形，尤其是z向變形影響最顯著，應該重點關注。

采用兩側分段吊裝+中間整體提升分段施工最終步產生的變形與鋼結構連廊一次成型結構的變形較接近，x，y向相差甚微，z向相差1.36mm。說明本工程采用的分段施工方案對結構變形沒有產生明顯影響。

3.2.2結構桿件應力比分析

鋼結構連廊采用兩側分段吊裝+中間整體提升分段施工各施工步結構桿件應力比和一次成型結構桿件應力比如圖11所示。

圖11 應力比云圖

由圖11可知，采用分段施工第1步構件應力比較小；中間區域提升過程第2～4施工步結構桿件最大應力比為0.26，均出現在兩側通廊部分；第5施工步為兩側通廊結構卸載過程，結構桿件最大應力比明顯增加，最大應力比為0.61<1.0，滿足施工安全要求，出現在通廊與中央球體連接附近；第6步結構卸載完成后，結構桿件大部分產生微小應力，但數值較小，對結構桿件受荷不產生明顯影響，構桿最大應力比下降到0.39，與一次成型構件最大應力比相同，說明采用分段施工方案進行鋼結構施工比較可靠、安全，且施工過程對結構構件的應力影響甚微。

3.3 附加應力分析

施工過程是結構逐步成型的過程，與原設計結構一次成型過程有較大差別，這種差別會在構件內部產生附加應力，使部分構件應力比原設計狀態大，從而降低結構構件的安全儲備，因此需對施工過程在結構桿件內產生的附加應力進行分析。

提取最終施工步結構各桿件的應力值N1及自重作用下結構一次成型桿件的應力值N2，則施工過程產生的附加應力ΔN=N1-N2。

分段施工完成后構件附加應力如圖12所示。正號表示分段施工構件應力增大，負號則表示構件應力減小。

圖12 構件附加應力

由圖12可知，構件最大附加應力為25.9MPa，大部分構件正向附加應力在±10MPa左右。總體而言，鋼結構連廊采用兩側分段吊裝+中間整體提升施工方案對結構構件受力狀況影響較小，說明該施工方案是切實可行的。

4 結語

本文介紹了某工程大跨度鋼結構連廊施工方案，根據鋼結構連廊結構特點采用兩側分段吊裝+中間整體提升的施工方案。通過對其進行有限元模擬計算分析，并與鋼結構連廊一次成型結構的變形和應力進行對比，得出以下結論。

1)由于鋼結構連廊安裝標高較大，不宜采用分件高空散裝施工方法，且鋼結構通廊由兩側的鋼桁架通廊和中央的鋼網殼球體兩部分組成，故采用兩側分段吊裝+中間整體提升的施工方案可大大降低施工難度，保證施工安全。

2)安裝卸載階段(第5～6步)結構z向變形出現大幅度增加，說明卸載過程中z向變形需重點關注。采用兩側分段吊裝+中間整體提升分段施工最終步產生的變形與鋼結構連廊一次成型結構的變形較接近，說明本工程采用的分段施工方案對結構變形沒有產生明顯影響。

3)兩側分段吊裝+中間整體提升施工方案關鍵施工步結構構件最大應力比出現在安裝卸載階段，值為0.61<1.0，滿足施工安全要求。結構卸載完成后，最大應力比減小至0.39，與一次成型構件最大應力比相同，說明采用兩側分段吊裝+中間整體提升分段施工方案進行鋼結構施工對結構構件應力影響較小。

4)兩側分段吊裝+中間整體提升施工方案會在結構構件內部產生附加應力，但對結構構件受力狀況影響較小。