某鋼網架施工平臺的施工過程分析

金偉峰 武詣霖

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

隨著鋼結構的大力推廣和鋼結構技術的不斷成熟，鋼結構的應用范圍日益廣泛，鋼結構的數量也增長迅速。在眾多的結構形式中，鋼網架結構以其眾多優點廣受推崇。比如，其結構組成形式靈活多樣但又具有高度的規律性；節點連接簡便可靠；加工制作簡單、機械化程度高；用料經濟、能用較少的材料跨越較大的跨度；分析計算手段成熟可靠；適應建筑工業化、商品化的要求等[1]。

我國自1964年建成了第一個網架結構——上海師范學院球類房屋蓋以來，網架結構以其眾多優點，逐漸成為了我國大跨度建筑中應用最為廣泛的一類空間結構[2]。在體育場館、影院劇院、候車廳、飛機庫房、工業車間廠房、各類倉庫等建筑中，均能看到網架結構的成熟應用。據不完全統計，近幾年我國每年建成約1 800個網架結構，覆蓋面積達300萬 m2，耗鋼量15萬 t[3]。

長期以來，工程界往往注重新建鋼結構設計理論與設計方法的研究，忽略了鋼結構在施工過程中的結構體系轉化和受力性態變化規律的研究[4]。但是現實中出現了一系列鋼結構（如工業建筑、高壓輸電塔、大型水庫閘門、海上采油設施等）野蠻施工導致的安全事故表明，應該將注意力集中到鋼結構的施工力學上來。

目前，結構施工力學的研究尚且滯后于結構設計理論與設計方法的研究，如何準確地分析鋼網架結構在施工過程中邊界條件、荷載條件、傳力路徑和受力性態的變化，定量評價鋼網架結構在施工過程中的安全性，已成為當前研究鋼網架結構的重要內容。

1 工程背景

某屋蓋工程擬安裝1副支承于11棟混凝土塔樓頂部的鋼——鋁合金組合結構單層自由曲面網殼。塔樓之間的最大間距為130 m，為了給混凝土塔樓直接的網殼結構提供施工界面，擬在塔樓之間搭設若干鋼結構雙層平面網架臨時施工平臺。

本文擬對其中一個關鍵位置的鋼結構雙層平面網架臨時施工平臺進行施工過程分析，定量分析該網架平臺在施工過程中的安全性。

該平臺為雙層平面網架結構，全部采用Q345B鋼材加工而成。網架高度3 m，最大跨度130 m，支承于16個塔樓外伸的鋼支架及6個格構式臨時支撐塔架上（圖1）。

圖1 平臺提升吊點

該網架平臺于地面胎架拼裝，隨后整體提升至80 m高空，并完成鋼絞線與永久支座的傳力路徑置換，隨后逐級加載至最大使用荷載。

提升總質量約740 t，采用“鋼絞線承重，液壓千斤頂集群作業，計算機同步控制”的提升安裝工藝。在77.0 m標高處設置提升支架，布置穿心式液壓千斤頂及液壓泵站作為提升設備，吊點共計20個。

2 提升階段鋼平臺受力分析

2.1 分析模型

建立兩側塔樓的結構模型（圖2），按實際情況建立依附于2棟塔樓的提升鋼架，與鋼網架平臺在提升點處建立桁架單元連接。隨后建立6組格構式臨時支撐塔架模型，并在塔架與鋼網架平臺間建立桁架單元連接，模擬實際工況。

圖2 整體計算模型

2.2 荷載條件

根據鋼網架平臺結構的自身特點，以及塔樓、格構支撐提供的邊界條件，在施工過程分析中需要考慮結構自重荷載，以及高空的風荷載。

1）恒載DL：考慮鋼網架平臺及其上格構柱、格構梁的自重，由軟件自動計算，并取1.2倍放大系數以考慮節點構造、加勁板等部件的自重影響。

2）風荷載W：根據10年取基本風壓w0＝0.40 kN/m2（風速25 m/s）。最大提升高度為77 m，格構柱最高點高度為100 m，根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》，按C類地面粗糙度，100 m高度處的風壓高度系數取1.50。

格構柱的擋風系數均約為0.20，根據規范，其整體體型系數為0.54。格構柱自重較輕，周期較短，且考慮到分項系數為1.4的情況，本文取風振系數為1.0，則在100 m高度處的風壓標準值為0.324 kN/m2。風荷載按y方向施加，則格構柱上的整體線荷載標準值為0.687 kN/m。施工過程分析考慮1.2DL±1.4W、1.0DL±1.4W的荷載基本組合，以及1.0DL的荷載標準組合。

2.3 分析結果

在恒荷載工況下，鋼網架平臺結構的提升反力如圖3所示。由于鋼網架平臺上荷載分布并不均勻，因此，其提升反力并非完全對稱。最大單點提升反力為713 kN，出現在平臺東南角格構式提升支架處。

圖3 自重荷載下提升點反力分布

在全部驗算荷載組合下，鋼網架平臺結構響應如下：

格構柱在基本組合作用下，產生的最大應力為118 MPa，格構柱單肢穩定系數為0.720，可見格構柱可滿足強度和穩定承載力要求。塔樓提升塔架結構在全部荷載驗算組合下，最大應力為96 MPa，可滿足強度要求。

鋼網架平臺在恒載作用下產生的最大應力為115 MPa，可滿足強度要求；但是在恒荷載與風荷載的組合作用下，鋼網架平臺產生的最大應力為515 MPa，結構強度無法滿足要求。

2.4 基于分析結果的鋼平臺加固與優化

1）將與格構柱底腳相連的所有H M 1 9 4 m m×150 mm×6 mm×9 mm截面梁均放大為HM294 mm×200 mm×8 mm×12 mm截面梁。

2）對右側中部提升點處的結構，各增加1 根HM294 mm×200 mm×8 mm×12 mm截面梁，梁兩端鉸接處理，具體增設形式和相應分析結果如圖4、圖5所示，經加固后的鋼網架平臺可保證風載作用下的強度要求。此外，在x向風載作用下，每個格構式塔架提升點將承受約20 kN的x向水平力；在y向風載作用下，每個格構式塔架提升點將承受約40 kN的y向水平力。

圖4 鋼網架平臺角點加固示意

圖5 加固后鋼網架平臺應力分布

3 格構式塔架施工過程分析

3.1 荷載條件

格構式塔架在提升階段，承受P1平臺和上部格構柱的自重，其自身自重以及風荷載。

1）恒載DL：格構式塔架結構自重，軟件自動計算。

2）活載LL：由提升點傳遞而來的荷載，根據前文的分析結果，取承受荷載在最大的提升荷載進行分析，且考慮風載帶來的附加荷載不平衡情況，對塔架頂部2個提升點分別施加540、900 kN的豎向提升荷載。

3）風載Wx和Wy。x向風載，對格構式塔架而言其受風面的擋風系數φ＝0.345，根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》，對應體型系數為μs＝2.1×0.6＝1.26，考慮到x向受兩側既有建筑的遮擋，風載予以考慮0.5的折減系數。y向風載，對格構式塔架而言其受風面的擋風系數為0.446，根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》，對應體型系數為1.17。

此外，考慮鋼網架平臺傳遞而來的風載，在每個提升點處施加20 kN的x向水平力和40 kN的y向水平力。

3.2 塔架分析結果

在各荷載組合下，對格構式塔架結構的結構響應進行分析。由分析結果得知，格構式塔架結構在組合作用下產生的最大應力為155 MPa，底腳的最大豎向壓力為2 840 kN，最大豎向拉力為1 570 kN；活載和y向風載標準值作用下，四方架頂部產生的水平位移約230 mm；x向風載標準值作用下，四方架頂部產生的水平位移約300 mm。

活載總豎向力約1 440 kN，格構式塔架結構總自重約1 322 kN，出于安全考慮，頂部作用的總豎向力為1 440＋1 322/2＝2 101 kN。由于該位移產生的最大重力二階效應，格構式塔架底腳將產生的附加彎矩為630 kN·m，該附加彎矩將對底腳產生的附加軸壓力為98 kN。

可見該附加軸力不到最大軸壓力的5%，二階效應影響很小，前述分析結果安全可靠。綜上所述，格構式塔架結構在施工過程中安全可靠。

4 工程實施情況

首先根據上文計算得出各提升點的荷載，對應配置提升設備以及鋼絞線。完成前期平臺及相關措施的安裝工作后，進行提升設備的安裝與調試。提升主要采用了16個100 t穿心式液壓千斤頂，4個200 t穿心式液壓千斤頂，總計20個提升點。液壓千斤頂安裝前先根據提升支架及擱置箱梁預留槽口的圓心投影至鋼平臺桁架上，保證投影點與預設提升點誤差在2 cm以內，根據投影點進行下吊具的安裝，達到液壓千斤頂上下同心的效果。

根據各提升點荷載的大小對每個千斤頂配置對應數目的鋼絞線，左、右旋各一半，在地面上將鋼絞線穿入千斤頂并夾緊上下錨具，通過兩側塔吊進行千斤頂的吊裝，安裝就位后設置壓板固定，然后根據編號將泵站及分控箱吊裝到位，拉通通信線以及電源。

提升設備安裝完成后對各站點進行單獨及聯動調試，確保設備及控制系統運轉正常，整體連續提升過程如下：

1）預提懸停。準備工作就緒之后，斷開平臺與拼裝胎架的連接，平臺預提騰空約10 cm，并懸停靜置12 h以上。待結構因自重產生的變形穩定后，觀察平臺結構、千斤頂放置點的措施結構、土建原結構等變形情況，并測量復核新增提升支撐塔架的垂直度變化。

2）平臺整體連續提升。懸停12 h后，平臺進行整體測量與初始狀態比較，平臺調整姿態后正式開始提升。平臺整體提升是采用計算機控制各站點泵站，通過穿心式液壓千斤頂集群實現鋼平臺全自動同步提升。提升過程需要在外部使用測量儀器觀測平臺高度和高差，實時調整平臺狀態。鋼平臺在提升過程中的整體高差應控制在設計允許范圍內，以保證各提升點的同步性滿足要求。各提升點的提升荷載或高差出現異變或被提升結構的變形超出相應值時，應立即停止提升。

3）落架終固。連續提升至就位位置附近時，將計算機自動控制調為人工手動控制，連接轉換階段需超提3 cm預留施工作業面，然后關閉油缸保持結構，進行反力架銷軸的安裝和塔架牛腿的焊接，最后通過下降行程將鋼絞線上的荷載全部轉移至塔樓反力架和新增塔架2個承重結構上，測量平臺平整度，檢查全數擱置點并墊平抄實，落架完成。

5 結語

本文針對某鋼結構雙層平面網架臨時施工平臺及格構式臨時支撐塔架進行施工過程分析，定量分析了網架平臺與塔架在施工過程中的受力性態，并根據施工過程分析結果，對鋼網架平臺進行了加固補強。對于整體提升施工的結構，其提升過程中的邊界約束遠沒有使用階段穩固，在極端風荷載作用下，結構應力有可能與本文中情況一樣，超過結構在使用階段的最大應力。因此，針對整體提升施工的結構進行考慮風荷載的施工過程分析是十分必要的，本文所述的施工分析方法對類似工程具有良好的適用性。