剛度不均勻重載鋼結構分區域累積提升及測控技術*

杜立春

(南京市江北新區公共工程建設中心，江蘇 南京 210031)

0 引言

大跨鋼結構鋼屋蓋采用高空原位散拼或分單元吊裝，高空焊接工作量大、臨時支撐胎架數量多，且由于高空焊接工效低，整體提升技術成為大型公建場館鋼屋蓋常用的安裝方法。王建平等[1]針對國家圖書館二期工程重達10 388t的巨型鋼桁架結構體系，采取地面平面整體提升的總體施工方案，共設置28個提升點，提升高度為15.65m。張明亮等[2]針對樓地面不平整的特點，將重達3.6t的湖南廣播電視臺F演播廳屋蓋鋼桁架劃分為2個提升單元，采用樓面拼裝+液壓提升+高空補桿的總體施工方案。采用整體提升技術時，上提升吊點設置往往關系到被提升結構的整體性，常規設計思路均將實際結構作為提升吊點，但應確保提升吊點結構受力在彈性范圍內。黃虎等[3]在長沙冰雪世界工程屋蓋鋼結構單榀桁架提升安裝施工時，將兩側的鋼管混凝土柱作為提升吊點，為平衡偏心荷載，在鋼管混凝土柱提升點背面增加平衡索。在整體提升方案確定的基礎上，對提升過程進行實時監測，通過監測數據控制整個提升過程的安全性。蘇杭等[4]在六安體育中心體育館大跨度鋼結構屋蓋結構多點不對稱整體提升施工過程中進行了實時監測；劉文超等[5]針對異形曲面大跨度鋼結構連廊整體提升監測技術難題，進行整體提升工況下監測測點布置和測試方法的研究。通過對比分析監測數據與施工過程有限元結果[6-10]，可更加精確地控制整個提升過程，確保提升施工全過程的安全性和可靠性。

本文結合南京市江北新區市民中心規劃展覽中心鋼結構施工，分析研究剛度不均勻重載鋼結構分區域累積提升和測控關鍵技術，以期為類似工程施工提供借鑒。

1 工程概況

南京市江北新區市民中心工程占地面積約82畝(1畝≈667m2)，總建筑面積約7.5萬m2，其中，地上約4.9萬m2，地下約2.6萬m2。地下1層，地下室底板埋深6.2m。地上部分主要由2棟獨立塔樓組成，其中市民活動中心3層，規劃展覽中心5層。規劃展覽中心鋼結構如圖1所示，其平面投影呈圓形(直徑104m)，豎向4個核心筒(方形鋼框架支撐筒)落地，樓層框架結構標高18.970～40.170m(高21.2m)，共5層，其中上部3層為桁架結構，下部2層為吊掛結構；樓層框架通過8榀主桁架及外圈桁架與核心筒4個四肢格構柱連接承載。

圖1 規劃展覽中心鋼結構

規劃展覽中心結構總體采用鋼框架-支撐結構體系，總用鋼量約13 000t，主要構件包括格構組合柱、平面桁架、弧形桁架、吊掛框架、屈曲支撐等，主要截面形式有箱形、H形、圓管等，主要結構材質有Q345B，Q345GJ等，樓板主要采用鋼筋桁架組合樓板。

2 施工重難點分析

為有效縮短施工工期、減少高空焊接工作量，南京市江北市民中心規劃展覽中心鋼結構采用桁架結構層整體提升+吊掛結構層高空散裝的綜合施工方案。結合施工現場場地條件和提升結構特點，分析該項目施工重難點如下。

1)施工場地狹小，地基承載力差 由于該項目采用市民活動中心和規劃展覽中心同步施工方案，規劃展覽中心基坑施工場地狹小，基坑內無法進行桁架層結構整體拼裝成型，部分結構需在基坑頂部拼裝，待在基坑底部拼裝的鋼結構提升至基坑頂安裝高度且對接安裝后，才能形成桁架層的整體結構。此外，由于地下室筏板僅500mm厚且下部土質承載力弱，重型起重機械吊裝作業易造成筏板損壞，不僅限制了起重機選型，且需復核各種不利工況下筏板受力安全性。

2)提升結構重量大，剛度不均勻 規劃展覽中心頂部3層桁架結構重5 300t，包括直徑104m的環桁架、長45m的8榀主桁架及環桁架與主桁架間的連接桿件。由于4個核心筒先安裝至設計標高，擬提升結構在核心筒處需斷開連接，整體剛度較好的桁架層結構被分割成剛度較大的環桁架+剛度離散的4組主桁架結構，導致擬提升結構剛度不均勻。

3)提升點數量多，控制難度大 擬提升結構包括環桁架和8榀主桁架，利用已安裝成型的核心筒鋼結構作為提升支撐點，共設置24個提升點。由于各提升點提升力差別較大，對施工同步控制要求高，且因地面拼裝條件限制，第1階段先提升3/4不規則結構，第2階段桁架層結構整體提升，如圖2所示。2次提升結構重量差異大、形心偏離大，提升過程受力復雜。此外，利用4個高度近50m格構柱框架核心筒單獨作為提升點，提升過程中整體穩定性控制難度大。

圖2 桁架層結構的累積提升

4)對接焊口數量多，精度要求高 由于擬提升3層桁架結構的8榀主桁架均與核心筒斷開，環桁架與伸臂桁架間也斷開，桁架結構層提升就位后需對接的焊口數量達97個。此外，構件跨度較大，節點復雜且大部分為焊接節點，因此需考慮如何使鋼構件快速安裝就位，有效避免構件吊裝變形；同時需保證構件空間焊接位置精準對接，構件拼接的幾何尺寸精度要求較高。

5)施工工期緊，組織管理難度大 項目實施過程中存在多項立體交叉作業，為確保項目的安全施工，加大了施工組織管理難度。此外，存在分2階段的累積提升施工、規劃展覽中心和市民活動中心同步施工等多項施工組織管理，整個項目的組織管理難度較大。

3 累積提升施工關鍵技術

南京市江北新區市民中心規劃展覽中心桁架層結構提升是我國最大直徑(100m)鋼環梁結構首次采用整體提升技術施工，也是我國首例剛度不均勻重載鋼結構提升工程。在項目方案策劃階段及實施階段，均形成了多項關鍵技術，結合上述施工重難點分析，對該項目的累積提升施工關鍵技術進行總結。

3.1 吊點設置

規劃展覽中心桁架結構層與4個核心筒結構切割斷開后，被提升結構在平面上變得較離散，4個核心筒間為剛度較大的主承力桁架，核心筒外圍為環桁架，主承力桁架與環桁架間為剛度較弱的連系桿件。利用4個核心筒進行提升上吊點布置，為確保被提升結構的受力安全性，擬定在剛度較大的主承力桁架、環桁架上均設置提升吊點的方案。同時，從提升設備投入量、各提升點受力均勻性等方面考慮，每個核心筒對應的環桁架設置2個提升吊點，且吊點位置直接布置在環桁架上，如圖3所示。這種布置方式使核心筒鋼結構在提升過程中受力不均勻，有一個鋼柱部位無提升吊點，需對最不利提升工況下的核心筒鋼結構進行安全性復核驗算，結果如圖4所示。最不利提升工況下的核心筒鋼結構最大變形為-33.8mm，桿件應力比最大值為0.749<1，核心筒鋼結構安全性滿足要求。

圖3 吊點布置

圖4 最不利工況下核心筒安全性復核結果

3.2 累積提升有限元分析

根據被提升結構的構件布置(含臨時加固桿件)、吊點設置等，建立有限元模型(含提升吊索)，模擬實際提升過程。通過有限元分析，可準確估算被提升結構整體重量，并能提取各提升吊點提升力，用于提升千斤頂和鋼絞線的選擇。此外，除模擬提升吊點同步提升工況外，需模擬提升吊點不同步提升的多個工況，并根據分析結果，進一步核算提升千斤頂和鋼絞線的安全裕度及各工況下的結構變形和應力，給出提升吊點不同步控制偏差值。

根據該項目累積提升特點，分別進行階段1，2工況下的提升多工況分析，結果如圖5所示。得出被提升結構的整體重量約為53 000kN，結合不同步多工況分析，確定選用16臺TJJ-3500型(主桁架)和8臺TJJ-5000型(環桁架)液壓提升器，額定提升能力分別為3 500，5 000kN；選用1 860級φs17.80高強鋼絞線，主桁架每個吊點18根鋼絞線，環桁架每個吊點24根鋼絞線。

圖5 累積提升多工況有限元分析結果

不同步提升多工況應力曲線如圖6所示。根據厚40mm及以上Q355B鋼材屈服強度為335MPa，以控制被提升結構桿件均在彈性范圍內為目標，即取有限元分析結果中桿件應力達到268MPa(80%屈服應力)作為控制目標。由圖6可知，結構桿件最大應力出現在主桁架提升吊點單點出現不同步時，不同步位移達50mm時，最大桿件應力為231.69MPa；不同步位移達到60mm時，最大桿件應力為271.97MPa。因此，該項目最終確定各提升吊點的不同控制偏差值為50mm。

圖6 不同步提升多工況桿件應力曲線

3.3 累積提升同步控制技術

該工程采用頂部3層桁架結構地面拼裝完成后整體提升，提升總重約53 000kN，總提升高度約37m，分2個階段，2次被提升結構重量差異大，形心偏離大，提升過程受力復雜。提升采用吊點油壓均衡、結構姿態調整、位移同步控制、分級卸載就位的同步提升和卸載就位控制策略。液壓同步控制系統由動力控制、功率驅動、計算機控制等系統組成，提升過程通過泵源系統、液壓提升器提供動力輸出，通過傳感器監測、計算機同步控制系統配合控制。通過數據反饋和控制指令傳遞，實現同步動作、負載均衡、姿態矯正、應力控制、操作閉鎖、過程顯示和故障報警等多種功能。平穩實現不均衡多吊點的鋼桁架結構向規則整體桁架的累積提升。

實際提升過程中，以被提升結構有限元分析的各吊點提升力為控制目標，對各提升吊點處的提升設備進行分級加載，依次為20%→40%→60%→80%，經全面檢查且確認無異常后，繼續加載至 90%→100%，直至被提升結構全部離地。被提升結構即將離開拼裝胎架(或地面)時，可能存在各點不同步的情況，應密切觀察各點離地情況，必要時做單點提升，確保結構平穩離地，各點同步。被提升結構離地約200mm后懸停12h，對被提升鋼結構連接節點、提升支架、吊具及各提升設備進行專項檢查。懸停且檢查完成后，進行正常的提升作業，由于各提升吊點荷載值不同，為確保提升的同步性，每提升5m進行一次整體調平，確保提升過程中各吊點基本同步。

在整個同步提升過程中應隨時檢查以下內容：①各吊點提升器受載均勻情況；②上吊點平臺的整體穩定情況；③鋼結構提升過程的整體穩定性；④計算機控制各吊點的同步性。同時，液壓提升動力系統監視以下項目：①系統壓力變化；②油路泄漏；③油溫變化；④油泵、電機、電磁閥線圈溫度變化；⑤系統噪聲。

4 累積提升測控關鍵技術

對于剛度不均勻重載鋼結構提升全過程的安全控制，一方面需細化擬定的施工方案，解決實施過程中的重難點問題，另一方面需對提升進行全過程監測，通過監測數據的反饋，進一步精細化控制各吊點提升同步性。在實施過程中，結構拼裝階段即進行桿件應力應變監測儀器、下吊點同步性監測儀器的安裝及調試。被提升結構在地面拼裝完成后，調試完成各類監測儀器并實現在線自動化采集。在累積提升過程中，應分3個階段分別進行測控。

1)離地階段 根據有限元分析階段進行離地提升，每次分級加載后均應進行關鍵桿件應力應變數據采集和分析，檢查相關受力點結構狀態。同時，通過安裝于下吊點的靜力水準儀及全站儀跟蹤監測鋼結構高差及下撓，以便進行離地后的整體調平，加載階段各項監測數據均應做好完整記錄。

2)提升階段 由于提升階段被提升結構相對于核心筒(提升架)為運動狀態，在線監測應按結構分區域布置采集儀器，且應確保電源穩壓供應。4個核心筒均為獨立的提升架，每個核心筒均需布置1臺關鍵桿件應力應變采集箱，如圖7所示。被提升結構的下吊點同步性監測采用靜力水準儀與圖3吊點對應，共布置24個測點，選取其中1個測點為基準點，在線監測各提升吊點相對位移，控制累積提升階段的同步性(相對高差≤50mm)。與常規上吊點同步性監測方法相比，避免因提升吊點變形及鋼絞線夾片錯動導致的下吊點相對高差較大，能更加精確地確保被提升結構的整體同步性。

圖7 桿件應力應變測點布置

3)卸載階段 待被提升結構提升就位后，進行對接口的焊接和桿件嵌補，直至整個桁架結構層結構體系完成。結構體系成型后，需對24個提升吊點進行卸載，卸載過程實現整個結構體系的轉換，因此，在卸載階段同樣需對關鍵桿件應力和結構變形進行監測，一方面可驗證結構受力是否滿足設計，另一方面可確保整個卸載過程的安全性。監測結果顯示，卸載前、后關鍵桿件應力變化率<30%，應力變化值均<35MPa，未出現應力激增的情況，整個卸載完成后結構應力分布符合設計要求。卸載前、后，對環桁架成形圓度進行精確測量，100m直徑圓最大測量偏差為35mm，豎向位移主要集中在主桁架跨中，最大豎向位移達5mm，均符合設計要求，實際完成效果如圖8所示。

圖8 項目完成效果

5 結語

1)為解決鋼桁架整體原位拼裝的技術難點，通過數值模型確立合適的桁架精度控制點及起拱值，并對結構關鍵控制點變形進行預測與反饋。提出剛度不均勻重載鋼結構提升全過程有限元分析方法，考慮提升不同步的影響，對提升施工進行全過程分析，確定施工整體和關鍵分步施工流程，并確定流程間的銜接關系。

2)提出剛度不均勻重載鋼結構提升吊點優化設置方法，研發多點位、大差異整體同步提升控制系統和空間離散多接口精準對接控制關鍵技術，解決了復雜鋼結構整體提升多點位同步控制和精準定位的難題。

3)下吊點豎向相對位移實時監測反饋完善了基于有限元分析結果的關鍵位置應力與變形測控方法，基于多吊點靜力水準儀高精度監測施工技術和全過程伺服式施工監測技術，開發剛度不均勻重載鋼結構整體提升過程的監測及預警系統，增強了提升全過程的可控性，保障了復雜工況下施工的安全性。

該工程為我國首例最大直徑鋼環梁整體提升工程，也是我國首例剛柔結合型整體提升工程，施工技術的應用，可極大地提高施工效率、質量和安全，縮短工期212d，焊接安裝質量優良率98%，節約建造成本2 365萬元，可為后續同類鋼結構項目提供借鑒。