大跨度鋼結構連廊錯層拼裝同步提升控制技術

王振海，陳 果，王 博

(東西匯(橫琴)發(fā)展有限公司，廣東 珠海 519000)

0 引言

隨著建筑施工技術的不斷進步，連體結構越來越多的出現(xiàn)在公眾的視野中[1]，此種建筑形式，使建筑外觀氣勢恢宏、整體統(tǒng)一、造型獨特，提升了建筑的整體美感。但是超大、超高、超重鋼連廊構件的吊裝給工程施工帶來了巨大難度[2-3]。近年來涌現(xiàn)了多種整體提升方式，主要有高空滑移法、高空散拼法、整體提升法、整體吊裝法和分塊吊裝法等[4-6]。龐鵬[7]介紹了重型鋼桁架錯層拼裝、多輪次提升法，根據(jù)各區(qū)域標高不同，分別進行低位拼裝，多輪提升。本文結合工程項目的實際特點，在施工中利用“錯層拼裝累積液壓同步提升控制技術”，有效降低了施工成本，節(jié)約了工期，降低施工風險。

1 工程概況

東西匯項目結構形式整體采用框架剪力墻結構，本工程高位連廊鋼結構位于D1塔樓與D2塔樓之間，位于D1塔樓的第17層～第19層，D2塔樓的第15層～第17層，跨度70 m，連廊鋼結構由兩榀主桁架組成，連廊高度為9.1 m，標高為70.65 m～79.75 m，總提升質量約650 t。

2 研究思路

由于本工程鋼結構連廊跨度和高度均較大，若采用常規(guī)的分件高空散裝方案，需要搭設大量的高空支撐架，不但高空組裝、焊接工作量大，技術經(jīng)濟性指標較差，而且存在較大的質量、安全風險，且工期無法保證，成本較高。又由于本工程連廊正下方投影有裙房結構，所以連廊無法在下部拼裝成整體。因此，選擇成本較低，且符合工期節(jié)點要求的施工方案就成為了本工程需要考慮的重點。

最終本工程選取了“錯層拼裝累積液壓同步提升”的施工工藝，因此將連廊分為兩個預裝區(qū)和三個拼裝區(qū)(連廊分區(qū)情況見圖1)，預裝區(qū)分別為D2預裝區(qū)、D1預裝區(qū)，拼裝區(qū)分別為分區(qū)一、分區(qū)二和分區(qū)三。而施工的基本思路為：分區(qū)二和分區(qū)三拼裝→一次提升(分區(qū)二)→分區(qū)二與分區(qū)三對接，同時拼裝分區(qū)一→二次提升(分區(qū)一、分區(qū)二、分區(qū)三)→補齊剩余桿件。該施工工藝具有以下特點：

1)根據(jù)現(xiàn)場條件，提前插入胎架及結構拼裝，合理穿插，節(jié)省工期。

2)將超高空散拼作業(yè)變?yōu)榈孛娴涂兆鳂I(yè)，大大降低高空施工安全風險，便于施工現(xiàn)場安全和質量管理。

3)減少大量大型機械臺班并大大減少一次性措施材料投入，節(jié)約成本。

3 施工方法

3.1 臨時胎架安裝

本工程胎架分為兩部分：低位胎架和高位胎架，分別設置于地下室頂板(-0.050 m)與裙房屋面(22.150 m)，立柱采用φ609×16圓管，主受力橫梁及支撐采用雙拼H 588×300×12×20型鋼，連接橫梁采用H300×300×10×15型鋼。胎架柱與結構柱豎向位置合并，確保樓板不承受胎架以及連廊結構荷載，全部荷載通過胎架梁、胎架柱有效傳導至結構柱、承臺以及樁基礎。

3.2 錯層拼裝

結合現(xiàn)場高低跨的實際情況，選擇將桁架進行錯層單獨拼裝(見圖2)。本次吊裝需確保最不利吊裝構件順利安裝到位，選取一根距離最遠構件(質量8.13 t)，一根質量最大構件(質量15.9 t)作為最不利吊裝構件。吊裝分析得知：

最遠構件質量8.13 t，距吊車33.1 m；最重構件質量15.9 t，距吊車24 m，220 t汽車吊在此種工況下均滿足施工要求。

鋼結構連廊主體結構拼裝步驟：由于腹桿為一定角度連接在上弦桿與下弦桿之間，為了提前插入施工和確保腹桿對接角度的前提下，先在地面將腹桿兩兩用型鋼支撐連接成整體，共6組，胎架上拼裝時先裝下弦桿和水平梁，再將組拼好的六組腹桿分別吊裝在下弦桿上，最后吊裝上弦桿和水平梁。

3.3 連廊提升

本次提升共設置8個吊點，其中臨時吊點1～臨時吊點4為第一次提升(分區(qū)二)使用的臨時措施，需借助地面格構柱作為起吊提升架；吊點1～吊點4為二次整體提升使用吊點，即利用連廊結構D1和D2預裝區(qū)作為二次提升架來使用(見表1)，提升吊點布置見圖3。

表1 吊點設備使用情況

3.3.1 臨時提升架安裝

連廊第一次提升采用臨時提升架，每個吊點設置一組支架，每組支架由兩個格構式支架及提升梁組成，為避免對地下室頂板造成結構損傷，需在提升支架對應位置的地下室頂板下部設置格構式支架進行回頂，在與混凝土樓板及底板接觸位置需要用鋼板塞實，提升支架底部設置路基箱進行傳力，使提升荷載順利傳導至地下室底板及基礎。

3.3.2 二次提升架安裝

連廊第二次進行整體提升，可以利用連廊結構D1,D2預裝的桁架設置提升支架結構，為使提升過程穩(wěn)定，需對上吊點及下吊點進行加固，上吊點牛腿和下吊點牛腿安裝及加固等(見圖4)。

3.3.3 試提升

以計算機仿真計算的各提升吊點反力值為依據(jù)，對連廊結構進行分級加載(試提升)，各吊點處的液壓提升系統(tǒng)伸缸壓力以20%幅度緩慢分級增加至80%；在確認各部分無異常的情況下，可繼續(xù)加載到90%,95%,100%，直至連廊全部脫離拼裝胎架。連廊離開胎架約100 mm后，將液壓提升系統(tǒng)設備鎖定，空中停留12 h以上并作全面檢查(包括吊點結構、承重體系和提升設備等)，并將檢查結果以書面形式報告現(xiàn)場總指揮部。各項檢查正常無誤，再進行正式提升。

3.3.4 一次提升

用測量儀器檢測各吊點的離地距離，計算出各吊點相對高差。通過液壓提升系統(tǒng)設備調整各吊點高度，使結構達到水平姿態(tài)。以調整后的各吊點高度為新的起始位置，復位位移傳感器。在結構整體提升過程中，保持該姿態(tài)直至提升到設計標高，因為空中姿態(tài)調整和桿件對口等原因，需要對結構高度進行微調，使其高度及桿件接口達到對接精度范圍以內。

在結構一次提升就位并微調后，立即鎖定提升器，并使用耳板對主桁架鋼箱梁進行臨時固定，然后進行分區(qū)二和分區(qū)三之間連接桿件拼裝，同時進行分區(qū)一與分區(qū)二的拼裝，使其形成整體并達到二次提升條件(見圖5)。

3.3.5 二次提升

在一次提升完成，分區(qū)一、分區(qū)二及分區(qū)三連接完成，并探傷完成后，需對錯層拼裝后鋼結構連廊進行二次提升。二次提升將使用吊點1～吊點4四個吊點，需進行一次吊點轉換。在吊點轉換過程中，臨時吊點1～臨時吊點4仍然處于持荷狀態(tài)，不得卸載。按照加載程序，由計算機仿真計算的反力作為依據(jù)，對吊點1～吊點4進行逐級加載，加載幅度控制為10%,30%,50%，然后鎖定油缸持荷，并對提升系統(tǒng)進行全面檢查。此時，臨時吊點1～臨時吊點4將產(chǎn)生被動卸載，在經(jīng)過檢查確認無誤后，對臨時吊點1～臨時吊點4按照卸載程序進行卸載，卸載幅度以此時荷載的20%為一級進行，直至完全卸載并拆除臨時吊點。

由于臨時吊點卸荷，荷載將轉移至吊點1～吊點4，因此，需卸載程序必須緩慢，并通過傳感器數(shù)據(jù)結合現(xiàn)場測量儀器觀測，確保卸載安全。

繼續(xù)加載吊點1～吊點4直至連廊全部脫離裙房高位胎架，連廊結構離開二次胎架約100 mm，鎖定液壓提升系統(tǒng)，并執(zhí)行全面檢查程序。確認無誤后，開始進行連廊二次提升。提升速度控制為4 m/h，當提升達到設計標高后，將自動提升系統(tǒng)調整為手動模式，并對結構高度及桿件接口位置進行微調，以達到準確對接目的。鎖定液壓提升系統(tǒng)，利用耳板對結構進行臨時定位，采用500 t汽車吊進行剩余桿件安裝(見圖6)。

3.4 卸載

后裝桿件全部安裝完成，按計算的提升載荷為基準，分5級進行卸載，卸載幅度每次控制在荷載的20%以內，如遇吊點偏載超過卸載前載荷的10%，或者吊點位移不同步達到10 mm，則立即停止其他點卸載，檢查并處理完成后繼續(xù)卸載，直至鋼絞線完全松弛。

4 SAP2000配合驗算

本工程采用通用有限元分析軟件SAP2000V21.1.0進行提升系統(tǒng)力學計算。

4.1 胎架驗算

將拼裝胎架與連廊進行整體建模型計算，胎架與連廊支架采用壓桿進行模擬(見圖7～圖9)，分析系數(shù)取1.5。

計算結論：胎架最大豎向變形約10.3 mm，桿件最大應力比約0.74<0.9，滿足施工要求。

4.2 風荷載計算

連廊提升高度約80 m，所以需要考慮風荷載的作用，由于連廊二次提升時，連廊迎風面積較大，因此將此階段作為最不利因素考慮，提升時僅考慮桿件的迎風面積，迎風面積A≈260 m2，按照珠海市十年一遇風荷載進行計算，w0=0.5 kN/m2，風振系數(shù)取βz=1.3，風荷載體型系數(shù)μs=1.3，地面粗糙度按A類考慮，風壓高度變化系數(shù)μz=1.95，計算如下：

風壓標準值wk=βzμsμzw0=1.3×1.3×1.95×0.5=1.65 kN/m2。

連廊受到的風荷載值F=Awk=1.65×260=429 kN，提升施工時，風荷載會通過鋼絞線傳遞至提升支架，總共4個吊點，所以每個吊點承受的水平風荷載為429/4=107.3 kN。

4.3 高位連廊整體提升計算

連廊結構桿件均采用梁單元進行模擬，在吊點處進行豎向約束加水平向彈簧約束，彈簧剛度0.000 1 kN/mm(可忽略不計)，荷載為結構自重，提升部分質量約710 t，荷載分項系數(shù)取1.5，桿件應力比限值為0.9，下?lián)峡刂撇怀^跨度的1/400。經(jīng)過分析，兩次提升過程中第二次提升過程為最不利過程，因此需重點關注二次提升過程計算(見圖10～圖12)。

計算結論：由上述提升工況分析結果可知，連廊結構跨中最大下?lián)霞s17 mm<70 000/400=175 mm，桿件最大應力比約0.4<0.9，滿足施工要求。

4.4 提升支架驗算

4.4.1 第一次提升架驗算

第一次提升支架底部采用鉸接約束，荷載為支架自重及吊點的提升荷載，最大荷載約1 102 kN，水平荷載按照豎向提升荷載的5%進行取值，計算變形荷載分項系數(shù)為1.0，計算強度荷載分項系數(shù)為1.5。

計算結論：提升支架端部位移約28 mm，最大應力比約0.69<0.9，最小屈曲系數(shù)為33.3>4.2，滿足施工要求。

4.4.2 第二次提升架驗算

第二次提升利用原結構D1,D2預裝段作為二次提升架使用，根部采用剛接約束，荷載為自重荷載及吊點的提升荷載，吊點豎向荷載分別為1 832 kN和1 756 kN，水平荷載按照吊點荷載的5%進行取值，計算變形荷載分項系數(shù)為1.0，計算強度荷載分項系數(shù)為1.5。

計算結論：豎向變形約2.4 mm，桿件最大應力比約0.3<0.9，滿足施工要求。

5 質量控制

5.1 錯層拼裝

胎架安裝需嚴格控制胎架梁及短柱平面位置及水平度，確保短柱與混凝土結構面充分接觸，如出現(xiàn)縫隙，需采用補強措施。由于考慮到提升時跨中的撓度變形，需在胎架中間設置預拱度。

鋼結構連廊的安裝順序依次為下弦桿、腹桿及水平梁、上弦桿。安裝控制的關鍵為下弦桿安裝定位的精度，因此，在安裝時需全站儀全程配合吊車精準定位，定位精度為±5 mm。待下弦桿全部焊接完畢，將預先在地面拼裝好的腹桿組吊裝到位，隨后安裝上弦桿，關鍵控制腹桿頂部定位精度及上弦桿標高及水平度。

5.2 多次提升質量控制

在兩次提升過程中需要注意以下事項：

1)檢查導向架安裝方向，以方便拆除油管、傳感器和不影響鋼絞線自由下墜為原則。

2)檢查鋼絲繩，不得碰觸提升器支承通孔孔壁。

3)檢查地錨，使上下吊點的垂直度偏差小于1.5°。

4)檢查泵站與提升器油管連接，且檢查油管編號是否對應，測試油缸伸縮功能。

5)檢查油缸傳感器和位移傳感器工作是否正常。

6)監(jiān)測臨時吊點格構柱穩(wěn)定性。

7)多點同步監(jiān)測提升速率和整體穩(wěn)定性。

8)兩次提升就位時提升器微調。

9)第二次提升吊點轉換加載與卸載程序轉換。

5.3 焊接控制

鋼結構工程的焊接是質量控制的關鍵，隨著結構跨度和高度以及重量的不斷增加，也導致結構所使用的鋼板厚度越來越厚。因此，焊接過程必須進行嚴格的焊接控制，如：

1)由于整個焊接作業(yè)均在室外完成，極易受到大風的影響，因此在焊接施工前需搭設防風措施，并增大CO2氣體流量以達到焊接保護效果，提高焊接過程的抗風能力，形成對熔池的渣-氣聯(lián)合保護。

2)焊接前進行焊口清理，清除焊口處表面的水、氧化皮、銹、油污等。

3)焊接前使用火焰加熱設備將焊接坡口兩側150 mm范圍內進行加熱，加熱溫度根據(jù)不同的板厚不同，最低溫度不得低于80 ℃。

4)焊接過程中嚴格控制層間溫度，層間溫度控制在120 ℃～190 ℃之間。分次完成的焊縫，再次焊接前要進行預熱處理。

5)對于母材厚度25 mm≤T≤80 mm的焊縫，焊后進行后熱處理，后熱應在焊縫兩側各100 mm寬幅均勻加熱，加熱時自邊緣向中部，又自中部向邊緣由低向高均勻加熱，嚴禁持熱源集中指向局部。

6)應避免雨天施工，如遇下雨，需設防潮、防雨、防砸措施，對重要焊接口要搭設專用防雨棚或其他有效防雨措施，在雨量較大無法施工時，需及時進行覆蓋，當相對濕度大于90%時應停止焊接作業(yè)。

6 結語

隨著工程技術的不斷進步，對于大跨度鋼結構連廊以及其他鋼桁架結構吊裝的需求越來越多，傳統(tǒng)的胎架高空散拼的弊端已經(jīng)越來越明顯。本工程通過“錯層拼裝累積液壓同步提升控制技術”，結合力學計算分析，綜合研判，合理安排，實現(xiàn)了連廊吊裝工期縮短2個月，減少措施材料投入約1 000 t，且大大降低施工難度并降低了施工安全風險等級，從而節(jié)約了成本，提高了經(jīng)濟效益，為業(yè)內同類工程提供了有效借鑒。