某超高單體整體式提升施工技術分析
——以某雷電試驗大廳項目為例

楊 陽 （長江精工鋼結構（集團）股份有限公司，安徽 六安 237161）

1 工程概況

某雷電防護與試驗研究重大試驗設施建設項目位于安徽省合肥市廬陽區大科學裝置集中區，試驗大廳由A 區和B區兩個試驗區和若干內附樓組成，A 區、B 區和附樓之間設縫脫開。A 區試驗大廳結構類型為巨型四肢格構柱+鋼網架結構，B 區試驗大廳結構類型為鋼排架+網架結構，結構找坡5%。A 區試驗大廳為超高大跨度單層工業建筑，建筑高度為116m，總建筑面積約14300m2，平面內軸線尺寸為131m×110m，下弦中心標高110m。B 區試驗大廳建筑高度為33.1m，總建筑面積約4851m2，平面內軸線尺寸為52.5m×110.0m，下弦中心標高30m?？偨ㄖ娣e約19222.5m2。

圖1 軸測示意圖

2 工程重難點分析

A 區試驗大廳為超高大跨度單層工業建筑，平面內軸線尺寸為120m×100m，下弦中心標高110m，主要包括格構柱、格構梁以及屋頂網架。采用巨型四肢格構柱+鋼網架結構體系，屋蓋采用正交正放焊接球網架。支承柱主要為四肢格構柱，基本柱距20m，大門處柱凈距51m，和B 區相接處柱凈距60m。格構柱基本肢距5m×5m，柱高110m，主肢和綴條均采用圓鋼管，相貫焊接。柱高范圍內設4 道箱形水平桁架，采用圓鋼管截面，相貫節點。在四邊設置縱向支撐，亦采用鋼管截面。

圖2 A區鋼結構軸側示意圖

A 區試驗大廳網架主要由網架球及圓管的網架桿件組成，如圖3所示。

圖3 圓管和焊接球實例圖

鋼柱為四肢格構柱，主要由圓管構件和空心圓球（部分加單肋）組成，肢腿間距5m，主肢構件、腹桿構件、斜桿構件皆為圓管，格構柱如圖4所示。

圖4 格構柱整體軸測圖

水平桁架梁主要分布在標高22m、49.5m、70m、90m 處，構件形式均為圓管構件，如圖5所示。

圖6 正常使用極限狀態下DZ圖（單位：mm）

圖7 桿件應力比柱狀圖

圖9 提升示意圖2

圖10 A區主結構分析模型

圖11 B區網架分析模型

格構柱地面分片拼裝、網架地面拼裝以及散拼對接均使用到掛籃作為臨時操作平臺，為保證高處作業掛籃的安全性，對其進行仿真模擬分析。

掛籃使用的桿件截面，立桿為φ16的圓鋼，腹桿為φ12的圓鋼，桿件均采用Q235B 材質。恒荷載（DL），桿件自重，軟件模擬自算。活荷載（LL），施工人員自重1kN，單腳與掛籃下方鋼筋最小接觸長度0.1m，最小接觸數量為3 根，橫桿線荷載為1/（0.1×3）=3.3kN/m，雪荷載及風荷載均不考慮。

通過應力圖可以得出，掛籃桿件的最大應力比為0.78〈0.90，大部分桿件應力比在0.50 以下，桿件受力較合理，滿足規范要求。

本工程主結構最大高度達116m，而且鋼屋架跨度大，格構柱、屋面網架補桿等均為高空起吊，安裝精度比較難控制，現場施工安裝的安全隱患較大。為了能安全順利實施，格構柱層間布置鋼爬梯，方便操作人員上下，周邊設好防護欄，為保證高空安裝施工防護，要求梁柱連接，在柱身設置可裝配式操作平臺。

網架提升到設計位置后需安裝嵌補桿件，為了提高安裝效率以及保證操作安全，在網架之間沿上下弦桿搭設水平行走通道。該通道采用標準化鋼平臺搭設，通過鋼筋掛鉤將鋼平臺固定在網架上下弦桿上。

高空嵌補桿件安裝時利用水平行走通道進行桿件裝配，裝配完成后通過點焊固定，嵌補桿與球節點正式焊接時采用標準化鋼平臺輔助操作，標準化鋼平臺采用φ12 的圓鋼焊接而成，吊籠寬0.6m、長0.8m、高1.2m。

3 網架安裝方案

A 區試驗大廳網架平面尺寸為110.0m×131.0m，總重量約899.188t，最高點高度達116.7m，通過類似項目的施工經驗對該項目進行特點分析，擬采用地面拼裝后背拉式整體提升的方法進行安裝。首先用400t 履帶吊吊裝四周邊部的網架，中間位置的均在地面進行拼裝，然后用提升設備整體提升網架并及時進行補桿。

B 區試驗大廳網架平面尺寸為52.5m×110.0m，總重量約322.017t，最高點高度達35.3m，網架球均為焊接球，采用整體提升。

4 施工模擬分析

4.1 A區試驗大廳鋼結構施工仿真分析

A 區試驗大廳采用巨型四肢格構柱+鋼網架結構體系，屋蓋采用正交正放焊接球網架。支承柱主要為四肢格構柱，基本柱距20m，大門處柱凈距51m，和B區相接處柱凈距80m。格構柱基本肢距5m×5m，柱高110m，主肢和綴條均采用圓鋼管，相貫焊接。柱高范圍內設4 道箱形水平桁架，采用圓鋼管截面，相貫節點。在四邊設置縱向支撐，采用鋼管截面。

A 區四肢格構柱采用分段吊裝，屋面網架結構地面拼裝，然后采用液壓整體提升的安裝方法施工，試驗大廳大門處格構柱下方采用臨時支撐架進行支撐，防止施工過程中產生較大的下撓變形。為保證鋼結構在施工過程中的安全可靠、質量可控，對該部分鋼結構做施工仿真模擬分析。

根據工程結構的特點，結構整體計算分析選用MIDAS/GEN 有限元分析軟件來模擬鋼結構的施工過程。

鋼結構在施工過程中出現的主要荷載工況為鋼結構自身的重量，其次是施工中風荷載的影響，鋼結構施工模擬分析時考慮的荷載工況及組合如表1 所示。

表1 鋼結構施工模擬分析荷載工況及組合

表2 A區試驗大廳施工模擬結果分析

4.2 A區試驗大廳施工模擬結果分析

由施工模擬分析結果可知，結構在施工過程中最大撓度為216.86mm，出現在網架跨中位置。設計狀態下，網架結構一次成型的最大撓度為212mm，施工完成后結構的撓度比一次成型狀態增加了4.86mm，該區域可以采取預起拱的方式來保證網架撓度。除網架跨中局部位置外，其余地方結構在風荷載等共同作用下變形較小，能滿足要求。鋼結構在自重及風荷載等作用下，施工過程中構件的最大應力比為0.893，結構一直處于彈性受力狀態。鋼結構安裝完畢，支撐架卸載后，結構桿件的最大應力比為0.659，桿件應力比較小，能滿足要求。根據以上數據分析得到的結論，A區鋼結構按上述方法施工安全、可靠，施工質量有所保障。

4.3 A區試驗大廳大門支撐架驗算

①荷載工況及荷載組合

A 區主結構吊裝中大門位置采用四肢圓管格構式支撐架作為臨時支撐，支撐架平面尺寸為5m×5m，節間高度為5m，最大搭設高度為22m，支撐架立桿采用P377×16 的圓管，腹桿采用P180×8 的圓管，支撐架所有桿件材質均為Q355B。

由于臨時支撐高度較高，為保證支撐在使用過程中的安全和穩定，現對支撐架進行驗算分析。支撐架驗算時，考慮的荷載工況和荷載組合如表3所示。

表3 支撐架驗算時荷載工況和荷載組合

②支撐架變形及承載力驗算

首先判斷支撐架變形是否滿足要求，同時對支撐架的承載力和整體穩定性進行驗算，保證支撐架在使用過程中不會發生強度破壞和整體失穩現象。支撐架驗算結果如表4所示。

表4 支撐架驗算結果

4.4 B區試驗大廳鋼結構施工仿真分析

B 區廠房上部結構采用鋼格構柱+鋼網架結構形式，平面軸線尺寸為52.5m×110.0m，基本柱距為10.0m，局部5.0m、8.5m、9.0m。網架下弦中心標高30m，東側通道處跨度為81m，采用正交正放鋼網架，基本網格尺寸為5m×5m，網架節點為焊接空心球節點。

屋面網架結構采用地面拼裝、液壓整體提升的安裝方法進行施工，提升架主要設置在柱頂位置，同時靠近A 區大門位置設置臨時提升架。為防止施工過程中產生較大的下撓變形，保證鋼結構在施工過程中的安全可靠、質量可控，對該部分鋼結構做施工仿真模擬分析。

鋼結構在施工過程中出現的主要荷載工況為鋼結構自身的重量，其次是施工中風荷載的影響，本工程鋼結構施工模擬分析時考慮的荷載工況及組合如表5所示。

表5 鋼結構施工模擬分析荷載工況及組合

表6 B區試驗大廳施工模擬結果分析

4.5 B區試驗大廳施工模擬結果分析

由施工模擬分析結果可知，結構在施工過程中最大撓度為69.526mm，出現在網跨中位置。設計狀態下，網架結構一次成型的最大撓度為146mm，施工過程撓度滿足要求。除靠近A 區大門局部位置外，其余地方結構變形較小，能滿足要求。鋼結構在自重作用下，施工過程中構件的最大應力比為0.858，結構一直處于彈性受力狀態，鋼結構安裝完畢，支撐架卸載后，結構桿件的最大應力比為0.433，桿件應力比較小，能滿足要求。故根據以上數據分析得到的結論，B 區網架按上述方法施工安全可靠，施工質量有所保障。

4.6 B區網架提升架驗算

①荷載工況及荷載組合

B 區網架提升過程中分別在柱頂以及額外設置臨時提升架作為提升裝置，柱頂支撐架立桿采用P219×10 的圓管，腹桿采用P89×4 的圓管，支撐架柱頂橫梁采用口180×20 的方管，臨時支撐架立桿采用P245×12 的圓管，腹桿采用P180×8 的方管，支撐架柱頂橫梁采用口450×25 的方管，提升架所有桿件材質均為Q355B。支撐架驗算時，考慮的荷載工況和荷載組合如表7所示。

表7 支撐架驗算荷載工況和荷載組合

②支撐架變形及承載力驗算

首先判斷提升架變形是否滿足要求，同時對提升架的承載力和整體穩定性進行驗算，保證提升架在使用過程中不會發生強度破壞和整體失穩現象。提升架驗算結果如表8所示。

表8 提升架驗算結果

5 結語

通過有限元軟件對支撐架的變形、承載力和穩定性進行驗算，A 區試驗大廳在標準組合作用下，支撐架三向位移綜合值為6.87mm，支撐架變形較小，剛度較好。在最不利荷載組合作用下，支撐架最大應力比為0.331，支撐架處于彈性受力狀態，承載力完全能滿足要求，且桿件應力比冗余合理。支撐架整體穩定屈曲因子為5.57＞1，支撐架穩定性較好，能夠滿足施工需要。

B 區試驗大廳在標準組合作用下，支撐架三向位移綜合值為20.437mm，支撐架變形較小，剛度較好。在最不利荷載組合作用下，支撐架最大應力比為0.867，支撐架處于彈性受力狀態，承載力完全能滿足要求，且桿件應力比冗余合理，能滿足施工要求。支撐架整體穩定屈曲因子為15.1＞1，支撐架穩定性較好，能夠滿足施工需要。通過以上分析可知，該規格的支撐架安全、可靠，能滿足施工使用要求。