重型結構液壓提升系統設計實證研究

孔海峰 劉建中 劉海峰 王 艾

1. 江蘇建科建設監理有限公司 南京 210008； 2. 中新蘇州工業園區置地有限公司 蘇州 215000；3. 中國華西企業股份有限公司 上海 201615

1 研究背景

重型結構液壓同步提升施工技術是我國近年來逐步提出、形成、發展和完善起來的一種新型機電液一體化施工技術，在建筑工程中主要應用于超大、超高、超重等特大型構件的吊裝和水平移運。由于安裝效率高、高空作業少、經濟效果突出，該項技術已經在較多的工程中得到了應用，取得了一定的技術和經濟效果。但是，由于大部分應用工程結構復雜，工況特殊，加之鋼結構整體提升技術的不成熟，行業至今也沒有形成相應的技術標準，技術和實踐上仍有許多問題需要進一步探索。

隨著近年來施工技術的快速發展，重型結構液壓同步提升施工技術在工程實踐中大量應用，如蘇州中銀大廈中庭鋼結構連廊，提升質量480 t，提升高度18 m；深圳東海商務中心鋼結構連廊，提升質量700 t，提升高度176 m；成都海洋天堂連廊，提升質量5 800 t，提升高度107 m；南京新城大廈二期鋼結構連廊，提升質量520 t，提升高度62.2 m等等。提升質量從百余噸到上千噸，較大的甚至達到萬噸以上，如國家圖書館鋼結構的整體提升質量達萬噸[1]，提升高度15 ～176 m不等。由于液壓提升面臨的質量、跨度巨大，任何一個微小的考慮不周、荷載不當、計算失誤引起個別構件的失效往往會產生連鎖反應導致系統失敗，形成重大質量安全事故。

2 研究現狀及存在問題

經過近幾年的工程實踐，液壓同步提升施工技術已經得到了初步的論證和總結，上海制定了《重型結構（設備）整體提升技術規程》（DG/TJ 08-2056—2009），在荷載及作用、被提升結構分析和驗算、提升結構分析和驗算、提升過程控制等進行了較為詳細的系統總結[2]，但整體仍局限于較粗線條和概念性要求，難以指導具體工程實踐。陳凌軒等利用計算機仿真技術對重型結構提升過程進行了仿真分析[3]，沈錦添利用計算機建模采用ANSYS軟件對重型構件提升過程各個階段進行了具體分析[4]。

雖然有了上述一定的研究成果，但是，對提升系統受力狀態的分析和模擬沒有系統研究。大部分研究基本借用了相關規范中結構可靠度設計和荷載取值方法，將提升荷載簡化為重力荷載，利用荷載分項系數進行簡化運算。沈錦添計算時將被提升鋼屋架重力荷載分項系數取值為1.35，大部分研究者直接按恒載設定被提升結構荷載，并直接按固定荷載取分項系數為1.2[5,6]。

規范DG/TJ 08-2056—2009提出可變荷載效應控制的基本組合表達式如下：

式中：S(ω)——結構效應函數；

γG——永久荷載分項系數，對結構不利時取1.2，對結構有利時取0.9；

Gk——永久荷載標準值（一般為提升支承結構及提升用設備重）；

QGk——被提升結構（設備）質量的標準值；

ωk——不同階段單位迎風面積上的水平風荷載標準值；

QLk——平臺活載的標準值；

Qi——除上述可變載荷外，其余第i個可變荷載標準值，i=4～n；

ψci——可變荷載Qi的組合值系數，一般取0.7；

γi——可變荷載Qi的分項系數，一般為1.4，僅溫度作用取1.0；

R(ω)——結構抗力函數；

γR——結構抗力的標準值；

fk——材料強度分項系數；

αk——幾何參數標準值。

雖然目前大量采用了各種有限元模擬結構計算軟件與方法，但荷載取值的不規范和計算模型的不確定，必然導致計算結果的差異，并關系到方案的經濟效果和安全適用性。

3 實驗驗證

為了驗證荷載作用效果，獲得經濟、安全的重型結構提升結構計算數據模型，結合某項目中庭連廊鋼結構提升工程，決定利用其中一榀桁架作為實驗提升對象檢驗設計成果。該實驗桁架質量約為104 t，提升高度16.45 m。提升范圍沒有其他建構筑物，兩側結構施工已超過提升面3個樓層，具備設置額外安全裝置的條件[7]。

提升單位是一家長期專業承包重型結構提升施工的專業隊伍，參與和實施了較多大型工程鋼結構提升工程，有豐富的液壓同步提升施工經驗。

提升公司按照常規設計方法設計完成了提升方案，共設置2組吊點，每組吊點反力標準值520 kN。每組吊點配置1臺YS-SJ-75型液壓提升器，額定提升能力為750 kN。提升時考慮恒載系數（按提升公司經驗數據）1.35，動載系數1.05。提升器、臨時吊具以及鋼絞線等按照1.0 t考慮，提升最大反力設計值F，則：F=736 kN，計算簡圖如圖1所示。

圖1 提升平臺計算示意

以此為基礎，分別計算和復核提升平臺梁、斜撐、拉桿、預埋件等，其中，拉桿選用規格為150 mm×150 mm×7 mm×70 mm的H型鋼，材質Q345B，與計算平面的夾角為β=15°，側向支撐選用規格為150 mm×150 mm×7 mm×70 mm的H型鋼，材質Q345B，按照設計模型和荷載，構件內力驗算均安全可靠。提升系統設計如圖2所示。

圖2 提升立面示意

為了了解在結構提升過程中的荷載變化情況，在兩側鋼絞線分別設置表面應力傳感器，實時監控應力變化情況。同時，在提升結構上部結構+34.25 m處設置了附加安全裝置。

正式提升前，施工單位組織專業提升公司制定了詳細的施工組織設計規劃，配備專用集群同步控制計算機平臺，系統調試完成分級加載，提升脫離地面150 mm后離地檢查，各項荷載、變形均在設計預計范圍。

靜止12 h后檢查提升設備的狀態、提升支架的變形、鋼架撓度，各項均未發現異常。在正式提升開始至70 min，提升高度約5.5 m時，東側觀測位發現側向一根支撐快速變形，拉桿出現扭曲現象，隨時可能發生支撐鋼架失穩，應急安全裝置受力后變形才逐步穩定。監測數據顯示，整個提升過程提升鋼絞線受力均超過被提升結構和其他附加裝置質量。

通過實驗說明，這種簡化的設計方法存在較大的安全隱患，如果沒有其他安全措施，有可能引起重大安全事故。

4 實驗數據整理與分析

通過實驗數據分析，提升操作沒有明顯違規現象，鋼絞線應力狀況顯示，提升荷載基本保持不變，約等于提升荷載標準值，遠小于荷載設計值。提升結構從側向結構開始破壞，經檢查，材料無明顯缺陷，發生破壞只有可能是荷載超過了材料極限承載力。

側向支撐規格為150 mm×150 mm×7 mm×70 mm的H型鋼，材質Q345B，其截面特性：A=39.10 cm2，凈截面積比取0.9。其中，H=2 494 mm，L=2 531 mm，θ=45°。

方案中中側向支撐計算簡圖如圖3所示。

圖3 側向支撐計算簡示意

側向支撐拉力設計值：T2=125 kN，σ=T2/Aw=66 MPa＜f=310 MPa。

雖然方案計算時沒有考慮長細比和壓桿承載力降低系數，但即使考慮壓桿承載力降低系數，經測算，按φx=0.9，φy=0.8，η=0.7計算，在計算荷載作用下，強度驗算、平面內穩定驗算、平面外穩定驗算仍然是安全的。可以肯定問題主要在于計算模型沒有反映結構真實的受力狀態。靜置狀態提升結構受力安全以及提升過程屈服破壞反映出提升過程中提升結構受力狀態與結構簡化計算模型并不一致。

大部分情況下，在重型結構提升過程中，主要為了克服被提升結構豎向荷載，側向結構處于輔助狀態，其受力相對垂直支撐結構受力極小，設計時往往按構造考慮。但實際提升過程中，由于提升千斤頂規律性動作、陣風、提升過程的不同步等均可能導致被提升結構和構件小范圍的晃動，由于這些被提升構件荷載的巨大，其微小的受力方向變化均可能產生較大的水平分量，由于設計過程沒有考慮這一分量，其結果往往導致相應受力構件破壞[7]。

考慮提升過程不同受力狀態，充分考慮提升過程每一動作的作用和影響，其中按被提升結構2%的重心偏離，重新進行系統設計，提升裝置、鋼絞線等均沒有發生變化，但側向支撐充分考慮提升結構偏心荷載，驗算平面內外穩定性，最終選用規格為400 mm×300 mm×20 mm×20 mm的H型鋼，再次提升確認安全可靠。

5 結語

1）采用荷載分項系數設計方法計算和設計提升系統選擇鋼絞線、提示器等沒有任何實際意義和理論基礎，被提升結構及其附加裝置荷載是明確已知的，無故乘以1.2～1.4的放大系數目的不明確，也不能解決任何問題。設計者需要解決的是對已知的荷載如何在各提升點進行分配，只要充分考慮被提升結構變形情況、同步控制的水平、提升點布置的位置和數量等各方面影響，系統就是安全的。目前，由于基于有限單位分析的計算機軟件普及，這項工作難度并不大，而且更有實際意義。

2）簡化的支撐系統設計模型存在較大風險。簡化模型將鋼絞線、千斤頂傳遞來的提升荷載默認為垂直向下，并試圖通過某一個放大的修正系數來調整。實驗證明，即使按照已知項目荷載分項系數取值的1.4考慮，系統仍然存在失穩問題。雖然被提升結構的重力是一定的，但是，因被提升結構變形、安裝誤差、吊點的微小變化、被提升構件的晃動等均可能產生一定的水平分量。由于被提升結構質量的巨大，這些相對垂直荷載較小的水平分量對計算和確定支撐系統各個構件來說都是巨大的。這些支撐構件主要破壞形式不是理想的平面內破壞，其破壞形式基本為平面外失穩。

3）在進行液壓整體提升系統設計時，應當依據施工各個時點、各種工況系統的不同受力狀態、荷載傳遞途徑進行模擬設計。在起吊、被提升結構變形、同步、提升、下落等不同階段，各個提升點荷載大小、方向均存在差異，在被提升結構各種極限狀態，如拼裝誤差造成的重心偏移、拼裝位置偏差造成的提升荷載方向改變、提升過程產生的縱向和橫向擺動等同樣將引起系統受力狀態的差異，只有全面分析了這些差異，所得到的設計結果才是安全可靠的。