多層大跨度鋼結構連廊整體提升施工數值模擬及現場監測

劉 藝， 張仕江

(1.四川大學建筑與環境學院，四川成都 610065； 2.中國水利水電第七工程局二分局，四川成都 610081)

隨著建筑業的蓬勃發展，越來越多設有連廊的高層建筑被廣泛應用于各類公共建筑和商業建筑中[1-3]。連廊結構形式，綜合考慮安全、經濟、施工條件等因素，通常情況下，當跨度不大時多采用鋼筋混凝土或勁性混凝土結構，跨度較大的連廊則一般選擇鋼結構。大跨度空間鋼結構施工安裝方法的選擇與結構類型息息相關[4]。在國內，有采用高空散裝法的國家游泳中心—水立方[5]、分條吊裝的國家大劇院[6]、高空滑移的北京五棵松籃球館[7]、整體吊裝的老山自行車館[8]、整體提升的國家數字圖書館[9]、整體頂升的三門峽南站候車大廳[10]等。

本工程鋼結構連廊為高空大跨度多層多榀鋼桁架結構，相比傳統結構形式鋼連廊，它不僅是連接兩側塔樓的通道，也是建筑物本身的一部分，作為辦公及生活區域。根據結構布置特點及以往類似工程的成功經驗，鋼結構連廊安裝采用“超大型構件液壓同步提升技術”[11-13]。整體提升法具有高空作業量少、拼裝精度高、施工周期短、施工安全性好等優點。由于多層多榀的結構形式和多方面的使用功能，鋼結構連廊有著自身的結構設計特點和受力變形特征。整體提升時需對結構進行受力變形分析，確保提升過程的安全性。因此本文對該高空大跨度多層多榀鋼結構連廊整體提升工程，通過有限元計算，對其提升施工過程的安全性進行分析，并通過連續施工監控，證明提升施工的有效性和安全性。

1 工程概況

本工程為中電建金屬結構研發中心鋼結構連廊項目， 位于成都天府新區興隆湖畔，分為A、B兩個區。A區高層采用框架—剪力墻結構體系，9～12層之間有跨度為48 m的鋼結構桁架連廊，鋼連廊平面上位于A-D軸交4-10線，共四榀主桁架，提升總重量約651 t。B區采用剪力墻結構體系，4～5層之間有跨度為48 m的鋼結構桁架連廊，鋼連廊平面上位于D-H軸交4-10線，共五榀主桁架，提升總重量約753 t。桁架構件采用普通焊接H型鋼，最大截面為WH800×500×50×50。鋼桁架支承于兩端型鋼混凝土柱，鋼桁架相關區域樓蓋采用鋼梁、現澆鋼筋混凝土板，鋼結構連廊采用整體液壓提升，金結研發中心整體效果如圖1所示。

圖1 金結研發中心整體效果

本文以A區鋼結構連廊為例，進行模擬計算及監測分析。

2 施工方案

2.1 提升方案設計

本工程中，A區鋼結構連廊的最高安裝標高為+47.4 m，采用整體提升法。將連廊鋼結構提升單元在其投影面的正下方的地下室頂板上拼裝為整體，并利用結構屋面層連廊結構預裝段設置提升平臺，在已拼裝完成的桁架上弦處與上吊點對應的位置安裝提升臨時牛腿及專用底錨，上下吊點間通過鋼絞線連接，利用液壓同步提升系統將連廊鋼結構提升單元整體提升至設計標高完成安裝(圖2)。A區鋼結構連廊整體提升過程中共設置8個吊點，吊點布置如圖3所示。

圖2 A區鋼結構連廊提升立面示意

圖3 A區鋼結構連廊吊點布置

2.2 提升施工流程

(1)連廊鋼結構提升單元(除第9層吊掛結構外)在其投影面正下方的地下室頂板上拼裝成整體，包括加固桿件、提升臨時措施等附屬結構；

(2)在結構的屋面層(+47.400 m)利用桁架預裝段及主樓結構勁性柱設置提升平臺，并安裝液壓同步提升系統設備，然后在已拼裝完成的連廊鋼結構桁架下弦的兩端與上吊點對應的位置安裝下吊點提升吊具；

(3)在提升上下吊點之間安裝專用鋼絞線及專用底錨，并調試液壓同步提升系統；

(4)張拉鋼絞線，使得所有鋼絞線均勻受力，檢查連廊鋼結構提升單元以及液壓同步提升的所有臨時措施是否滿足設計要求；

(5)確認無誤后，按照設計荷載的20 %、40 %、60 %、70 %、80 %、90 %、95 %、100 %的順序逐級加載，直至提升單元脫離拼裝平臺；

(6)提升單元提升約150 mm后，暫停提升，再次檢查連廊鋼結構提升單元以及液壓同步提升臨時措施有無異常，確認無異常情況后，同步提升5 m；

(7)安裝第9層吊掛結構，然后將鋼連廊提升單元提升至距離設計標高約500 mm時，暫停提升；

(8)各提升點通過計算機系統的“微調、點動”功能，使各提升吊點均達到設計位置，滿足對接要求；

(9)連廊鋼結構對接工作完畢后，液壓提升系統各吊點同步分級卸載；拆除液壓提升設備，連廊鋼結構整體提升安裝完成。

3 整體提升施工仿真分析

利用有限元軟件MIDAS GEN對鋼結構連廊整體提升過程進行模擬，分析鋼連廊在提升過程中的內力及變形情況[14]。

3.1 同步提升分析

同步提升過程中，只需考慮鋼結構連廊的自重作用，同時考慮到節點板、螺栓等的重量，取1.25倍的自重放大系數[15]。提升驗算中需考慮的荷載組合為：(1)標準荷載組合：1.0D；(2)基本荷載組合：1.4D，其中D為被提升結構構件自重，D=1.25G。計算結果如圖4～圖6所示。由圖可知，同步提升狀態下鋼結構連廊在豎向的最大位移為10.52 mm，出現在底層跨中位置，主桁架最大豎向變形為10.25 mm，鋼連廊長度為48 000 mm，豎向變形為間距的1/4683，滿足GB 50017-2003《鋼結構設計規范》規定的小于1/400的要求；最大應力為146.45 MPa，應力比為0.47，應力比較小，具有足夠的安全儲備。

圖4 同步狀態下鋼結構連廊Z向變形

圖5 同步狀態下鋼結構連廊應力

圖6 同步狀態下C軸主桁架Z向變形

3.2 不同步提升分析

A區鋼連廊整體提升共設置8個吊點，編號如圖3所示。吊點不同步的情況有很多種，例如1個吊點不同步，2個吊點不同步等等，但在提升過程中起決定作用的主要為1個吊點的不同步，因此只考慮此種情況。A區鋼連廊的結構與受力是對稱的，所以只分析左側4個吊點的不同步效應。提升不同步一般有兩種控制方法：力法和位移法。現代提升施工一般采用力法+位移法相結合，不同步分析通過調整提升吊點處強制位移，以強制位移引起的提升反力為1.2倍同步提升反力值和強制位移不超過50 mm為雙控標準[16]。通過不斷試算，對各個提升點分別施加節點強制位移，當提升力達到1.2倍同步提升反力值時，施加的強制位移均小于50 mm，各提升點均采用力法控制。計算結果如表1所示。從表中可知，3號提升點不同步時，桿件的應力最大，為最不利狀態，此時最大應力比為0.59，滿足設計要求，無需進行桿件加強或者替換。3號吊點不同步狀態下鋼結構連廊的變形及應力如圖7、圖8所示。

表1 不同步提升狀態下各提升點強制位移

圖7 3號吊點不同步狀態下鋼連廊Z向變形

圖8 3號吊點不同步狀態下鋼連廊應力

4 施工監測

鋼連廊從整體提升到裝修完成，整個施工過程中整體提升及與兩側塔樓對接拼裝、樓板混凝土澆筑、墻體砌筑及后期裝修施工都會對結構受力變形產生顯著影響，因此對高空大跨度鋼結構連廊進行變形連續實時監測，以確保鋼連廊施工及結構安全。鋼連廊拱度監測結果如表2所示，監測點1/2之間的拱度變化情況如圖9所示。由圖可知，隨著后續施工進行，鋼連廊拱度不斷減小，到裝修完成時該監測點處拱度為26 mm，滿足使用性能要求。鋼連廊跨度較大，因此在整體拼裝時按照1.8 ‰起拱，起拱位置定于跨中。根據表中鋼連廊提升拱度監測數據，計算出對應監測點豎向位移約為9.8 mm，在數值分析結果中相應點處豎向位移為7.9 mm。分析實際情況和數值模擬產生誤差的原因，可能是以下幾方面造成的：(1)在實際提升施工過程中，存在振動現象，導致結構的豎向位移增大；(2)現場提升的鋼結構連廊包括焊接在底層吊掛結構上的鋼模板，而模型中未考慮該部分重量，造成數值分析計算結果偏小；(3)在預起拱施工過程中，出于安全考慮將起拱高度超過設計值，造成監測計算結果偏大。

圖9 A區鋼結構連廊拱度

表2 A區鋼結構連廊拱度監測

5 結束語

本文通過MIDAS GEN軟件來模擬鋼結構連廊整體提升過程中各個提升點同步與不同步的情況，分析結果表明該大跨度多榀多層空間鋼桁架結構連廊的剛度較大，具有較好的變形協調能力，提升過程不同步效應對結構的受力以及變形的影響相對較小，在同步提升控制過程中可將控制系統精度適當降低，有利于提高提升速度，縮短施工工期，節約工程成本。拱度監測結果表明，鋼結構連廊在提升過程中豎向位移變化值較小，提升就位后連廊樓面混凝土澆筑過程中其使用性能符合設計要求，該大跨度多榀多層空間鋼桁架結構連廊的整體提升施工具有安全性。