超大質量復雜空間鋼結構剛柔結合同步提升技術

李 敏 張 強 王永剛 胡 銳 楊蔣文 史 靜 劉嘉鋒

中國建筑第二工程局有限公司 江蘇 南京 210000

超大質量復雜空間鋼結構剛柔結合同步提升技術采用多吊點剛柔結合的累積安裝創新工藝，具有“外整內缺，累積提升”的特點，并根據承重體系和提升結構特點，設置提升吊點。運用液壓同步控制系統分段提升至同一高度后，將分段組裝完成，再提升至設計高度。利用成套技術使鋼結構成為建造綠色智慧新城的關鍵環節[1-3]。

1 工程概況

重慶江北新區市民中心項目上園高樓結構總體采用鋼框架支撐結構體系，頂部3層剛性桁架結構整體提升安裝，直徑104 m，提升總質量約5 300 t，提升總高度約37 m。

2 工藝原理

在主承重體系的四肢格構式塔架柱頂安裝提升支架。先提升基坑內3/4不規則結構約6 m高，與基坑外1/4結構整體拼裝完成后，再整體提升至設計位置標高。

3 制作工藝流程及操作要點

3.1 制作工藝流程

施工準備→提升支架安裝→鋼桁架拼裝→液壓提升器安裝→下吊具、鋼絞線安裝→提升設備連接→液壓同步控制系統調試→檢查驗收（自檢）→專家現場驗收→試提升→正式提升→1/4段桁架拼裝→整體焊接→第2階段試提升→第2階段正式提升→提升器鎖定→嵌補、焊接

3.2 操作要點

3.2.1 抗震受力分析

1）采用Etabs軟件進行了中震分析，桁架的應力比、框架支撐角筒中框架柱和普通鋼支撐及樓面鋼支撐應力比均滿足中震彈性形變的性能目標；屈服約束支撐滿足中震部分支撐屈服的性能目標。

2）采用Perform-3d軟件對結構進行了彈塑性時程分析，結構層間最大位移角滿足規范的要求，結構整體耗能良好，各構件的性能均符合預定的性能目標。

3.2.2 BIM有限元仿真

1）針對同步控制液壓設備控制難度大、提升絕對同步性難以保證的難題，采用有限元模型對客觀存在的不同步性進行定量和定性計算分析。設置小剛度的彈簧約束模擬提升結構提升過程的水平邊界條件，對提升結構在地震荷載、風荷載作用下的擺動進行模擬，選取其中允許的最大不同步性提升位移限值，作為安全控制值。

2）針對同步卸載可操作性差的特點，并考慮鋼結構處于應力水平較低的彈性狀態下，不同的卸載順序對結構應力和變形狀態的影響，對卸載過程進行仿真計算，證明彈性力學的疊加原理適用于提升完成后拉索的拆除，可以采用不同步卸載施工技術。

3）針對提升結構在地震作用和風荷載擺動時吊索產生的水平拉力，計算分析提升結構以及支撐結構的受力影響，采用提升結構位于地面附近的工況驗算提升結構與提升架在風荷載作用下的碰撞狀態，以及在提升高度內地震作用下拉索的最大拉力和水平位移，據此設置提升結構與提升支撐之間的最小相對位移間距，避免碰撞。

3.2.3 提升支架制作安裝

安裝時利用全站儀精準安裝定位，保證提升支架橫梁安裝平整度誤差不大于3 mm；對位提升支架與下吊具，保證安裝誤差不超過1.0°且水平誤差不大于15 mm，避免產生過大的水平力；提升支架安裝完成后進行100%探傷，全部檢測合格后進行提升作業。

3.2.4 下吊具安裝

環桁架和主桁架采用2種類型的下吊具，對結構建模分析，分別確定反力值，分析結果的局部最大應力為256 MPa，故設計下吊具材質為Q345B，屈服強度為345 MPa。下吊點采用在被提升鋼桁架結構的主（環）桁架上弦桿上表面焊接下吊具的形式，焊接要求均為等強連接；通過在下吊具頂板位置上開孔，使鋼絞線與下部地錨連接，形成穩定的吊具結構形式，利于后期安拆工作，不影響原結構桿件對口安裝，臨時措施用量較少。環桁架處的下吊點設置在環桁架上弦與立柱的連接節點處，無需加固處理；而布置在主桁架處的下吊點未設置在桁架上弦節點處，需額外進行加固處理（加固桿件截面B500 mm×500 mm×25 mm，Q345B），下吊點下方設置豎向拉桿與桁架下弦節點連接。

3.2.5 液壓提升器及液壓泵源安裝

在環桁架提升吊點上安裝TJJ-5000型液壓提升器，單臺液壓提升器額定提升能力500 t，在主桁架提升吊點上安裝TJJ-3500型液壓提升器，單臺液壓提升器額定提升能力350 t。其中最大裕度系數2.23，最小裕度系數1.65，配置符合規范要求。液壓提升器為穿芯式結構，中間穿鋼絞線，兩端有主動錨具，利用楔形錨片的逆向運動自鎖性，卡緊鋼絞線向上提升。

每臺提升器內鋼絞線孔應與提升梁的鋼絞線孔中心對齊，依液壓鎖方位來調整位置，每臺提升器底部采用壓板固定。液壓泵源系統數量依照提升器數量和參考各吊點反力值選取，提升鋼桁架結構時，每個塔架柱柱頂位置配置2臺TJV-60的液壓泵源系統，共計配置8臺TJV-60液壓泵源系統，每2臺泵站驅動6臺液壓提升器。

3.2.6 導向架安裝

導向架安裝在提升器旁邊，導向架的導出方向以方便安裝油管、傳感器和不影響鋼絞線自由下墜為原則。

3.2.7 鋼絞線安裝

按照提升吊點計算反力值，選取φ17.8 mm高強鋼絞線，單根鋼絞線承載力350 kN，圈桁架、主桁架提升點位置鋼絞線選擇42根。按順序依次將鋼絞線穿入地錨中并理齊，鎖緊鋼絞線。

3.2.8 提升同步控制系統布置

計算機同步控制系統布置在提升器、泵源系統等位置附近，便于與提升器及泵源系統等連接。

3.2.9 大直徑桁架預起拱拼裝

本工程采用“地面拼裝，整體提升”的安裝工藝，首先在地下室筏板及筏板外區域拼裝頂部3層桁架結構。桁架拼裝采用先桁架后系梁的順序進行，桁架拼裝過程中采取側向加固支撐，防止桁架傾覆，并及時連接系梁，使拼裝結構形成穩定結構體系。提升鋼桁架結構于投影正下方筏板上原位拼裝，根據結構分析計算軟件選擇圈桁架象限點位置及中間桁架中點位置確定起拱值。在筏板上布置胎架進行預起拱，方便上部結構拼裝。胎架根據吊掛柱位置及分段進行布置，在筏板施工時預留胎架焊接埋件。

3.2.10 正式提升

本工程采用頂部3層桁架結構地面拼裝完成后整體提升，下部2層吊掛結構散件吊裝施工。由于地面拼裝場地位于基坑外，第一階段先提升該區域以外3/4不規則結構約6 m高，在此狀態下拼裝基坑外涉及的提升桁架結構，結構整體拼裝完成后進行第二階段整體提升至設計位置標高。2次提升結構質量差異大、形心偏離大，提升過程受力復雜。

3.2.11 懸停加固

桁架結構提升至相應標高后進行懸停，并使用H型鋼進行臨時側向固定，安裝下部標準節臨時支撐，嵌補焊接南側與提升單元桿件。

3.2.12 提升過程同步性監測

提升過程中采用靜力水準儀進行結構同步性監測，精度±0.2 mm。在24個下吊點部位設置靜力水準儀對鋼結構整體提升同步性進行監測，與常規上吊點同步性監測方法相比，有效地消除了提升吊點變形及鋼絲繩延展所帶來的誤差。監測數據采用GPRS-A無線數據采集儀進行采集。

3.2.13 自鎖死裝置

自鎖死裝置主要由上部承載箱形梁、吊掛鋼帶、雙銷軸組成。通過模型驗算，300 t荷載作用下最大變形0.3 mm，最大應力280 MPa。

3.2.14 加固及嵌補安裝

為提高懸挑桁架整體剛度和強度，在懸挑桁架提升支架下方設置加固立柱，對懸挑結構進行補強，加固立柱截面為箱形600 mm×20 mm，材質Q345B。同時，將提升架布置位置H型鋼梁替換為箱形截面。為縮短提升支架懸挑長度，減少結構拼接接頭數量，增加提升安全性，提升單元主桁架采用小段嵌補方式，格構柱牛腿段隨鋼柱一起吊裝就位。提升就位后，使用桁架嵌補單元連接牛腿及主桁架；嵌補段安裝順序由上向下進行，先弦桿后腹桿。

3.2.15 分級卸載

本工程整體提升就位后鎖死鋼絞線，同時增加限位鎖定裝置后進行節點補強、4～5層倒掛結構施工。整體結構安裝完成后進行分級卸載，先卸載吊掛鋼帶并對結構進行監測，待監測數值穩定后，分五階段對鋼絞線進行卸載。

卸載檢查：卸載前對焊接進行全方位檢查，同時測量就位狀態結構數據；卸載過程中做好關鍵位置應力監測，并實時跟蹤測量每一級卸載完成后的結構變化情況。

4 效益分析

實現了大直徑鋼環梁整體提升，以及我國首例剛柔結合型鋼結構整體提升，在鋼結構吊裝中首次采用了“下吊點靜力水準儀高精度監測技術”。通過技術研究和創新，形成具有企業特色的成熟施工技術，推動復雜鋼結構安裝建筑體系在我國的推廣應用，加快建筑生產工業化、產業化發展的進程。與傳統高空拼裝相比較，新技術節約成本780余萬元，其中節約人工費200余萬元，材料費20余萬元，機械設備費325余萬元，技術措施費40余萬元，工期費用180余萬元。

5 結語

超大質量復雜空間鋼結構剛柔結合同步提升技術，不僅實現了設計要求和合同承諾，同時降低了工程施工成本，提高了工程施工效率，為整個工程的技術管理和經濟核算管理創造了價值。