大跨度鋼屋蓋整體提升安裝方案設計研究

程金蓉

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；

2. 上海超高層建筑智能建造工程技術研究中心 上海 200080

1 工程概況

某大跨度建筑鋼屋蓋長253 m、寬123 m、高30 m，采用倒放三角形截面的管桁架和鋼網架相結合的結構體系。其中，管桁架縱橫布置，交會處設置鋼管混凝土立柱，共18根立柱。立柱與管桁架之間采用鑄鋼節點及支座連接。縱橫管桁架圍合而成的鋼屋蓋區域采用焊接球節點網架填充。整個鋼屋蓋結構自重約5 800 t。鋼屋蓋下方為滿鋪鋼筋混凝土平臺結構，鋼屋蓋平面布置及剖面關系如圖1、圖2所示。

圖1 鋼屋蓋平面布置示意

圖2 鋼屋蓋剖面示意

2 鋼屋蓋安裝方案比較

本工程鋼屋蓋結構長寬分別達到253 m和123 m，投影面積3.1萬 m2，下部為滿鋪的鋼筋混凝土平臺結構，鋼屋蓋安裝高度最大達30 m。根據結構特點、場地條件、施工安全、進度控制等多方面因素，分別分析了不同的安裝方法[1]。

1）高空原位散裝：利用滿堂高空臨時支撐輔助，鋼結構原位散件安裝。本工程鋼屋蓋面積大、離地高度高，此方法高空作業量大、質量控制難、安全風險大。

2）分段、分塊吊裝：受下部混凝土結構平臺影響，起重機無法進跨吊裝。鋼屋蓋分段或分塊構件需采用大型起重機跨外吊裝，由于鋼屋蓋尺度大，故對跨外作業的起重設備要求高，經濟性不是很好。而且，鋼屋蓋采用網架和管桁架相結合的設計方案，分段、分塊吊裝時，需高空對位的桿件數量多，對位難度很大。

3）整體提升安裝[2-4]：首先將鋼屋蓋在其投影下方的混凝土結構上拼裝成整體結構，然后在結構柱頂設置提升支架和液壓千斤頂，將鋼屋蓋整體同步提升到安裝高度。采用此方法，鋼屋蓋的拼裝、焊接等工作均在下部結構樓面上開展，施工安全性高，技術經濟性強。屋面檁條、鋼屋蓋內部的機電管線等均可在鋼屋蓋拼裝時安裝或帶上，最大限度地減少高空工作量，降低施工安全風險。

整體提升安裝流程如圖3所示。

圖3 鋼屋蓋整體提升安裝流程

3 鋼屋蓋整體拼裝

3.1 拼裝胎架及拼裝起重機械布置

鋼屋蓋在混凝土樓面上整體拼裝。鋼屋蓋管桁架質量相對較重，為確保拼裝時下部樓面結構的安全，采用架空鋼梁將胎架支承在下部混凝土梁或柱位置處，避免樓板直接承載（圖4）。網架質量較輕，其胎架可直接支承在樓板上。混凝土平臺遇樓梯等洞口處采用設置型鋼加鋼板的鋼平臺方式處理。

圖4 管桁架拼裝胎架基礎架空處理

管桁架截面尺寸超出運輸限制，無法分段進場，因此考慮散件運至現場后進行拼裝，現場布置4臺TC7030塔吊負責鋼構件的吊運，同時4臺塔吊配合完成提升支架及提升系統的安裝與拆除工作。為加快拼裝進度，網架等輕型構件采用16 t小型汽車吊上混凝土平臺共同輔助拼裝（圖5）。經計算，平臺承載能力滿足汽車吊開行及停機作業需要。

圖5 鋼屋蓋拼裝立面工況

3.2 鋼屋蓋拼裝

根據鋼屋蓋結構體系，鋼屋蓋的拼裝由中間向兩側對稱進行，先進行主結構—管桁架的拼裝，管桁架形成穩定結構后，進行管桁架圍合區域的鋼網架拼裝。為了消除拼裝過程中的累計誤差，由管桁架圍成的每塊鋼網架結構，分成若干個小區塊進行拼裝，最后補缺拼裝小區塊之間的桿件，形成整體（圖6）。

圖6 鋼屋蓋整體拼裝三維BIM模擬

鋼屋蓋結構整體拼裝后完成表面涂裝。鋼屋蓋屋面檁條、屋蓋內部的機電管線也可以在鋼屋蓋拼裝過程中穿插安裝。

4 鋼屋蓋整體提升安裝

4.1 整體提升系統設計

4.1.1 提升支架布置及結構加固設計

整個鋼屋蓋由18根立柱支承，立柱位于縱橫布置的管桁架交會處。根據結構特點，整體提升考慮設置18個提升支架（圖7）。提升支架均布置在柱頂，力求提升過程鋼屋蓋的受力盡量接近永久支承狀態。同時，借助永久立柱設置提升支架，可減少提升支架用量，節約成本。

圖7 整體提升支架平面布置示意

提升支架與立頂部柱采用環抱焊接固定。為降低提升支架懸臂高度，鋼屋蓋上的提升吊點設計在倒放三角斷面管桁架的下弦桿上。受立柱位置影響，鋼屋蓋拼裝時管桁架縱橫交會處下弦及斜腹桿無法拼裝，采用下弦桿設置后補段、斜腹桿后裝的方式避讓，同時設置臨時桿件將提升點處的管桁架結構連接形成穩定的加強結構。考慮到縱橫管桁架交會處桿件空間分布，為確保提升支架與鋼屋蓋結構相互無干涉，利用BIM技術將鋼屋蓋結構、臨時加強桿件、提升支架整體建模，通過碰撞檢測，優化提升支架設計（圖8）。

圖8 典型提升支架BIM輔助設計

4.1.2 液壓整體提升系統設計

根據整體提升全過程有限元模擬分析，獲得每個提升點的最大反力，即對應每個提升點的最大提升力，選擇布置各提升點的提升千斤頂。各提升點反力及提升千斤頂配置如表1所示。圖9為整體提升采用的穿心式液壓千斤頂及計算機同步控制系統。

圖9 整體提升液壓千斤頂及同步控制系統

表1 各提升點反力及提升千斤頂配置

4.2 整體提升施工

4.2.1 試提升

液壓提升裝置系統安裝完成后，對提升系統各部件進行檢查驗收。鋼屋蓋在具備整體液壓提升條件之后，進行分級加載試提升，將整個鋼屋蓋提升離地200 mm，靜止4 h。對鋼屋蓋結構、提升支架、提升系統進行檢查和觀測，確保結構變形和受力符合施工模擬計算結果、提升系統安全可靠。

4.2.2 正式提升

試提升各項檢查結果符合要求后，方可正式提升。用測量儀器檢測各吊點的離地距離，計算出各吊點的相對高差。通過液壓提升系統設備調整各吊點高度，使鋼屋蓋結構達到水平姿態。正式提升速度控制在4～6 m/h，連續提升到位。提升過程中，對液壓提升系統進行實時監測，同時增加鋼屋蓋及提升支架的應力和變形監測。

4.3 提升過程監測

整體提升過程監測是提升安全的重要技術保障措施[5]。監測內容主要包括鋼屋蓋結構、臨時提升支架的應力及變形監測。通過全過程監測，確保提升過程中鋼屋蓋結構和提升支架的應力及變形在設計允許范圍內。

在鋼屋蓋整體拼裝時，根據監測方案做好監測點布置。變形監測采用全站儀測量，先在鋼屋蓋和提升支架變形監測點設置反射貼片或反射棱鏡。應力監測采用應變計，并采用無線傳輸方式采集數據，提高監測安全性。

鋼屋蓋提升前進行初始狀態監測數據采集。試提升并靜止懸停后，對提升點的位移、鋼屋蓋結構及提升支架的應力、變形以及各提升點提升荷載進行監測。

4.4 鋼屋蓋桿件補缺安裝

鋼屋蓋提升并精調到位后，補缺鋼屋蓋支座處桿件，使鋼屋蓋結構與支座形成整體。支座及與鋼屋蓋結構連接的鑄鋼節點在整體提升前臨時固定在柱頂。鋼屋蓋補缺構件為管桁架的下弦桿及腹桿，在鋼柱柱頂架設操作平臺，采用塔吊配合吊裝。補缺時，先根據提升停止時的鋼屋蓋定位，確定對應的鑄鋼節點標高，鑄鋼節點標高定位采用千斤頂調整。然后安裝相應的補缺構件，并完成補缺構件與管桁架及鑄鋼節點的焊接。

4.5 提升設備卸載

完成結構補缺后，鋼屋蓋形成自身完整的受力體系，提升千斤頂卸載，將鋼屋蓋荷載由提升千斤頂承載逐步轉換至自承載狀態。考慮到提升千斤頂布置在緊鄰鋼柱位置，卸載過程中各提升點產生的下降位移量很小，因此千斤頂卸載時采用力控為主。提升系統各項檢查合格后，先進行試卸載，觀察測控數據是否有異常。試卸載合格后分級進行正式卸載，初始兩級卸載按5%的卸載力值控制，后續可提高到10%、15%，直至提升鋼絞線安全松弛，完成千斤頂卸載，最后拆除提升設備和提升支架。

4.6 整體提升計算分析

整體提升過程中，結構處于非完整體系狀態，此時結構受力與終態受力存在較大差異，需對施工過程結構受力進行詳細分析。建成后的結構健康狀態受施工過程的影響顯著，為保證結構建成后的構件殘余應力最小，須對結構施工過程中的內力分布及變化進行分析[6]。

利用大型通用有限元分析軟件Abaqus，對鋼屋蓋整體拼裝、整體提升、支座處結構補缺完成等各階段進行施工過程仿真分析，對永久及臨時結構的變形、內力和穩定性進行驗算。計算結果表明，構件的內力與變形均在可控范圍內，鋼屋蓋采用整體提升的方案是可行的（圖10）。

圖10 鋼屋蓋整體提升最不利工況下內力及變形云圖

5 結語

通過對本工程大跨度鋼屋蓋結構以及現場施工條件及需求的深入分析、多方案比選，選擇了整體提升安裝的總體技術路線，并結合管桁架和鋼網架組合結構體系的結構形式，對鋼屋蓋整體拼裝、整體提升點布置、提升支架設計、提升器選型、鋼屋蓋結構臨時加強以及整體提升就位后的桿件補缺和體系轉換等關鍵施工技術進行了設計和研究。通過整體提升全過程計算分析和監測，確保整體提升技術的可行性和實施過程的安全性。