大跨度鋼結(jié)構(gòu)場館懸掛結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究

徐 馳（上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司， 上海 200072）

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)城市場館建筑領(lǐng)域，懸掛鋼結(jié)構(gòu)的安裝歷來是施工領(lǐng)域的重大難題。懸掛結(jié)構(gòu)通常設(shè)置于主體結(jié)構(gòu)外圍，以滿足下部空間需求或營造特殊外立面建筑形式。懸掛結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)形式上通常設(shè)置頂部鋼桁架，并通過吊柱或拉桿懸掛下方的樓層結(jié)構(gòu)。若吊柱或拉桿具有一定的傾斜角度，則其結(jié)構(gòu)受力體系更加復(fù)雜，施工精度要求更高。

1 項目概況

上海圖書館東館項目位于上海市浦東新區(qū)花木城市副中心，同上海展覽館東館、中國銀聯(lián)大廈相望。項目規(guī)劃用地面積約 3.96 萬 m2，總建筑面積 11.40 萬 m2，其中地上面積 7.80 萬 m2，地下建筑面積 3.60 萬 m2。主要由 1 棟 7 層高 50 m 塔樓、1 層高 8 m 裙房以及整體地下室組成。上部結(jié)構(gòu)主樓為 16.8 m×16.8 m 規(guī)則柱網(wǎng)，外圍一圈懸挑尺寸最大為 16.8 m，位于屋頂層，懸挑尺寸往下逐層遞減，結(jié)構(gòu)總高度 49.5 m，核心區(qū)域采用框架＋剪力墻筒體結(jié)構(gòu)，懸挑區(qū)域采用“懸掛結(jié)構(gòu)”。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，為了滿足新穎的建筑外觀設(shè)計要求，外圍的懸掛鋼結(jié)構(gòu)施工難度大，技術(shù)含量高。主體結(jié)構(gòu)采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)形式，4 個核心筒之內(nèi)的范圍為非懸挑區(qū)域，4 個核心筒之外的范圍為懸挑區(qū)域。非懸挑區(qū)域樓面荷載的傳力路徑是自上而下的：樓板→次梁→框架梁→框架柱/核心筒。懸挑區(qū)域樓面荷載的傳力路徑是自下而上的：樓板→次梁→框架梁→吊桿→屋頂桁架→框架柱/核心筒。

懸挑區(qū)域采用“懸掛結(jié)構(gòu)”，采用全鋼結(jié)構(gòu)。在屋頂設(shè)置上翻鋼桁架，并通過吊柱懸掛下面樓層荷載，下面各層均采用單向?qū)嵏逛摿航Y(jié)構(gòu)，吊柱與樓面鋼梁鉸接連接。懸掛吊柱的材質(zhì)均為 Q420C，采用直徑為 250 mm 和 290 mm 建筑 UU 吊柱。

3 工程重點(diǎn)及難點(diǎn)

（1）本工程鋼結(jié)構(gòu)施工面積非常廣、體量大，鋼結(jié)構(gòu)用量約為 2.4 萬 t，而且工期短，施工工期只有短短的 6 個月。這也是大跨度城市場館鋼結(jié)構(gòu)施工中的“通病”。

（2）本工程中的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，加勁肋密集。為了保證大跨度鋼結(jié)構(gòu)場館的使用性能和實(shí)踐，常常都需要采取大量高強(qiáng)度級別的鋼材，常見的有 Q390、Q420、Q460等，而且板厚大（最大板厚達(dá)到 100 mm）。因為鋼材的等級提升，其可焊性能會降低且焊縫的質(zhì)量等級要求高，焊接的條件較差，所以焊接難度很大。

（3）屋頂桁架層及外圍的懸掛結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)受力體系中非常復(fù)雜。在鋼結(jié)構(gòu)施工的過程中，需要滿足設(shè)計方對相關(guān)結(jié)構(gòu)的受力要求，且懸掛結(jié)構(gòu)及懸挑的桁架均需在安裝的過程中考慮預(yù)起拱。為了保障結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在安裝屋頂層懸挑桁架及懸掛結(jié)構(gòu)時需要設(shè)置臨時支撐系統(tǒng)，既要保障支撐系統(tǒng)滿足受力要求，還需要防止混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞的情況。

4 施工總體部署

總體部署原則為：在盡可能利用現(xiàn)場的施工機(jī)械的情況下進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的吊裝作業(yè)，工序安排上統(tǒng)籌考慮，與相關(guān)單位的施工順序合理搭接。在整體的資源保證上比選優(yōu)化、均衡配置，施工管理上全面協(xié)調(diào)、積極配合。

考慮現(xiàn)場的實(shí)際工況及結(jié)構(gòu)的特殊受力要求，框架結(jié)構(gòu)采用了動臂吊車施工作業(yè)。在懸挑桁架及懸掛結(jié)構(gòu)中采用了分段吊裝作業(yè)配合臨時支撐系統(tǒng)的作業(yè)方案。在屋頂層結(jié)構(gòu)完成后繼續(xù)下方的懸掛結(jié)構(gòu)施工；主樓非懸挑區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)施工完成后，開始懸挑區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)施工。下方的樓層開始利用上一層主樓結(jié)構(gòu)斜拉下層懸掛結(jié)構(gòu)，屋頂層懸挑桁架施工時利用下層主樓結(jié)構(gòu)設(shè)置斜撐，桁架分段安裝，懸掛結(jié)構(gòu)吊柱待懸挑桁架施工完成后，從頂層逐層安裝至底層；吊裝安裝完成后再自上而下逐層卸載。

4.1 總體安裝流程

非懸挑區(qū)域采用“自下而上，先柱后梁”的施工技術(shù)路線，即傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)路線。屋頂層鋼結(jié)構(gòu)分為三部分：屋頂層主樓區(qū)域（除核心筒）鋼構(gòu)件、屋頂層核心筒區(qū)域的鋼構(gòu)件和屋頂層懸挑區(qū)域的鋼構(gòu)件。整個屋頂層由主次桁架以及聯(lián)系梁組成。使用塔吊進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)吊裝。屋頂層桁架施工平面流程及順序如下。

（1）安裝核心筒內(nèi)的主桁架。

（2）安裝數(shù)字軸線主桁架及對應(yīng)邊桁架。

（3）安裝字母軸線上主桁架及對應(yīng)邊桁架。

（4）安裝核心筒上方剩余桁架 。

懸挑區(qū)域采用“自下而上逐層施工，自上而下逐層拆除臨時斜拉桿”的施工技術(shù)路線。在頂層懸挑桁架利用臨時支撐系統(tǒng)分段安裝完成后，開始進(jìn)行懸掛吊柱的安裝，逐層“自上而下”安裝至底層，在吊柱本體上設(shè)置應(yīng)變片監(jiān)控吊柱的受力和變形情況，確保吊柱全過程只受到拉應(yīng)力。實(shí)施步驟如下。

（1）根據(jù)每層的預(yù)起拱值，計算出層間的吊柱理論長度。

（2）在地面利用調(diào)整工具把吊柱調(diào)節(jié)成理論長度進(jìn)行安裝。

（3）安裝樓層的斜拉撐及吊柱，安裝完成后繼續(xù)上一層的斜拉撐及吊柱安裝。

（4）如通過吊柱上的應(yīng)變片監(jiān)測到壓應(yīng)力，則需要停止該部位的施工并查明原因方可繼續(xù)下一步施工。

（5）每層吊柱安裝完成后需要監(jiān)測懸挑結(jié)構(gòu)的起拱值，確保滿足設(shè)計要求。

4.2 現(xiàn)場總體焊接順序

根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及懸掛吊柱的受力要求，在焊接時采取整體對稱焊接，以減少焊接產(chǎn)生的應(yīng)力變形。焊接過程中要進(jìn)行全面的結(jié)構(gòu)標(biāo)高、垂直度及水平度的監(jiān)控，保證結(jié)構(gòu)的預(yù)起拱值達(dá)到設(shè)計要求。焊接的順序為先焊接核心筒；然后依次焊接核心筒周圍的非懸挑區(qū)域；等非懸挑區(qū)域焊接完成后，再進(jìn)行懸挑區(qū)域的構(gòu)件焊接；最后進(jìn)行懸掛吊柱的相關(guān)節(jié)點(diǎn)焊接。

4.3 施工模擬分析

本工程的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了保證安裝進(jìn)度及施工過程中的安全，利用 Midas/Gen 軟件（是一種有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計有限元分析軟件，采用高效分析算法，可為復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)的建模和分析提供出色的設(shè)施和生產(chǎn)力）進(jìn)行施工全過程模擬分析。主要分析懸掛結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力狀態(tài)變化規(guī)律，分析臨時支撐系統(tǒng)卸載前后的結(jié)構(gòu)變形及懸掛吊柱的受力狀態(tài)。利用施工全過程的模擬分析確定臨時支撐措施的拆除順序及流程。

根據(jù)施工技術(shù)路線，建立關(guān)鍵施工階段計算模型。共分為 19 個施工階段，從 ST-1 至 ST-19，如表1 所示。

表1 施工階段一覽表

對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工全過程跟蹤分析。分析得到的施工階段下的結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布及撓度分布，如表2 所示。

表2 施工全過程跟蹤分析結(jié)果表

結(jié)構(gòu)成型過程中，在自重荷載作用下，桿件應(yīng)力最大值為 202.9 N/mm2，最大應(yīng)力出現(xiàn)在臨時斜拉桿上。當(dāng)?shù)鯒U安裝完成，臨時斜拉桿逐層拆除后，桿件應(yīng)力最大值為 141.6 N/mm2，最大應(yīng)力出現(xiàn)在主體結(jié)構(gòu)樓面梁上。在澆注樓面混凝土后，主體結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力達(dá)到 173.0 N/mm2。在結(jié)構(gòu)成型過程中，隨著臨時斜拉桿逐層拆除，主體結(jié)構(gòu)的撓度不斷增加，在澆注樓面混凝土前，結(jié)構(gòu)最大撓度為 96.0 mm，在澆注樓面混凝土后，結(jié)構(gòu)最大撓度為 126.7 mm。均滿足設(shè)計和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求。

5 結(jié) 語

結(jié)合本工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和實(shí)際的工況，對支撐體系的穩(wěn)定性和受力情況進(jìn)行計算，形成穩(wěn)定的支撐體系。懸掛結(jié)構(gòu)通過先進(jìn)的建造設(shè)備和施工工藝，施工過程中采用分階段的施工全過程模擬分析，科學(xué)合理地定制了懸掛結(jié)構(gòu)的安裝順序，保證了鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵施工過程中的安全可靠性和安裝準(zhǔn)確性，達(dá)到了設(shè)計和相關(guān)規(guī)范的要求。