超高層鋼結(jié)構(gòu)塔冠節(jié)段安裝過程優(yōu)化研究

余 昊，曾小輝，祖公博，曹 智，胡 亮，江揚(yáng)波

（中國(guó)建筑第二工程局有限公司 華南分公司，廣東 深圳 518000)

超高層建筑頂部結(jié)構(gòu)在承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)自重、使用荷載和水平風(fēng)荷載向下傳遞的承重責(zé)任外，往往還需同時(shí)滿足建筑美學(xué)和觀光使用的需要，因此當(dāng)前很多超高層建筑設(shè)計(jì)采用鋼結(jié)構(gòu)桁架塔冠的結(jié)構(gòu)形式以同時(shí)滿足多曲面設(shè)計(jì)和視野通透的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段雖然對(duì)鋼結(jié)構(gòu)塔冠整體進(jìn)行了強(qiáng)度及穩(wěn)定性等分析，但是安裝過程中尤其是目前常用的節(jié)段安裝過程的受力體系是截然不同的，據(jù)作者了解，相關(guān)研究仍不系統(tǒng)，因此本研究以某超高層魚腹式塔冠的安裝過程為研究對(duì)象，對(duì)超高層塔冠安裝的典型節(jié)段進(jìn)行受力分析，并對(duì)節(jié)段劃分和施工次序進(jìn)行優(yōu)化，為科研和技術(shù)工作者在超高層鋼結(jié)構(gòu)塔冠安裝的整體部署和方案編制提供借鑒和參考。

1 項(xiàng)目塔冠設(shè)計(jì)概況

本項(xiàng)目用地面積9 950m2，總建筑面積19 萬m2，場(chǎng)地內(nèi)擬建1 棟超高層辦公樓和商業(yè)裙房，塔樓最高高度333m，共72 層。

塔樓在302m 以上設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)塔冠，塔冠由40 榀魚腹式豎向桁架及3 道水平環(huán)桁架組成空間桁架結(jié)構(gòu)，每榀魚腹式桁架高度達(dá)31.5m。每?jī)砷~腹式桁架間距為3m；每榀魚腹式桁架由3 段桁架現(xiàn)場(chǎng)拼裝而成，分段后構(gòu)件最大重量為2.7t，塔冠四角還設(shè)置角桁架及斜撐桿件連接相鄰的兩榀桁架。除現(xiàn)場(chǎng)組拼的單元外，其余構(gòu)件由制作廠按編號(hào)整捆打包發(fā)至現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行空中散拼，散拼桿件最長(zhǎng)為9m，最重為0.7t。雙榀構(gòu)件自重15.6t，單榀構(gòu)件自重7.8t。鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q355C 和Q355B，主要構(gòu)件截面形式為圓管型截面，直徑范圍為?140～?350mm。

2 塔冠安裝方案策劃

如圖1 所示，塔冠結(jié)構(gòu)為空間桁架，其主要構(gòu)造由魚腹式桁架（圖2）、水平環(huán)桁架、角桁架等組成。策劃主要采用“地面拼裝+原位吊裝+散件嵌補(bǔ)”的施工工藝，地面拼裝主要為單榀魚腹式桁架吊裝單元及兩榀魚腹式桁架組成的雙榀吊裝單元。

圖1 塔冠結(jié)構(gòu)三維構(gòu)造

圖2 魚腹式桁架拼裝

本項(xiàng)目塔冠為桁架空間結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式傳力復(fù)雜，穩(wěn)定性較差，考慮到桁架受力及安裝需要，在未形成整體之前，通常需采取臨時(shí)措施，如臨時(shí)斜撐、臨時(shí)鋼絲繩、臨時(shí)拉桿等，對(duì)安裝形式進(jìn)行分析和優(yōu)化。

3 塔冠安裝優(yōu)先元分析優(yōu)化

為分析魚腹式桁架受力及安裝需求，采用大型建筑結(jié)構(gòu)通用有限元分析與計(jì)算軟件midas Gen（2020 V2.1 版本）建立模型，并對(duì)不同支撐方式進(jìn)行受力分析，合理設(shè)置支撐。

如圖3、圖4 所示，本次采用整體模型（無下拉桿）、雙榀桁架（有下拉桿、無底部方通斜撐）、雙榀桁架（無下拉桿、增加底部方通斜撐）分別進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性及撓度驗(yàn)算分析。

圖3 整體模型（無下拉桿）

圖4 雙榀桁架模型

3.1 施工荷載與邊界條件

由于塔冠位于結(jié)構(gòu)最高位置，因此安裝過程不僅要考慮自重的影響，更要考慮風(fēng)荷載對(duì)塔冠增加的壓力。結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性驗(yàn)算采用50 年一遇風(fēng)荷載，基本風(fēng)壓0.9kN/m2，結(jié)構(gòu)變形位移采用10 年一遇風(fēng)荷載，基本風(fēng)壓0.45kN/m2，地貌類型C 類。風(fēng)荷載按結(jié)構(gòu)實(shí)際標(biāo)高根據(jù)梯度風(fēng)剖面計(jì)算得到。

3.2 桁架安裝受力分析

經(jīng)分析，塔冠安裝最不利工況應(yīng)為魚腹式桁架第一榀安裝，該工況側(cè)向無固定支撐，桁架最易發(fā)生安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，該位置上部斜拉桿安裝十分困難，需要搭設(shè)30m 高操作架，因此對(duì)該斜拉桿的作用也需要進(jìn)行分析比較。本研究首先對(duì)第一榀桁架安裝過程進(jìn)行有限元模擬分析，并對(duì)臨時(shí)固定措施進(jìn)行了探索。

在兩方向風(fēng)荷載作用下，發(fā)現(xiàn)水平荷載作用下位移較大，因此主要考慮該最不利工況。如圖5 所示，雙榀桁架連接上部下拉斜桿和不連接上部下拉斜桿最大相對(duì)位移為37.7mm 和37.3mm，下拉斜桿剛度不大，對(duì)下部整體位移幫助較小。雙榀桁架底部桁架單元撓度計(jì)算超限，不符合要求。如圖6所示，考慮在下層節(jié)點(diǎn)位置兩端增設(shè)方通八字斜撐以及鋼絲繩，通過該措施最大位移12.8mm，位移比1/281（<1/250），滿足要求。因此在安裝過程中采用下方增設(shè)方通八字斜撐以及鋼絲繩進(jìn)行臨時(shí)固定，以保證安裝過程安全。

圖5 雙榀桁架最不利工況位移云圖

圖6 優(yōu)化后雙榀桁架位移云圖

3.3 塔冠整體性分析

如圖7 所示，對(duì)無下拉桿的整體模型的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及撓度繼續(xù)驗(yàn)算，最不利位置位于迎風(fēng)面的桁架中部，強(qiáng)度滿足要求，整體模型最大相對(duì)位移為6mm，最大位移發(fā)生在水平桿下方桁架中部，位移比1/600（<1/250），位移滿足要求，因此通過有限元分析優(yōu)化，可以在最后安裝斜拉桿。

圖7 1.0D+1.0Wx（Wy)+0.8L 整體結(jié)構(gòu)位移（最不利工況）

4 塔冠施工部署

南北兩側(cè)吊裝單元為兩榀組合魚腹式桁架，吊裝順序如圖8 所示，由中間往兩側(cè)施工，每吊兩榀的雙榀吊裝單元，即馬上進(jìn)行兩單元間的散拼環(huán)桁架的吊裝。南北側(cè)施工完成后先進(jìn)行西北側(cè)雙榀魚腹式單元的吊裝，然后安裝西北側(cè)三角區(qū)域構(gòu)件；接著吊裝東北側(cè)吊裝單元，此時(shí)既有雙榀魚腹式組合吊裝單元又有單榀魚腹式吊裝單元，吊裝完成后再吊裝東北側(cè)三角桁架單元。

圖8 魚腹式桁架安裝流程圖

最后依次拆除塔機(jī)，吊裝塔機(jī)洞口影響區(qū)域構(gòu)件，至此整體結(jié)構(gòu)吊裝完畢。

5 塔冠安裝過程

由以上受力模型分析可知，為保證塔冠受力及安裝穩(wěn)定性要求，雙榀桁架下層節(jié)點(diǎn)位置增加八字斜撐。具體安裝流程如下（圖9、圖10）。

圖9 塔冠安裝步驟1

圖10 塔冠安裝步驟2

1）吊裝南側(cè)正中兩榀桁架對(duì)應(yīng)的兩根水平桿，角度按圖放樣，角鋼臨時(shí)支撐。

2）吊裝正中第一吊雙榀桁架，就位后校正桁架，確保定位精準(zhǔn)，焊接水平圓管與桁架的貫口；同時(shí)，在下部焊接八字方通斜支撐，支撐要確保桁架受力，焊接牢固，并在桁架上部拉鋼絲繩固定于屋面預(yù)埋掛鉤上，塔機(jī)松鉤，吊裝剩余核心筒連接桿件。

3）正中第一榀焊接完成，吊裝左側(cè)或右側(cè)雙榀桁架吊裝單元，與第一榀桁架接觸定位連接，校正后焊接桁架間水平連接圓管及八字方通斜支撐，施工全程塔機(jī)不摘鉤。

4）吊裝桁架與核心筒連接的3 根水平撐，就位調(diào)整水平后焊接兩端。再吊裝兩榀間剩余的桿件，就位后隨之完成焊接，三四步亦可吊裝正中位置桁架的右側(cè)吊裝單元，此兩位置吊裝先后順序?qū)Y(jié)構(gòu)受力并無影響。

5）依次采用上述步驟對(duì)塔樓南側(cè)構(gòu)件吊裝并焊接，均為雙榀吊裝單元。

6）吊裝塔樓北側(cè)桁架單元，與塔樓南側(cè)桁架吊裝步驟相同，均為雙榀吊裝單元。

7）吊裝東南角雙榀桁架及三角桁架單元，接著吊裝西南角一個(gè)雙榀和一個(gè)單榀桁架及其三角桁架單元，三角桁架共四道，由下往上進(jìn)行安裝。

8）由南向北吊裝東側(cè)三吊雙榀桁架單元。吊裝步驟與南北兩側(cè)相同，均先吊裝與核心筒的連接桿件，再裝對(duì)應(yīng)的桁架。

9）自下而上吊裝東北角三角單元。

10）由南往北吊裝西側(cè)構(gòu)件，共兩榀雙榀桁架，一榀單榀桁架，吊裝步驟同南北兩側(cè)，均先吊與核心筒間的連接桿件再裝桁架。

11）自下而上吊裝西北側(cè)三角桁架。

12）待東側(cè)塔機(jī)拆除后，用西側(cè)塔機(jī)，吊裝塔機(jī)洞口2 個(gè)單榀吊裝單元，自下而上吊裝剩余散拼桿件。

13）用屋面塔機(jī)吊裝西側(cè)塔機(jī)洞口，吊裝步驟同東側(cè)。

14）吊裝塔冠上方斜撐。

6 結(jié)語

在整體安裝過程中，對(duì)魚腹式桁架進(jìn)行受力分析是非常重要的。由以上結(jié)果可以看出，施工過程中，魚腹式桁架在不同支撐狀態(tài)下，桁架穩(wěn)定性差距較大，設(shè)計(jì)下拉桿支撐對(duì)整體穩(wěn)定幫助不大，增加底部方通斜撐整體及雙榀桁架受力能夠得到保證。