某超高單體整體式提升施工技術(shù)分析
——以某雷電試驗大廳項目為例

楊 陽 （長江精工鋼結(jié)構(gòu)（集團(tuán)）股份有限公司，安徽 六安 237161）

1 工程概況

某雷電防護(hù)與試驗研究重大試驗設(shè)施建設(shè)項目位于安徽省合肥市廬陽區(qū)大科學(xué)裝置集中區(qū)，試驗大廳由A 區(qū)和B區(qū)兩個試驗區(qū)和若干內(nèi)附樓組成，A 區(qū)、B 區(qū)和附樓之間設(shè)縫脫開。A 區(qū)試驗大廳結(jié)構(gòu)類型為巨型四肢格構(gòu)柱+鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，B 區(qū)試驗大廳結(jié)構(gòu)類型為鋼排架+網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)找坡5%。A 區(qū)試驗大廳為超高大跨度單層工業(yè)建筑，建筑高度為116m，總建筑面積約14300m2，平面內(nèi)軸線尺寸為131m×110m，下弦中心標(biāo)高110m。B 區(qū)試驗大廳建筑高度為33.1m，總建筑面積約4851m2，平面內(nèi)軸線尺寸為52.5m×110.0m，下弦中心標(biāo)高30m。總建筑面積約19222.5m2。

圖1 軸測示意圖

2 工程重難點分析

A 區(qū)試驗大廳為超高大跨度單層工業(yè)建筑，平面內(nèi)軸線尺寸為120m×100m，下弦中心標(biāo)高110m，主要包括格構(gòu)柱、格構(gòu)梁以及屋頂網(wǎng)架。采用巨型四肢格構(gòu)柱+鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系，屋蓋采用正交正放焊接球網(wǎng)架。支承柱主要為四肢格構(gòu)柱，基本柱距20m，大門處柱凈距51m，和B 區(qū)相接處柱凈距60m。格構(gòu)柱基本肢距5m×5m，柱高110m，主肢和綴條均采用圓鋼管，相貫焊接。柱高范圍內(nèi)設(shè)4 道箱形水平桁架，采用圓鋼管截面，相貫節(jié)點。在四邊設(shè)置縱向支撐，亦采用鋼管截面。

圖2 A區(qū)鋼結(jié)構(gòu)軸側(cè)示意圖

A 區(qū)試驗大廳網(wǎng)架主要由網(wǎng)架球及圓管的網(wǎng)架桿件組成，如圖3所示。

圖3 圓管和焊接球?qū)嵗龍D

鋼柱為四肢格構(gòu)柱，主要由圓管構(gòu)件和空心圓球（部分加單肋）組成，肢腿間距5m，主肢構(gòu)件、腹桿構(gòu)件、斜桿構(gòu)件皆為圓管，格構(gòu)柱如圖4所示。

圖4 格構(gòu)柱整體軸測圖

水平桁架梁主要分布在標(biāo)高22m、49.5m、70m、90m 處，構(gòu)件形式均為圓管構(gòu)件，如圖5所示。

圖6 正常使用極限狀態(tài)下DZ圖（單位：mm）

圖7 桿件應(yīng)力比柱狀圖

圖9 提升示意圖2

圖10 A區(qū)主結(jié)構(gòu)分析模型

圖11 B區(qū)網(wǎng)架分析模型

格構(gòu)柱地面分片拼裝、網(wǎng)架地面拼裝以及散拼對接均使用到掛籃作為臨時操作平臺，為保證高處作業(yè)掛籃的安全性，對其進(jìn)行仿真模擬分析。

掛籃使用的桿件截面，立桿為φ16的圓鋼，腹桿為φ12的圓鋼，桿件均采用Q235B 材質(zhì)。恒荷載（DL），桿件自重，軟件模擬自算?；詈奢d（LL），施工人員自重1kN，單腳與掛籃下方鋼筋最小接觸長度0.1m，最小接觸數(shù)量為3 根，橫桿線荷載為1/（0.1×3）=3.3kN/m，雪荷載及風(fēng)荷載均不考慮。

通過應(yīng)力圖可以得出，掛籃桿件的最大應(yīng)力比為0.78〈0.90，大部分桿件應(yīng)力比在0.50 以下，桿件受力較合理，滿足規(guī)范要求。

本工程主結(jié)構(gòu)最大高度達(dá)116m，而且鋼屋架跨度大，格構(gòu)柱、屋面網(wǎng)架補(bǔ)桿等均為高空起吊，安裝精度比較難控制，現(xiàn)場施工安裝的安全隱患較大。為了能安全順利實施，格構(gòu)柱層間布置鋼爬梯，方便操作人員上下，周邊設(shè)好防護(hù)欄，為保證高空安裝施工防護(hù)，要求梁柱連接，在柱身設(shè)置可裝配式操作平臺。

網(wǎng)架提升到設(shè)計位置后需安裝嵌補(bǔ)桿件，為了提高安裝效率以及保證操作安全，在網(wǎng)架之間沿上下弦桿搭設(shè)水平行走通道。該通道采用標(biāo)準(zhǔn)化鋼平臺搭設(shè)，通過鋼筋掛鉤將鋼平臺固定在網(wǎng)架上下弦桿上。

高空嵌補(bǔ)桿件安裝時利用水平行走通道進(jìn)行桿件裝配，裝配完成后通過點焊固定，嵌補(bǔ)桿與球節(jié)點正式焊接時采用標(biāo)準(zhǔn)化鋼平臺輔助操作，標(biāo)準(zhǔn)化鋼平臺采用φ12 的圓鋼焊接而成，吊籠寬0.6m、長0.8m、高1.2m。

3 網(wǎng)架安裝方案

A 區(qū)試驗大廳網(wǎng)架平面尺寸為110.0m×131.0m，總重量約899.188t，最高點高度達(dá)116.7m，通過類似項目的施工經(jīng)驗對該項目進(jìn)行特點分析，擬采用地面拼裝后背拉式整體提升的方法進(jìn)行安裝。首先用400t 履帶吊吊裝四周邊部的網(wǎng)架，中間位置的均在地面進(jìn)行拼裝，然后用提升設(shè)備整體提升網(wǎng)架并及時進(jìn)行補(bǔ)桿。

B 區(qū)試驗大廳網(wǎng)架平面尺寸為52.5m×110.0m，總重量約322.017t，最高點高度達(dá)35.3m，網(wǎng)架球均為焊接球，采用整體提升。

4 施工模擬分析

4.1 A區(qū)試驗大廳鋼結(jié)構(gòu)施工仿真分析

A 區(qū)試驗大廳采用巨型四肢格構(gòu)柱+鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系，屋蓋采用正交正放焊接球網(wǎng)架。支承柱主要為四肢格構(gòu)柱，基本柱距20m，大門處柱凈距51m，和B區(qū)相接處柱凈距80m。格構(gòu)柱基本肢距5m×5m，柱高110m，主肢和綴條均采用圓鋼管，相貫焊接。柱高范圍內(nèi)設(shè)4 道箱形水平桁架，采用圓鋼管截面，相貫節(jié)點。在四邊設(shè)置縱向支撐，采用鋼管截面。

A 區(qū)四肢格構(gòu)柱采用分段吊裝，屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)地面拼裝，然后采用液壓整體提升的安裝方法施工，試驗大廳大門處格構(gòu)柱下方采用臨時支撐架進(jìn)行支撐，防止施工過程中產(chǎn)生較大的下?lián)献冃巍楸ＷC鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全可靠、質(zhì)量可控，對該部分鋼結(jié)構(gòu)做施工仿真模擬分析。

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的特點，結(jié)構(gòu)整體計算分析選用MIDAS/GEN 有限元分析軟件來模擬鋼結(jié)構(gòu)的施工過程。

鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中出現(xiàn)的主要荷載工況為鋼結(jié)構(gòu)自身的重量，其次是施工中風(fēng)荷載的影響，鋼結(jié)構(gòu)施工模擬分析時考慮的荷載工況及組合如表1 所示。

表1 鋼結(jié)構(gòu)施工模擬分析荷載工況及組合

表2 A區(qū)試驗大廳施工模擬結(jié)果分析

4.2 A區(qū)試驗大廳施工模擬結(jié)果分析

由施工模擬分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)在施工過程中最大撓度為216.86mm，出現(xiàn)在網(wǎng)架跨中位置。設(shè)計狀態(tài)下，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一次成型的最大撓度為212mm，施工完成后結(jié)構(gòu)的撓度比一次成型狀態(tài)增加了4.86mm，該區(qū)域可以采取預(yù)起拱的方式來保證網(wǎng)架撓度。除網(wǎng)架跨中局部位置外，其余地方結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載等共同作用下變形較小，能滿足要求。鋼結(jié)構(gòu)在自重及風(fēng)荷載等作用下，施工過程中構(gòu)件的最大應(yīng)力比為0.893，結(jié)構(gòu)一直處于彈性受力狀態(tài)。鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢，支撐架卸載后，結(jié)構(gòu)桿件的最大應(yīng)力比為0.659，桿件應(yīng)力比較小，能滿足要求。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)論，A區(qū)鋼結(jié)構(gòu)按上述方法施工安全、可靠，施工質(zhì)量有所保障。

4.3 A區(qū)試驗大廳大門支撐架驗算

①荷載工況及荷載組合

A 區(qū)主結(jié)構(gòu)吊裝中大門位置采用四肢圓管格構(gòu)式支撐架作為臨時支撐，支撐架平面尺寸為5m×5m，節(jié)間高度為5m，最大搭設(shè)高度為22m，支撐架立桿采用P377×16 的圓管，腹桿采用P180×8 的圓管，支撐架所有桿件材質(zhì)均為Q355B。

由于臨時支撐高度較高，為保證支撐在使用過程中的安全和穩(wěn)定，現(xiàn)對支撐架進(jìn)行驗算分析。支撐架驗算時，考慮的荷載工況和荷載組合如表3所示。

表3 支撐架驗算時荷載工況和荷載組合

②支撐架變形及承載力驗算

首先判斷支撐架變形是否滿足要求，同時對支撐架的承載力和整體穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，保證支撐架在使用過程中不會發(fā)生強(qiáng)度破壞和整體失穩(wěn)現(xiàn)象。支撐架驗算結(jié)果如表4所示。

表4 支撐架驗算結(jié)果

4.4 B區(qū)試驗大廳鋼結(jié)構(gòu)施工仿真分析

B 區(qū)廠房上部結(jié)構(gòu)采用鋼格構(gòu)柱+鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式，平面軸線尺寸為52.5m×110.0m，基本柱距為10.0m，局部5.0m、8.5m、9.0m。網(wǎng)架下弦中心標(biāo)高30m，東側(cè)通道處跨度為81m，采用正交正放鋼網(wǎng)架，基本網(wǎng)格尺寸為5m×5m，網(wǎng)架節(jié)點為焊接空心球節(jié)點。

屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用地面拼裝、液壓整體提升的安裝方法進(jìn)行施工，提升架主要設(shè)置在柱頂位置，同時靠近A 區(qū)大門位置設(shè)置臨時提升架。為防止施工過程中產(chǎn)生較大的下?lián)献冃?，保證鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全可靠、質(zhì)量可控，對該部分鋼結(jié)構(gòu)做施工仿真模擬分析。

鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中出現(xiàn)的主要荷載工況為鋼結(jié)構(gòu)自身的重量，其次是施工中風(fēng)荷載的影響，本工程鋼結(jié)構(gòu)施工模擬分析時考慮的荷載工況及組合如表5所示。

表5 鋼結(jié)構(gòu)施工模擬分析荷載工況及組合

表6 B區(qū)試驗大廳施工模擬結(jié)果分析

4.5 B區(qū)試驗大廳施工模擬結(jié)果分析

由施工模擬分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)在施工過程中最大撓度為69.526mm，出現(xiàn)在網(wǎng)跨中位置。設(shè)計狀態(tài)下，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一次成型的最大撓度為146mm，施工過程撓度滿足要求。除靠近A 區(qū)大門局部位置外，其余地方結(jié)構(gòu)變形較小，能滿足要求。鋼結(jié)構(gòu)在自重作用下，施工過程中構(gòu)件的最大應(yīng)力比為0.858，結(jié)構(gòu)一直處于彈性受力狀態(tài)，鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢，支撐架卸載后，結(jié)構(gòu)桿件的最大應(yīng)力比為0.433，桿件應(yīng)力比較小，能滿足要求。故根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)論，B 區(qū)網(wǎng)架按上述方法施工安全可靠，施工質(zhì)量有所保障。

4.6 B區(qū)網(wǎng)架提升架驗算

①荷載工況及荷載組合

B 區(qū)網(wǎng)架提升過程中分別在柱頂以及額外設(shè)置臨時提升架作為提升裝置，柱頂支撐架立桿采用P219×10 的圓管，腹桿采用P89×4 的圓管，支撐架柱頂橫梁采用口180×20 的方管，臨時支撐架立桿采用P245×12 的圓管，腹桿采用P180×8 的方管，支撐架柱頂橫梁采用口450×25 的方管，提升架所有桿件材質(zhì)均為Q355B。支撐架驗算時，考慮的荷載工況和荷載組合如表7所示。

表7 支撐架驗算荷載工況和荷載組合

②支撐架變形及承載力驗算

首先判斷提升架變形是否滿足要求，同時對提升架的承載力和整體穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，保證提升架在使用過程中不會發(fā)生強(qiáng)度破壞和整體失穩(wěn)現(xiàn)象。提升架驗算結(jié)果如表8所示。

表8 提升架驗算結(jié)果

5 結(jié)語

通過有限元軟件對支撐架的變形、承載力和穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，A 區(qū)試驗大廳在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，支撐架三向位移綜合值為6.87mm，支撐架變形較小，剛度較好。在最不利荷載組合作用下，支撐架最大應(yīng)力比為0.331，支撐架處于彈性受力狀態(tài)，承載力完全能滿足要求，且桿件應(yīng)力比冗余合理。支撐架整體穩(wěn)定屈曲因子為5.57＞1，支撐架穩(wěn)定性較好，能夠滿足施工需要。

B 區(qū)試驗大廳在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，支撐架三向位移綜合值為20.437mm，支撐架變形較小，剛度較好。在最不利荷載組合作用下，支撐架最大應(yīng)力比為0.867，支撐架處于彈性受力狀態(tài)，承載力完全能滿足要求，且桿件應(yīng)力比冗余合理，能滿足施工要求。支撐架整體穩(wěn)定屈曲因子為15.1＞1，支撐架穩(wěn)定性較好，能夠滿足施工需要。通過以上分析可知，該規(guī)格的支撐架安全、可靠，能滿足施工使用要求。