劉 藝， 張仕江

(1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都 610065； 2.中國水利水電第七工程局二分局，四川成都 610081)

隨著建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多設(shè)有連廊的高層建筑被廣泛應(yīng)用于各類公共建筑和商業(yè)建筑中[1-3]。連廊結(jié)構(gòu)形式，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、施工條件等因素，通常情況下，當(dāng)跨度不大時多采用鋼筋混凝土或勁性混凝土結(jié)構(gòu)，跨度較大的連廊則一般選擇鋼結(jié)構(gòu)。大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工安裝方法的選擇與結(jié)構(gòu)類型息息相關(guān)[4]。在國內(nèi)，有采用高空散裝法的國家游泳中心—水立方[5]、分條吊裝的國家大劇院[6]、高空滑移的北京五棵松籃球館[7]、整體吊裝的老山自行車館[8]、整體提升的國家數(shù)字圖書館[9]、整體頂升的三門峽南站候車大廳[10]等。

本工程鋼結(jié)構(gòu)連廊為高空大跨度多層多榀鋼桁架結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式鋼連廊，它不僅是連接兩側(cè)塔樓的通道，也是建筑物本身的一部分，作為辦公及生活區(qū)域。根據(jù)結(jié)構(gòu)布置特點及以往類似工程的成功經(jīng)驗，鋼結(jié)構(gòu)連廊安裝采用“超大型構(gòu)件液壓同步提升技術(shù)”[11-13]。整體提升法具有高空作業(yè)量少、拼裝精度高、施工周期短、施工安全性好等優(yōu)點。由于多層多榀的結(jié)構(gòu)形式和多方面的使用功能，鋼結(jié)構(gòu)連廊有著自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點和受力變形特征。整體提升時需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力變形分析，確保提升過程的安全性。因此本文對該高空大跨度多層多榀鋼結(jié)構(gòu)連廊整體提升工程，通過有限元計算，對其提升施工過程的安全性進(jìn)行分析，并通過連續(xù)施工監(jiān)控，證明提升施工的有效性和安全性。

1 工程概況

本工程為中電建金屬結(jié)構(gòu)研發(fā)中心鋼結(jié)構(gòu)連廊項目， 位于成都天府新區(qū)興隆湖畔，分為A、B兩個區(qū)。A區(qū)高層采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系，9～12層之間有跨度為48 m的鋼結(jié)構(gòu)桁架連廊，鋼連廊平面上位于A-D軸交4-10線，共四榀主桁架，提升總重量約651 t。B區(qū)采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，4～5層之間有跨度為48 m的鋼結(jié)構(gòu)桁架連廊，鋼連廊平面上位于D-H軸交4-10線，共五榀主桁架，提升總重量約753 t。桁架構(gòu)件采用普通焊接H型鋼，最大截面為WH800×500×50×50。鋼桁架支承于兩端型鋼混凝土柱，鋼桁架相關(guān)區(qū)域樓蓋采用鋼梁、現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，鋼結(jié)構(gòu)連廊采用整體液壓提升，金結(jié)研發(fā)中心整體效果如圖1所示。

圖1 金結(jié)研發(fā)中心整體效果

本文以A區(qū)鋼結(jié)構(gòu)連廊為例，進(jìn)行模擬計算及監(jiān)測分析。

2 施工方案

2.1 提升方案設(shè)計

本工程中，A區(qū)鋼結(jié)構(gòu)連廊的最高安裝標(biāo)高為+47.4 m，采用整體提升法。將連廊鋼結(jié)構(gòu)提升單元在其投影面的正下方的地下室頂板上拼裝為整體，并利用結(jié)構(gòu)屋面層連廊結(jié)構(gòu)預(yù)裝段設(shè)置提升平臺，在已拼裝完成的桁架上弦處與上吊點對應(yīng)的位置安裝提升臨時牛腿及專用底錨，上下吊點間通過鋼絞線連接，利用液壓同步提升系統(tǒng)將連廊鋼結(jié)構(gòu)提升單元整體提升至設(shè)計標(biāo)高完成安裝(圖2)。A區(qū)鋼結(jié)構(gòu)連廊整體提升過程中共設(shè)置8個吊點，吊點布置如圖3所示。

圖2 A區(qū)鋼結(jié)構(gòu)連廊提升立面示意

圖3 A區(qū)鋼結(jié)構(gòu)連廊吊點布置

2.2 提升施工流程

(1)連廊鋼結(jié)構(gòu)提升單元(除第9層吊掛結(jié)構(gòu)外)在其投影面正下方的地下室頂板上拼裝成整體，包括加固桿件、提升臨時措施等附屬結(jié)構(gòu)；

(2)在結(jié)構(gòu)的屋面層(+47.400 m)利用桁架預(yù)裝段及主樓結(jié)構(gòu)勁性柱設(shè)置提升平臺，并安裝液壓同步提升系統(tǒng)設(shè)備，然后在已拼裝完成的連廊鋼結(jié)構(gòu)桁架下弦的兩端與上吊點對應(yīng)的位置安裝下吊點提升吊具；

(3)在提升上下吊點之間安裝專用鋼絞線及專用底錨，并調(diào)試液壓同步提升系統(tǒng)；

(4)張拉鋼絞線，使得所有鋼絞線均勻受力，檢查連廊鋼結(jié)構(gòu)提升單元以及液壓同步提升的所有臨時措施是否滿足設(shè)計要求；

(5)確認(rèn)無誤后，按照設(shè)計荷載的20 %、40 %、60 %、70 %、80 %、90 %、95 %、100 %的順序逐級加載，直至提升單元脫離拼裝平臺；

(6)提升單元提升約150 mm后，暫停提升，再次檢查連廊鋼結(jié)構(gòu)提升單元以及液壓同步提升臨時措施有無異常，確認(rèn)無異常情況后，同步提升5 m；

(7)安裝第9層吊掛結(jié)構(gòu)，然后將鋼連廊提升單元提升至距離設(shè)計標(biāo)高約500 mm時，暫停提升；

(8)各提升點通過計算機(jī)系統(tǒng)的“微調(diào)、點動”功能，使各提升吊點均達(dá)到設(shè)計位置，滿足對接要求；

(9)連廊鋼結(jié)構(gòu)對接工作完畢后，液壓提升系統(tǒng)各吊點同步分級卸載；拆除液壓提升設(shè)備，連廊鋼結(jié)構(gòu)整體提升安裝完成。

3 整體提升施工仿真分析

利用有限元軟件MIDAS GEN對鋼結(jié)構(gòu)連廊整體提升過程進(jìn)行模擬，分析鋼連廊在提升過程中的內(nèi)力及變形情況[14]。

3.1 同步提升分析

同步提升過程中，只需考慮鋼結(jié)構(gòu)連廊的自重作用，同時考慮到節(jié)點板、螺栓等的重量，取1.25倍的自重放大系數(shù)[15]。提升驗算中需考慮的荷載組合為：(1)標(biāo)準(zhǔn)荷載組合：1.0D；(2)基本荷載組合：1.4D，其中D為被提升結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重，D=1.25G。計算結(jié)果如圖4～圖6所示。由圖可知，同步提升狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)連廊在豎向的最大位移為10.52 mm，出現(xiàn)在底層跨中位置，主桁架最大豎向變形為10.25 mm，鋼連廊長度為48 000 mm，豎向變形為間距的1/4683，滿足GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的小于1/400的要求；最大應(yīng)力為146.45 MPa，應(yīng)力比為0.47，應(yīng)力比較小，具有足夠的安全儲備。

圖4 同步狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)連廊Z向變形

圖5 同步狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)連廊應(yīng)力

圖6 同步狀態(tài)下C軸主桁架Z向變形

3.2 不同步提升分析

A區(qū)鋼連廊整體提升共設(shè)置8個吊點，編號如圖3所示。吊點不同步的情況有很多種，例如1個吊點不同步，2個吊點不同步等等，但在提升過程中起決定作用的主要為1個吊點的不同步，因此只考慮此種情況。A區(qū)鋼連廊的結(jié)構(gòu)與受力是對稱的，所以只分析左側(cè)4個吊點的不同步效應(yīng)。提升不同步一般有兩種控制方法：力法和位移法?，F(xiàn)代提升施工一般采用力法+位移法相結(jié)合，不同步分析通過調(diào)整提升吊點處強(qiáng)制位移，以強(qiáng)制位移引起的提升反力為1.2倍同步提升反力值和強(qiáng)制位移不超過50 mm為雙控標(biāo)準(zhǔn)[16]。通過不斷試算，對各個提升點分別施加節(jié)點強(qiáng)制位移，當(dāng)提升力達(dá)到1.2倍同步提升反力值時，施加的強(qiáng)制位移均小于50 mm，各提升點均采用力法控制。計算結(jié)果如表1所示。從表中可知，3號提升點不同步時，桿件的應(yīng)力最大，為最不利狀態(tài)，此時最大應(yīng)力比為0.59，滿足設(shè)計要求，無需進(jìn)行桿件加強(qiáng)或者替換。3號吊點不同步狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)連廊的變形及應(yīng)力如圖7、圖8所示。

表1 不同步提升狀態(tài)下各提升點強(qiáng)制位移

圖7 3號吊點不同步狀態(tài)下鋼連廊Z向變形

圖8 3號吊點不同步狀態(tài)下鋼連廊應(yīng)力

4 施工監(jiān)測

鋼連廊從整體提升到裝修完成，整個施工過程中整體提升及與兩側(cè)塔樓對接拼裝、樓板混凝土澆筑、墻體砌筑及后期裝修施工都會對結(jié)構(gòu)受力變形產(chǎn)生顯著影響，因此對高空大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊進(jìn)行變形連續(xù)實時監(jiān)測，以確保鋼連廊施工及結(jié)構(gòu)安全。鋼連廊拱度監(jiān)測結(jié)果如表2所示，監(jiān)測點1/2之間的拱度變化情況如圖9所示。由圖可知，隨著后續(xù)施工進(jìn)行，鋼連廊拱度不斷減小，到裝修完成時該監(jiān)測點處拱度為26 mm，滿足使用性能要求。鋼連廊跨度較大，因此在整體拼裝時按照1.8 ‰起拱，起拱位置定于跨中。根據(jù)表中鋼連廊提升拱度監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算出對應(yīng)監(jiān)測點豎向位移約為9.8 mm，在數(shù)值分析結(jié)果中相應(yīng)點處豎向位移為7.9 mm。分析實際情況和數(shù)值模擬產(chǎn)生誤差的原因，可能是以下幾方面造成的：(1)在實際提升施工過程中，存在振動現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的豎向位移增大；(2)現(xiàn)場提升的鋼結(jié)構(gòu)連廊包括焊接在底層吊掛結(jié)構(gòu)上的鋼模板，而模型中未考慮該部分重量，造成數(shù)值分析計算結(jié)果偏??；(3)在預(yù)起拱施工過程中，出于安全考慮將起拱高度超過設(shè)計值，造成監(jiān)測計算結(jié)果偏大。

圖9 A區(qū)鋼結(jié)構(gòu)連廊拱度

表2 A區(qū)鋼結(jié)構(gòu)連廊拱度監(jiān)測

5 結(jié)束語

本文通過MIDAS GEN軟件來模擬鋼結(jié)構(gòu)連廊整體提升過程中各個提升點同步與不同步的情況，分析結(jié)果表明該大跨度多榀多層空間鋼桁架結(jié)構(gòu)連廊的剛度較大，具有較好的變形協(xié)調(diào)能力，提升過程不同步效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的受力以及變形的影響相對較小，在同步提升控制過程中可將控制系統(tǒng)精度適當(dāng)降低，有利于提高提升速度，縮短施工工期，節(jié)約工程成本。拱度監(jiān)測結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)連廊在提升過程中豎向位移變化值較小，提升就位后連廊樓面混凝土澆筑過程中其使用性能符合設(shè)計要求，該大跨度多榀多層空間鋼桁架結(jié)構(gòu)連廊的整體提升施工具有安全性。