吳水根 陳 瑞 張 銘 汪小林

1. 同濟大學建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司 上海 200092；2. 同濟大學土木工程學院 上海 200092；3. 上海建工四建集團有限公司 上海 201103

懸掛建筑結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)相比，除豎向承重結(jié)構(gòu)落地外，部分樓層和豎向結(jié)構(gòu)被懸掛在空中，其結(jié)構(gòu)復雜多變，其內(nèi)力傳遞路徑也與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不一致。目前懸掛結(jié)構(gòu)施工階段的施工技術(shù)研究主要是在施工前通過Midas有限元軟件進行施工過程模擬分析來指導施工方案，對于施工階段來說，結(jié)構(gòu)、邊界和內(nèi)力變形均處于時變過程，懸掛結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)研究對于施工過程具有重要的指導意義。

本文以上海某公共建筑項目屋頂桁架層施工技術(shù)為例，對比分析研究屋頂桁架層拼裝施工技術(shù)方案。該項目屋頂桁架層主要采用箱型鋼梁作為桁架桿件，高度3.45 m，懸挑部分跨度16.8 m，該項目屋頂桁架跨度大、自重大、節(jié)點多而復雜，在施工成形工程中懸挑部分的位移隨之變大，控制難度增加。如何選擇合適的屋頂桁架拼裝方案，以確保拼裝的安全性、可實施性以及控制變形不超過預警值是本項目屋頂桁架施工技術(shù)的重、難點。

1 工程概況

1.1 項目工程概況

該公共建筑項目位于上海市浦東新區(qū)花木城市副中心。項目地塊東、北至合歡路，南鄰錦繡路、世紀大道，西至迎春路。項目總建筑面積114 951 m2，地上建筑共有7層，建筑高度50 m。地下建筑共2層，埋深－9.9 m。

該建筑上部結(jié)構(gòu)主樓為16.8 m 16.8 m的規(guī)則柱網(wǎng)，外部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)”。核心區(qū)域豎向構(gòu)件采用現(xiàn)澆勁性鋼筋混凝土柱和剪力墻筒體，梁采用鋼桁架和鋼梁。懸挑區(qū)域采用全鋼結(jié)構(gòu)，在屋頂設(shè)置上翻鋼桁架，并通過吊柱懸掛下面5層荷載，下面各層均采用單向?qū)嵏逛摿航Y(jié)構(gòu)，鋼梁與核心區(qū)采用鉸接連接，吊柱與樓面鋼梁也采用鉸接連接，如圖1所示。

1.2 屋頂桁架工程概況

屋頂層鋼結(jié)構(gòu)包括主樓區(qū)域和懸掛區(qū)域屋頂桁架，如圖1（d）所示。主樓區(qū)域屋頂桁架共64榀桁架，4個核心筒區(qū)域共20榀桁架，主樓區(qū)域（除核心筒外）共44榀桁架，上下弦桿以及腹桿的材質(zhì)均為Q420C。屋頂層懸挑區(qū)域共64榀桁架，上下弦桿以及腹桿的材質(zhì)均為Q420C，桁架之間設(shè)連系鋼梁，多為H型鋼。由于屋頂層懸挑桁架跨度及自重過大，需要在7層懸挑箱型梁上加臨時支撐，支撐屋頂層懸挑桁架，屋頂層懸挑桁架與7層懸挑結(jié)構(gòu)以及臨時拉撐和支撐形成一個臨時穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，剖面如圖2所示。

圖1 上海某公共建筑結(jié)構(gòu)示意

圖2 屋頂層懸掛區(qū)桁架臨時穩(wěn)定結(jié)構(gòu)剖面示意

2 屋頂桁架層施工重、難點分析

本項目懸掛結(jié)構(gòu)采用全鋼結(jié)構(gòu)，外部懸挑跨度大，尺寸最大為16.8 m，位于屋頂桁架層。屋頂設(shè)置高度為3.45 m的上翻桁架，桁架自重大、節(jié)點復雜，通過吊柱懸掛下面5層荷載。下面各層水平鋼梁與主樓區(qū)域采用鉸接連接，懸掛區(qū)的荷載通過吊柱由屋頂桁架層承受，桁架層再轉(zhuǎn)換到主樓區(qū)域，內(nèi)力的傳遞與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不一致。

主樓區(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，3～7層懸挑結(jié)構(gòu)利用上一層主樓結(jié)構(gòu)設(shè)置臨時斜拉桿斜拉下層懸掛結(jié)構(gòu)，7層斜拉桿節(jié)點設(shè)置在隅撐和屋頂根部桁架的交點位置。屋頂層懸挑桁架由于節(jié)點復雜、跨度及自重過大，施工時利用7層主樓結(jié)構(gòu)設(shè)置臨時斜向支撐，支撐屋頂層懸挑桁架，屋頂層懸挑桁架與7層懸挑結(jié)構(gòu)以及臨時拉撐和支撐形成一個臨時的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，再對桁架進行分節(jié)、分段安裝。

綜合拼裝施工的結(jié)構(gòu)受力特點、拼裝精度、施工交叉等因素，該懸挑區(qū)域施工難點歸納為以下幾個方面。

2.1 懸掛結(jié)構(gòu)內(nèi)力傳遞路徑不同

本項目非懸挑區(qū)域樓面荷載的傳力路徑是傳統(tǒng)的自上而下的方式：樓板→次梁→框架梁→框架柱/核心筒。

懸挑區(qū)域采用全鋼結(jié)構(gòu)，在懸挑桁架端部設(shè)置吊柱以懸掛下部3～7層懸挑區(qū)域的荷載，桁架、鋼梁與吊柱之間采用鉸接連接。除屋頂外的各層懸挑區(qū)域結(jié)構(gòu)采用單梁體系，梁單向布置，與核心區(qū)域采用鉸接連接。這樣懸挑區(qū)域樓面荷載的傳力路徑（圖3）與傳統(tǒng)路徑不同，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。

圖3 懸掛結(jié)構(gòu)傳力路徑

通過這樣的傳力路徑，懸掛區(qū)域全部荷載均由屋頂懸挑桁架承受，屋頂桁架作為內(nèi)力轉(zhuǎn)換層，如何在現(xiàn)場進行安裝，安裝工序如何確定，如何保證安裝質(zhì)量是本工程的重、難點。

2.2 屋頂桁架跨度大、節(jié)點復雜

本工程屋頂桁架跨度大，主樓外圍一圈均為懸挑桁架下掛結(jié)構(gòu)樓層，整品桁架不僅僅質(zhì)量超過塔吊起重量，而且最長的長度為23 m。屋頂桁架在現(xiàn)場進行分節(jié)、分段拼裝，屋頂桁架的拼裝工序和拼裝質(zhì)量是本工程的重點。

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點多而復雜，加勁肋密集，最大板厚達到100 mm，由于本工程屋頂桁架的拼裝采用分節(jié)、分段施工順序，施工工序不同對結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)節(jié)點的受力和變形影響不同以及導致節(jié)點的施工工藝也不同，而且鋼材等級高、焊縫多、要求高，選擇合理的拼裝順序和焊縫的工藝直接決定了整個結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，是保證結(jié)構(gòu)安全的前提。

2.3 桁架拼裝難度大、安全性難控制

本項目屋頂層懸挑桁架的大部分桁架質(zhì)量約為75.0 t，跨度約為16.80 m，高度約為3.45 m，在斜角ZHJ-W4桁架最重為98.9 t，跨度達到約為21.70 m，高度約為3.45 m。屋頂桁架不能進行一次拼裝完成，需要進行分節(jié)、分段拼裝，再加上懸掛結(jié)構(gòu)施工為高空施工和頂層懸挑桁架跨度及自重過大，導致屋頂層懸挑桁架的拼裝難度大，安全性和變形很難控制，如何在現(xiàn)場進行拼裝，保證拼裝質(zhì)量是本工程的重點。

本工程焊接作業(yè)多為高空、懸挑臨邊施工，焊接時需搭設(shè)焊接操作平臺，焊接作業(yè)條件十分復雜，防風、防雨，確保安全的措施須實用及有效。這都導致屋頂層懸挑桁架的拼裝難度異常大，安全性和變形很難控制。

2.4 精度要求高

本工程項目屬于公共建筑，屋頂層懸挑桁架體量大，懸掛結(jié)構(gòu)的外端部的節(jié)點位移比較大，為了避免施工工程中和施工后使用階段的變形過大，項目需要進行模型分析結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)對變形進行實時控制，并嚴格要求對變形的精度控制，避免變形在任何階段超過預警值而對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

3 屋頂桁架拼裝施工方案選擇與模擬分析

3.1 施工方案選擇

由于施工順序和荷載施加方式對結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的影響較大，對屋頂桁架各階段的結(jié)構(gòu)和臨時結(jié)構(gòu)進行的力學分析與傳統(tǒng)力學分析不同，荷載、結(jié)構(gòu)體系及邊界條件不斷變化，受力特征發(fā)生各種變化[1-3]。核心區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)與屋頂桁架拼裝同步施工，混凝土結(jié)構(gòu)的時間依存材料性能和力學性能隨著時間發(fā)生變化。在施工過程中，充分考慮施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形影響[4-5]。

綜合考慮屋頂懸挑桁架拼裝施工的工程特點、施工工期、施工精度要求、施工完成后結(jié)構(gòu)合理的力學性能和變形狀況等因素對施工過程的影響，對各施工措施的重點、難點進行詳細分析，擬采用2種方案進行模擬拼裝，并對方案進行分析比較，選出最佳的方案。根據(jù)分析結(jié)果制定施工方案和施工技術(shù)路線，通過有限元軟件Midas Gen對施工方案進行施工模擬，并分析施工過程中的內(nèi)力和變形，為現(xiàn)場的施工提供參考依據(jù)。2種方案流程如圖4所示。

3.2 方案對比分析

結(jié)合該項目的施工特點和難點，綜合考慮施工工期、施工部署、施工安全、施工質(zhì)量以及經(jīng)濟性原則，最終考慮采用方案2進行施工。分析得出以下結(jié)論：

1）施工安全性。通過對比分析，方案1在屋頂桁架下弦桿安裝完成后并沒有及時設(shè)置邊桁架下弦桿，屋頂桁架下弦桿缺少橫向支撐，橫向位移大于方案2，再加上異形懸掛結(jié)構(gòu)在橫向風荷載的作用下，橫向位移必然會加大，導致異形懸掛結(jié)構(gòu)受扭轉(zhuǎn)力，方案2安全性更好。

圖4 方案流程示意

2）可實施性。由于屋頂桁架跨度及自重大、施工環(huán)境限制，在屋頂桁架分段吊裝的施工過程中須考慮施工環(huán)境，為吊裝預留空間，簡化施工工序，縮短施工工期。方案1首先整體安裝屋頂主桁架，沒有考慮施工環(huán)境限制，未在角部桁架留有桁架吊裝的空間，對屋頂桁架的分段吊裝具有不利影響，將嚴重影響施工工序的順利進行。方案2充分考慮了施工環(huán)境限制，在角部桁架預留吊裝空間最后安裝，盡管位移稍大，可以在施工過程中采用預起拱的形式減少或消除位移。因此，方案2更適合屋頂桁架的施工。

3）對結(jié)構(gòu)整體成形的影響。方案1沒有及時吊裝屋頂桁架的連系鋼梁，未充分考慮異形懸掛結(jié)構(gòu)的橫向位移和橫向穩(wěn)定問題，受到更大的扭轉(zhuǎn)變形，對整體的最后成形有不利影響。方案2充分考慮整體橫向變形和穩(wěn)定問題，及時設(shè)置邊桁架下弦桿作為連系鋼梁，有利于最終整體的力學形態(tài)。

3.3 模擬與分析

采用有限元軟件Midas Gen對屋頂懸掛桁架結(jié)構(gòu)的施工過程的所選方案2進行模擬分析，有限元模型如圖5所示。

圖5 屋頂懸掛桁架有限元模型

1）監(jiān)測點布置。在屋頂懸掛桁架的28個吊柱吊點處設(shè)置分析控制點，按照核心區(qū)域核心筒的設(shè)置位置以及檢測設(shè)置逆時針對分析控制點進行編號1～28，如圖6所示。

圖6 控制點編號

2）斜拉桿內(nèi)力分析。圖7為所選施工方案不同施工階段下屋頂桁架臨時斜拉桿最大內(nèi)力曲線。斜拉桿最大內(nèi)力為1 592.6 kN，最大內(nèi)力發(fā)生在核心筒A角部桁架下的斜拉桿，截面應(yīng)力為157.2 N/mm2，應(yīng)力比為0.51，臨時斜拉桿滿足強度要求。

圖7 臨時斜拉桿最大內(nèi)力

3）位移分析。圖8為所選施工方案不同施工階段下屋頂桁架控制節(jié)點豎向位移曲線。最大位移發(fā)生在節(jié)點12 783上，其位移值為40.7 mm。

4）支撐反力分析。圖9為所選施工方案不同施工階段下屋頂桁架臨時斜撐內(nèi)力曲線。臨時斜撐最大內(nèi)力為1 738.2 kN（壓力），最大內(nèi)力發(fā)生在核心筒B角部桁架下的臨時斜撐，截面應(yīng)力為175 N/mm2（考慮穩(wěn)定系數(shù)φ＝0.492），應(yīng)力比為0.56，臨時斜撐滿足強度和穩(wěn)定要求。

圖8 控制點最大位移

圖9 支撐最大內(nèi)力

4 結(jié)語

上海某公共建筑項目屋頂桁架層施工過程中結(jié)構(gòu)體系還未成形，采用設(shè)置臨時斜拉桿和臨時支撐分節(jié)、分段的方法拼裝施工，施工過程中建立各階段有限元計算模型，充分考慮分析施工過程對懸掛結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)合施工工期、施工整體部署、施工精度以及施工過程中合理的力學位移性態(tài)，共同制定合理的施工順序，確保施工過程中懸掛結(jié)構(gòu)的安全。采用有限元模擬施工方案可以有效地預估施工方案的變形和內(nèi)力，優(yōu)化施工方案，為施工方案的順利進行提供有效的依據(jù)，為類似懸掛結(jié)構(gòu)施工提供參考。