馬永賀

廣東中科華大工程技術檢測有限公司 廣東 廣州 511458

針對大型懸挑鋼結構安裝，黃紅剛等[1]發(fā)明了采用支撐胎架方法，深圳證券交易所營運中心即采取搭設臨時支撐胎架的方法來安裝高空大跨度空間巨型懸挑鋼桁架結構[2]。實踐證明，采取支撐胎架安裝大懸挑鋼結構，可確保施工過程安全，有效控制構件內力，提高施工效率。

為保證結構質量及施工安全，施工前對復雜項目施工過程進行精細的有限元模擬分析很有必要。為此，賈寶榮[3]歸納了高層鋼結構施工模擬分析方法。為保證關鍵施工過程中的安全可靠性，本項目臨時支撐卸載前亦采用Midas/Gen軟件進行了施工階段模擬分析[4]，以期為施工過程中臨時支撐措施的拆除順序和拆除流程提供依據。

1 項目概況

背景項目總建筑面積約240 000 m2，由東、西2棟塔樓組成，集研發(fā)、辦公、寫字樓和地庫于一體。地下4層，功能為地下車庫及設備用房。西塔建筑高度約180 m，東塔建筑高度約211 m，2棟塔樓通過鋼連橋連接，極具藝術性（圖1）。

2 結構特點

本項目結構復雜、施工難度大，尤其是鋼結構部分設計新穎、工程量大、技術含量高。東西2座塔樓均采用帶懸掛層的支撐-框架結構體系（圖2、圖3），采用鋼管混凝土柱＋鋼框架柱＋鋼支撐的形式，鋼梁＋鋼筋桁架樓承板組合樓蓋體系。

東塔及西塔分別設計有6個“懸挑方體”，使得建筑具有較強的“漂浮感”，每個“懸挑方體”的頂部為巨型懸挑桁架層。本項目鋼結構總用量約50 000 t，鋼材材質為Q420GJC、Q345GJC、Q345B、Q235B。

圖1 項目效果圖

圖2 核心筒結構

3 工程重、難點

1）高材質厚鋼板焊接難度大。本工程鋼結構安裝過程中存在大量的高材質鋼（Q420GJC），板厚大（最大板厚100 mm），高材質厚板的焊接質量控制是本工程一大難點。

2）現(xiàn)場平面規(guī)劃難度大。本工程出入現(xiàn)場僅有唯一一條道路，支撐胎架及底部轉換桁架占地面積大，首層樓板存在多處降板區(qū)且設備洞口多，對場平布置規(guī)劃提出了很高的要求。

3）支撐措施的安裝、卸載及變形控制難度大。本項目懸挑方體施工擬采用底部支撐胎架＋上部臨時桁架支撐措施，由于各懸挑方體立面高度不一致，故要做好外框間卸載平衡，確保整體結構變形在可控范圍內。

4）復雜節(jié)點施工難度大。本項目存在較多的復雜節(jié)點施工，如桁架層鋼柱節(jié)點（牛腿多達8個）、梁上起柱節(jié)點、外框斜撐節(jié)點等，安裝難度大。

4 施工總體部署

總體部署原則為：工序安排上統(tǒng)籌考慮、合理搭接，資源保證上比選優(yōu)化、均衡配置，施工管理上全面協(xié)調、周密服務。

本工程地上部分鋼結構安裝按照施工工序分為9個施工階段：深化設計階段、鋼結構制作階段、L1～L10層核心筒施工階段、懸挑方體底部支撐措施施工階段、地上鋼結構標準層及中部支撐柱施工階段、臨時桁架層施工階段、上部方體及底部支撐措施拆除施工階段、臨時桁架層拆除施工階段、東西塔樓間鋼連橋安裝施工階段。

平面施工部署：本工程共分為東、西2棟塔樓，2棟塔樓同時進行施工，其中每座塔樓分為1個核心筒和3個懸挑外框共4個鋼結構施工分區(qū)（圖4）。

圖3 懸挑方體結構

圖4 平面分區(qū)

立面施工部署：核心筒結構施工作業(yè)層領先外框4～6層，鋼柱領先鋼梁安裝1～3層，鋼梁安裝領先鋼筋桁架樓層板鋪設3～6層，鋼筋桁架樓層板鋪設領先混凝土澆筑4～6層。

4.1 地上鋼結構總體安裝流程

本工程地上鋼結構為核心筒＋外框懸挑方體，每棟塔樓核心筒有鋼柱28根、外框吊柱10根、桁架層6個，每棟塔樓共布置2臺塔吊（均為雙倍率）進行鋼結構安裝。西塔布置2臺法?？薓760D、東塔布置2臺中昇ZSL1150動臂式塔吊，鋼結構構件根據塔吊的起重能力和運輸條件的限制進行分段分節(jié)，鋼柱最大分節(jié)長度為13.5 m，單節(jié)最大質量34.77 t，主要采用分段高空散裝的工藝進行安裝[5]。

鋼結構總體安裝流程如下（圖5）：第一步，安裝核心筒1～8層鋼結構；第二步，安裝底部支撐（此時核心筒施工至約12層）；第三步，安裝下部3個懸掛方體；第四步，安裝中部支撐柱及上部懸掛方體臨時桁架層；第五步，安裝完成上部懸掛方體臨時桁架層，拆除中部支撐，再拆除下部支撐；第六步，安裝臨時桁架層上層臨時支撐柱，并開始向上安裝上部懸掛方體；第七步，安裝完成上部懸掛方體后，將臨時支撐柱替換為原結構柱；第八步，卸載上部懸掛方體臨時桁架層，完成整體鋼結構安裝。

圖5 鋼結構總體安裝主要步驟

4.1.1 核心筒鋼結構安裝流程

核心筒鋼結構安裝流程為：安裝角部柱→安裝角部柱之間的斜撐、梁→擴展安裝另一半柱及斜撐、梁。

4.1.2 外框懸挑方體安裝流程

1）懸挑方體標準層：采用從下往上的順序進行安裝。安裝前于首層樓板上搭設底部支撐（分配桁架＋支撐胎架），支撐點測量定位后，進行首層底部懸挑方體標準層的安裝。具體流程為：安裝支撐胎架上方最底層邊梁→安裝懸挑方體角部吊柱→安裝底層樓層次梁→安裝吊柱間第2、3層邊梁→安裝第2、3層樓層次梁→于次梁上布置水平通道、安全網等措施。

2）懸挑方體桁架層：每棟塔樓有6個桁架層，每個桁架層高度為4個標準層高（18 m），桁架層構件均為大截面構件，且節(jié)點處加勁板較多，構件分段時需綜合考慮塔吊性能及安裝難度。桁架整體安裝順序采用從下往上依次安裝，待整體就位后再進行焊接固定。

4.1.3 臨時支撐措施

本工程外框懸挑方體自重大，且為非對稱形式懸挑，在施工過程中需要加設臨時支撐措施，確保懸挑方體施工安全。臨時支撐措施由底部支撐措施＋中部臨時支撐＋臨時桁架層組成。

1）底部支撐措施由支撐胎架＋分配桁架組成（圖6）。因上部荷載較大，地下室頂板承載力不足，支撐胎架不可直接放置于地下室頂板上，故通過在支撐胎架底部設置分配桁架，將上部荷載傳遞至地下室混凝土柱頭。

圖6 底部支撐措施

2）中部臨時支撐布置在下部懸挑體的懸掛桁架層上部，用于支撐上部臨時桁架層施工，中部臨時支撐采用φ800 mm×25 mm的鋼管進行支撐，支撐高度為9 m或13.5 m。

3）臨時桁架層設置于上懸掛方體底部3層，主要是用于支撐上部懸挑方體施工，同時可以將下部懸挑方體支撐措施進行卸載，方便下懸挑方體其他工序提前插入施工，節(jié)省整體施工工期。

4.2 現(xiàn)場總體焊接順序

根據本工程結構特點，焊接時采取整體對稱焊接與單根構件對接焊接相結合的方式進行，焊接過程中要始終進行結構標高、水平度、垂直度的監(jiān)控。焊接順序為先焊接核心筒，然后依次焊接周圍懸挑結構，核心筒及周圍懸挑結構均先焊接角柱，然后依次向周邊焊接。

5 施工模擬分析

本工程為超限結構，結構復雜。為確保安裝精度及施工過程中的安全，采用Midas/Gen軟件進行施工階段模擬分析，掌握了懸掛方體在施工過程中受力狀態(tài)的變化規(guī)律，分析了臨時支撐卸載前后的結構最大變形量，確定了臨時支撐措施的拆除順序和拆除流程。按照施工步驟將結構構件、支座約束、荷載工況劃分為一組，計算過程中采用考慮時間依從效果的方式進行分析，真實模擬實際施工的動態(tài)過程，將東西塔的施工過程分別劃分為52、50個步驟來進行施工模擬分析。

施工模擬確定的臨時支撐拆除順序、施工階段核心筒水平位移、施工階段吊柱和核心筒內方鋼管混凝土柱樓面節(jié)點豎向位移、施工過程構件承載力等驗算結果如下：

1）底部胎架、上部臨時桁架拆除順序。以施工模擬時核心筒鋼管混凝土柱出現(xiàn)的位移最小為比選依據，分析了臨時支撐不同拆除順序的效果。經分析，拆除順序為西塔W-3—W-2—W-1、東塔E-3—E-2—E-1時，核心筒鋼管混凝土柱的位移最小。

2）施工階段核心筒水平位移。施工階段核心筒最大水平位移為：西塔x向34.4 mm、y向28.6 mm；東塔x向37.9 mm、y向25.3 mm。以上數(shù)值遠小于地震作用和風荷載作用下的變形，表明結構是安全可靠的。3）施工階段吊柱和核心筒內方鋼管混凝土柱樓面節(jié)點豎向位移。澆筑樓板混凝土前吊柱的最大相對位移為111.8 mm，對應的撓度為1/387（跨度21.14 m），核心筒內方鋼管混凝土柱的最大位移為24.1 mm；澆筑樓板混凝土后吊柱的最大相對位移為140.8 mm，對應的撓度為1/300（跨度21.14 m），核心筒內方鋼管混凝土柱的最大位移為34.1 mm。實際施工中通過采取豎向起拱方式來解決施工階段豎向位移的問題，以滿足設計標高要求。

4）施工過程構件承載力。在整個施工過程中，吊柱、斜撐和主要框架梁構件的最大應力比為0.71，次要構件的應力比不超過1.0，安全儲備充足，滿足施工過程的承載力要求。

6 結語

本項目鋼結構設計新穎、工程量大、技術含量高、施工難度大，鋼結構是本項目建造過程的關鍵環(huán)節(jié)。通過采用先進的建造設備和施工工藝，在“懸挑方體”鋼結構施工中創(chuàng)新地采用“分配桁架＋底部臨時支撐＋中部支撐＋上部臨時桁架”臨時支撐工藝，施工過程中采用分階段施工仿真模擬的方法，科學合理地制定了臨時支撐卸載方案，保證鋼結構關鍵施工過程中的安全可靠性和安裝準確性，達到了設計和相關規(guī)范的要求，可為類似鋼結構工程施工提供參考。