唐志勃 穆立春 蘇 鋼

山東德建集團有限公司 山東 德州 253036

隨著我國經濟的快速發(fā)展，家用轎車走進了千家萬戶。為能夠提供較大的停車空間，建筑及其周邊地下空間大都建設成了停車場。而地下停車場頂蓋不允許大噸位吊車進行作業(yè)，從而造成了有些建筑施工場地比較局促，屋面鋼結構骨架只能通過小型吊車或塔吊將散件吊運至屋頂進行拼裝成整體，然后通過同步頂升方案使之就位[1-7]。

本文以某縣城一座中學圖書綜合樓屋頂的大噸位鋼桁架安裝為例，詳細介紹該大跨度、大質量空間桁架通過在屋頂拼裝完成后再進行整體同步頂升的技術特點、施工過程及分析重點。該技術在本項目上成功應用所積累的經驗，可為以后同類項目的施工提供參考。

1 工程概況

某縣城第一中學新建圖書綜合樓，地下1層，地上主要為6層鋼筋混凝土框架結構，主體建筑物呈“回”字形結構，東西兩側建筑地上8層，屋面標高36.6 m，南北兩側主屋面結構標高28.2 m。在南北兩側的建筑屋面處有4根800 mm×800 mm的鋼筋混凝土柱，柱頂標高34.0 m，柱間距東西向42 m，南北向11 m，每側建筑物柱頂上安裝一個空間桁架的鋼構架，鋼構架外包鋁板裝飾（圖1）。鋼構架長52.8 m，寬15.4 m，高2.6 m，質量160 t。鋼桁架是將材料散裝吊到屋面之后進行組裝制作的。鋼桁架的安裝分3段進行，從混凝土柱到兩側建筑物之間部分質量不足20 t，采用汽車吊先行吊裝就位。因地下空間頂板不允許大噸位吊車站位，故中間部分42 m跨、質量112 t的鋼構架采用液壓同步頂升的方法提升就位。

圖1 圖書綜合樓正立面效果圖

2 項目實施難點

圖書綜合樓及外延部分地下均設計為地下停車場。經設計單位復核后，中間桁架部分因質量和跨度均較大，且地下停車場頂板不允許采用重型履帶式起重機進行單機起吊或雙機抬吊，而中庭內起重機也無法駛入，故無法采用四機抬吊的方式安裝屋頂鋼桁架。為保證施工工期，從經濟性、安全性等多方面綜合考慮，該項目決定對中間部分的鋼桁架實施多臺千斤頂同步頂升的施工方案。

該項目在實施過程中存在以下難點：

1）頂升部分的跨度大、噸位大，而且在標高28.2 m的屋面進行，頂升高度6 m。頂升支架不能設置在屋面板和屋面梁上，只能設置在下部有限的4根框架柱頂，端部需要有一部分較大跨度的懸挑。

2）頂升過程中，在頂升支架頂部，鋼桁架四面均存在懸挑現象，而支架不便設置能保證其垂直度的側向支撐來加固處理，因此頂升支架的邊界施工模擬相對比較復雜。

3）千斤頂自身行程較短，不能將桁架一次頂升到位，需要通過頂升、臨時固定、回油等多次循環(huán)才能將桁架頂升到位。因此，千斤頂卸載時的臨時固定也相對比較困難。

4）頂升作業(yè)施工時由多臺千斤頂采用多點位同步頂升，頂升支架的側面臨時固定螺孔加工精度低、初始標高不平整以及同步控制系統(tǒng)不精確等，均極易造成鋼桁架頂升支架受力不均而傾斜失穩(wěn)，嚴重時甚至發(fā)生倒塌事故。因此，本項目對頂升作業(yè)的協(xié)同控制要求高。

針對以上難題，鋼桁架在頂升作業(yè)施工之前應先確定頂升支架的結構形式，避開桁架雙向交叉節(jié)點。然后，對頂升支架底部應進行找平固化處理，以滿足頂升施工過程中的安全及精度控制要求（圖2）。

3 同步整體頂升的優(yōu)勢

采用同步控制系統(tǒng)控制油泵站和多臺千斤頂對結構進行頂升作業(yè)已經是非常成熟的技術。結合本工程的特點，采用同步整體頂升技術具備以下優(yōu)勢：

1）屋頂平面整體拼裝優(yōu)勢：不必在設計標高處進行高空散件拼裝，而是在平整的屋面結構層上進行整體組裝；各桿件的焊接均在樓面胎架上進行，全面保證了拼裝的質量，使安裝進度及工程節(jié)奏受到高效控制，有效提高了鋼桁架的工程質量；高空作業(yè)量減少，可以節(jié)省大量的人力、物力和財力，使安全風險程度降到最低[4]；有效降低了工程安裝成本。

2）施工工期優(yōu)勢：由于在屋頂平面上進行整體拼裝，故極大地縮短了拼裝、焊接時間，安裝周期縮短，加快了工程施工進度。

3）技術優(yōu)勢：同步整體頂升作業(yè)關鍵技術成熟，尤其是對整體頂升過程的控制，使鋼桁架在同步頂升時各頂升點受力均衡，可以防止鋼桁架各桿件在頂升過程中因受力不均而變形，保障鋼桁架的安裝過程安全可靠。

4）成本優(yōu)勢：利用散件進行空中拼裝時需搭設滿堂腳手架，并且需要長時間占用吊車；而采用同步整體頂升技術進行施工時，頂升支架安裝在屋面層混凝土框架柱頂上，能極大降低工程安裝成本，并能保證屋面混凝土結構的安全。

4 施工方案確定

4.1 整體思路

因場地條件限制，鋼桁架必須在屋面上進行拼裝。布置好胎架后聯系設計院進行鋼筋混凝土屋面結構的復核工作，確認滿足條件后，將散件分批次吊裝到屋面進行鋼桁架的加工組裝。

鋼桁架在屋頂分3段拼裝，從桁架支撐柱到兩側建筑物之間的短跨部分采用自行式吊車吊裝就位，并從支撐柱向柱間方向甩出一個節(jié)間長度，以避開桁架上弦負彎矩最大的位置?？缍?2 m的中間段做成上弦32 m、下弦37 m的預留斜向接槎（圖3）并采用同步頂升工藝進行施工。在保證安全的情況下，頂升結構采用四柱頂升法，頂升支架下端固定在下層混凝土框架柱頂。頂升支架采用2片鋼桁架式柱肢組成格構柱，在鋼桁架屋面整體拼裝時預留胎架高度范圍內，將2片桁架式柱肢用角鋼綴條連接成整體。隨著鋼桁架的不斷頂升，不斷增加綴條將頂升支架拼裝成格構柱，直至將鋼桁架頂升到設計標高。頂升到設計標高后，將2層支座與頂升支架通過插銷銷緊，撤除千斤頂，即可對3段鋼桁架進行組裝焊接。

圖3 頂升支架設置示意

根據被頂升鋼桁架的長度、高度和質量，考慮采用4臺高度600 mm、行程500 mm、頂升載荷1 000 kN的液壓千斤頂，1臺能夠滿足為4臺千斤頂同時供油的油泵，另外配備1臺備用千斤頂。通過查看鋼桁架設計施工圖可知，鋼桁架外側上下弦桿與下部結構的2條軸線重合，故可以將頂升支架設置在下層框架頂，頂升點設置在鋼桁架下弦底部，可以有效減小頂升支架的計算長度，增加頂升支架的穩(wěn)定承載力。

4.2 頂升支架的設計

頂升支架的高度為鋼桁架下獨立柱與支座高度之和，總高度為34.0 m＋0.2 m－28.2 m＝6.0 m。頂升支架采用正方形斷面的鋼格構柱，設計截面為600 mm×600 mm，豎向分肢采用100 mm×4 mm鋼方管，綴條采用50 mm×5 mm角鋼，通過節(jié)點板將綴條與分肢連接。頂升支架在設計時按下端固定、上端自由考慮，則頂升支架的計算長度為2倍實際高度。格構柱的截面回轉半徑為253.06 mm，計算得長細比λ＝47.4＜150，滿足GB 50017—2017《鋼結構設計標準》中受壓桿件的長細比規(guī)定。

在千斤頂頂升、回油的過程中，為保證鋼桁架始終處于安全狀態(tài)，設計2個支座將千斤頂連接在一起，千斤頂的頂升端固定在上支座的下表面，固定端固定在下支座上表面。上下支座采用100 mm×4 mm方鋼管焊接成外尺寸810 mm×810 mm的方框，內部焊接1根長800 mm的HW200 mm×200 mm×8 mm×12 mm鋼梁，方框側面開圓形螺栓孔，可以與頂升支架分肢上的等間距螺栓孔通過螺栓或銷釘固定。頂升時，用銷釘將下支座固定在頂升支架上，上支座與頂升支架脫離。當千斤頂達到頂升行程時，用銷釘將上支座固定在頂升支架上，拔掉下支座與頂升支架的銷釘，使下支座與頂升支架脫開。千斤頂回油卸載時，千斤頂帶動下支座同時回位（圖4）。頂升支架及支座的鋼材材質均為Q235B，銷釘采用Q345B鋼棒制作，鋼管上所有連接螺栓孔均采用專用機器沖孔。

為確保頂升支架和支座在施工過程中滿足要求，采用Midas Gen軟件對支架進行建模，分析其整體穩(wěn)定性、分肢穩(wěn)定性、各綴條的強度及穩(wěn)定性。從模型中提取支座支撐梁端部內力，然后根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》復核銷釘的抗剪承載力、螺栓孔的局部承壓承載力，根據計算結果選擇相應型號的銷釘和配套螺栓孔。

因屋面不允許鉆孔，故在施工時采用頂升支架底部坐漿的方法進行整平處理。計算時假定支座沿豎向剛度無窮大，2個水平方向采用鋼與混凝土之間的摩擦因數μ＝0.4作為水平剛度，限制平動而釋放轉動。頂升作業(yè)時采用4臺千斤頂同時頂升，為保證頂升時支架的安全，上部荷載考慮自重工況和10年一遇的基本風壓同時存在，計算自重荷載時取1.2的不均勻系數、1.35的荷載組合分項系數以及1.1的動力系數。經計算（圖5），頂升支架和支座各部分均能滿足規(guī)范要求。

4.3 鋼桁架頂升過程分析

圖4 頂升支架及支座

圖5 頂升支架計算結果

鋼桁架在頂升施工過程中，頂升點位置與設計的支座位置相比發(fā)生了較大的變化，而且頂升點也不在桁架節(jié)點位置。為確保鋼桁架結構在施工時能夠滿足要求，應對鋼桁架進行施工過程模擬分析，對不滿足的桿件應進行加固處理。計算時將桁架與千斤頂頂升支座的接觸點作為支座，支座的邊界條件假定豎向剛度無窮大，水平方向的剛度取鋼材之間的摩擦因數μ＝0.3。計算過程中桁架弦桿與腹桿管徑的比值及桿件長度與管徑的比值均滿足GB 50017—2017《鋼結構設計標準》中管桁架的相關規(guī)定，腹桿兩端均按鉸接進行設計。從計算結果（圖6）可以看出，桁架的最大應力出現在千斤頂頂升點處，最大應力為57.1 MPa，小于305 MPa的許用應力，施工驗算滿足要求。

圖6 鋼桁架頂升施工驗算

4.4 頂升施工

頂升設備采用4臺100 t雙作用法蘭自鎖式液壓千斤頂，1臺油泵工作站以及1臺YT-1型同步控制系統(tǒng)作為同步操作控制平臺，通過計算機控制相關數據，給每臺千斤頂按設定值進行供油，統(tǒng)一發(fā)布控制指令，再同步進行分級加載頂升施工。頂升作業(yè)施工過程分為試頂升和正式頂升2步。

1）試提升。通過試提升可以對鋼桁架、千斤頂、油泵站進行系統(tǒng)觀察和監(jiān)測，驗證施工工況與計算機模擬工況及設計條件是否相符，保證整體頂升過程的安全。在試頂升階段分7級進行加載，分別為設計值的20%、40%、60%、75%、90%、95%和100%，每級加載完畢，均應暫停并對上下支座托梁、銷釘及螺栓孔在加載前后的變形情況進行檢查，確保正常后，繼續(xù)進行下一級加載。各分級加載完畢后，鋼桁架離開屋頂拼裝胎架，上升達到2個頂升支架上螺栓孔間距，即200 mm，停留24 h，全面檢查各設備運行及結構體系的情況。各項指標均符合要求后，方可進行正式頂升。

2）正式提升。在正式提升階段分4級進行加載，分別為設計值的30%、60%、85%和100%，施工步驟與試頂升相同。每頂升一步千斤頂行程，替換一下插銷在上下支座的位置，直到將鋼桁架整體頂升到設計標高后，將上支座與頂升支架用銷釘插緊即可撤掉頂升設備。然后，搭設操作平臺，并對危險區(qū)域鋪設安全防護網，將主桁架對口焊接。為保證焊接質量，在焊接過程中應采取必要的防風和防雨措施。

5 結語

本工程鋼桁架跨度大、質量重，又受場地條件限制，只能在屋面上進行分段拼裝，然后再通過分段提升后完成整體拼裝，對同步頂升方案中的頂升點位置、頂升過程的垂直度、懸挑段的豎向變形等控制要求都比較高。為充分保證最后拼裝的整體質量，施工前先進行頂升支架的強度和整體穩(wěn)定性的計算，對鋼桁架在指定頂升點進行符合實際的模擬分析。在施工過程中按照設計要求，對焊接精度逐項進行嚴格檢查，對垂直度和水平位移進行嚴密監(jiān)控，對頂升設備提前標定并進行試頂升等相關工作。項目成功融合了整體同步頂升施工工藝的先進性，使整個過程順利完工，并在經濟與工期方面均取得了明顯的成效，為以后類似工程的施工積累了寶貴的經驗。