周鵬洋，蔡建良，許秀林，倪建強(qiáng)，管東芝

(1.浙江大東吳建筑科技有限公司，浙江 湖州 313017；2.南京東大現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力工程有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210018)

1 工程概況

杭州近江四合一項(xiàng)目采用鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系，建筑共有4個單體：T1-A，T1-B，T1-C，T2塔樓，相鄰各單體間由連廊互相連接。其中T1-C，T1-B塔樓間為低位連廊，6～10層(標(biāo)高21.800～39.020m)最大跨度約50m、寬18.7m，用鋼量約為770t。T1-A，T1-B塔樓間為高位連廊，10～14層(標(biāo)高39.020～56.220m)最大跨度約45m、寬29m，用鋼量約1 150t。結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。連廊為巨型桁架+框架結(jié)構(gòu)形式，并帶有大懸挑，其中低位連廊懸挑4.05m，高位連廊懸挑8.85m。2個連廊兩端與主體結(jié)構(gòu)采用剛性連接形成整體。

圖1 結(jié)構(gòu)模型

若采用散件高空原位拼裝，高空組裝、焊接工作量大、場地狹小、高度大，現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備很難滿足要求，存在很大安全隱患、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。若采用傳統(tǒng)桅桿提升方案，則存在鋼連廊體量較大、桅桿卷揚(yáng)機(jī)同步性較難控制、安裝準(zhǔn)確性很難得到保證、工程耗時較長、影響工期等問題。

大型結(jié)構(gòu)整體提升[1]施工技術(shù)是集機(jī)、電、液壓、計(jì)算機(jī)控制理論等于一體的現(xiàn)代化先進(jìn)施工技術(shù)。采用計(jì)算機(jī)控制，柔性鋼絞線承重，液壓提升器集群同步提升原理，將大噸位構(gòu)件在地面拼裝后，整體提升至預(yù)定高度安裝就位。該技術(shù)施工效率高，工期短，施工質(zhì)量易保證，提升臨時設(shè)施用量小，有利于施工成本控制。結(jié)合現(xiàn)場主體結(jié)構(gòu)施工工序組織，采用鋼連廊在地面整體拼裝，整體一次提升就位施工方案[2]，通過相關(guān)計(jì)算，對方案可能性進(jìn)行分析。

2 提升流程及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 提升流程

1)鋼連廊在地面拼裝成整體提升單元，上弦提升吊耳對準(zhǔn)提升牛腿下方。

2)利用鋼桁架上弦桿型鋼預(yù)埋段設(shè)置提升平臺(上吊點(diǎn))，對應(yīng)每個提升平臺設(shè)置1個提升點(diǎn)；對應(yīng)桁架下弦兩側(cè)端部設(shè)置下吊點(diǎn)。

3)安裝提升點(diǎn)結(jié)構(gòu)、液壓千斤頂，在上、下吊點(diǎn)間安裝鋼絞線及錨具，調(diào)試設(shè)備，試張拉鋼絞線，保證所有鋼絞線均勻受力。

4)檢查鋼結(jié)構(gòu)桁架提升單元及同步提升的所有臨時措施是否滿足設(shè)計(jì)要求。

5)進(jìn)行試提升，鋼桁架脫離胎架200mm后鎖定，靜置觀察4h，全面觀察提升設(shè)備、液壓及電氣控制系統(tǒng)等運(yùn)行情況，檢查并記錄支承結(jié)構(gòu)、被提升結(jié)構(gòu)變形情況等。

6)確認(rèn)無異常情況后，開始正式提升，分級施加荷載，控制提升速度。

7)連續(xù)提升到位后，鎖定千斤頂，然后進(jìn)行水平方向調(diào)整并加臨時固定，合龍時順序?yàn)橄韧鈧?cè)后內(nèi)側(cè)、先上弦后下弦。

8)鋼結(jié)構(gòu)桁架對接工作及構(gòu)件補(bǔ)缺完畢后，各吊點(diǎn)同步分級緩慢卸載，使鋼結(jié)構(gòu)桁架自重轉(zhuǎn)移至兩側(cè)剪力墻型鋼混凝土柱或臨時加固型鋼框架上。

9)拆除液壓提升設(shè)備，提升安裝完畢。

2.2 提升設(shè)備

連廊桁架在地面整體拼裝，整體提升，低位連廊設(shè)置4個提升點(diǎn)，高位連廊設(shè)置8個提升點(diǎn)，每個提升點(diǎn)設(shè)置2臺液壓千斤頂作為提升機(jī)具[3-4]，并通過鋼絞線拉結(jié)連廊鋼結(jié)構(gòu)下提升點(diǎn)，分級緩慢提升。

采用 PLC控制液壓群頂提升自動系統(tǒng)(見圖2)，采用力(油壓)與位移(行程)的雙控制，通過單個計(jì)算機(jī)操作界面來設(shè)定工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)整個液壓系統(tǒng)(所有液壓泵站和千斤頂)自動連續(xù)運(yùn)行。

圖2 提升控制系統(tǒng)

液壓千斤頂采用穿芯式結(jié)構(gòu)，以鋼絞線作為提升索具，有著安全、可靠、提升設(shè)備自重小、運(yùn)輸安裝拆卸方便等優(yōu)勢。提升反力點(diǎn)、原始結(jié)構(gòu)及臨時結(jié)構(gòu)盡量合并設(shè)置，可使提升臨時設(shè)施用量降至最小。提升過程中，采用桁架一端1臺油泵控制4臺提升千斤頂，兩端統(tǒng)一指揮實(shí)施基本同步提升，以保證安裝過程的同步性、穩(wěn)定性和安全性。液壓千斤頂通過液壓回路驅(qū)動，動作過程中加速度極小，對被提升構(gòu)件及提升牛腿幾乎無附加動荷載(振動和沖擊)。本方案免去了大型起重機(jī)作業(yè)，可大大節(jié)省機(jī)械設(shè)備、人力資源，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 提升分段

由于本項(xiàng)目為多層連廊，提升部分與主體結(jié)構(gòu)對接點(diǎn)較多，為保證連廊順利提升，降低連廊在對接點(diǎn)處卡住的可能性，連廊與主體結(jié)構(gòu)斷開對接位置隨著連廊由低到高逐層向連廊中心方向內(nèi)縮成階梯狀，如圖3所示，最下層鋼梁從柱側(cè)縮進(jìn)1m，向上逐層縮進(jìn)值每層增加100mm。分段后的低位連廊提升部分重約630t，高位連廊提升部分重約950t。

圖3 連廊提升示意

2.4 提升牛腿

根據(jù)提升工藝要求，在多層連廊上一層提升點(diǎn)設(shè)置倒L形鋼箱梁牛腿，以提供提升所需的懸臂長度及豎向凈空。因提升點(diǎn)提升質(zhì)量較大，每個提升牛腿上設(shè)置2臺液壓提升器。連廊提升點(diǎn)設(shè)置及提升牛腿設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 提升點(diǎn)設(shè)置及提升牛腿設(shè)計(jì)

2.5 提升合龍

1)提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，千斤頂上、下錨盤全部鎖定，進(jìn)行鋼桁架合龍工作。為防止水平方向上由于風(fēng)的影響可能會發(fā)生微小擺動，提升到位后，利用倒鏈固定鋼結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行合龍。

2)鋼桁架合龍時，若發(fā)生偏移，利用千斤頂調(diào)整桁架跨度方向位移，利用倒鏈調(diào)整桁架寬度方向位移。合龍過程中可通過倒鏈調(diào)整各桿件松緊程度，現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際長度決定兩端焊縫間隙。

3)鋼桁架合龍后安裝斜撐后裝段，形成最終結(jié)構(gòu)。

2.6 卸載

2.6.1卸載前提條件

1)鋼連廊提升部分與主體結(jié)構(gòu)焊接工作全部完成。

2)鋼連廊補(bǔ)桿安裝、焊接完成。

3)焊縫經(jīng)過檢測合格。

2.6.2卸載方式

卸載過程中要充分考慮到鋼桁架系統(tǒng)均勻受力，接近自由狀態(tài)下增加荷載，對稱同時卸載，采用分級卸載，每次卸荷25%。

3 連廊提升計(jì)算模型

3.1 基本信息

1)采用大型通用有限元軟件MIDAS Gen進(jìn)行提升全過程分析[5]。鋼構(gòu)件一般采用梁單元，材質(zhì)為Q355鋼，彈性模量為206×103N/mm2，泊松比為0.3，熱膨脹系數(shù)為12×10-6/℃。

2)施工過程主要荷載為結(jié)構(gòu)自重，考慮節(jié)點(diǎn)質(zhì)量，自重放大系數(shù)取1.2?？紤]鋼承板下部波形板附帶提升，取荷載0.1kN/m2。承載力極限狀態(tài)計(jì)算時，重力荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.3。

3)不同步提升工況主要控制不同步提升位移在20mm以內(nèi)。實(shí)際提升時，同時也要根據(jù)計(jì)算反力設(shè)置提升力上限值。模擬計(jì)算中，以不同步位移20mm 作為施工活荷載工況，SF 表示該提升點(diǎn)超前20mm，XF 表示該提升點(diǎn)落后20mm。

4)不同步提升時，主要考慮承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算，工況組合為1.3D+SF，1.3D+XF。

3.2 連廊提升模型

根據(jù)提升過程，依照設(shè)計(jì)圖紙，分別建立低位、高位連廊2個提升模型。在提升點(diǎn)下吊點(diǎn)位置設(shè)置豎向鉸接邊界條件，對提升點(diǎn)處豎向和水平向增加桿件進(jìn)行臨時支撐加固，如圖5中高亮顯示桿件。

圖5 連廊模型

3.3 提升架結(jié)構(gòu)模型

在提升點(diǎn)位置設(shè)置提升架，同時提取鋼桁架提升分析中每個提升點(diǎn)最大提升力，加載于提升點(diǎn)，用以驗(yàn)算提升架及周圈支撐結(jié)構(gòu)。為進(jìn)一步簡化計(jì)算，根據(jù)力傳遞路徑，僅保留提升鋼桁架附近結(jié)構(gòu)，上、下層各保留2層，同時對提升位置進(jìn)行適當(dāng)加固(見圖6)，增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在最大懸挑提升架側(cè)向及樓層處設(shè)置斜撐桿：①處為圓形鋼管(φ245×8)，②處為箱形構(gòu)件(B300×300×10×10)，材質(zhì)均為Q355B鋼。

圖6 提升架和周圈支撐結(jié)構(gòu)模型

4 連廊提升仿真分析

4.1 低位連廊

低位連廊同步提升結(jié)果如圖7所示。同步提升時，最大應(yīng)力為188.7MPa，出現(xiàn)在邊側(cè)提升點(diǎn)下部加固桿件附近，其余應(yīng)力均較小。最大豎向變形為-18.2mm，桿件組合驗(yàn)算比最大為0.57，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全，最大提升力為3 136kN。

圖7 低位連廊同步提升結(jié)果

低位連廊不同步提升結(jié)果如表1所示。其中，最大應(yīng)力為197.0MPa，出現(xiàn)在邊側(cè)提升點(diǎn)下部加固桿件附近，其余應(yīng)力均較小。最大豎向變形為-26.7mm，最大提升力為3 206kN，桿件組合驗(yàn)算比最大值為0.59，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。除豎向變形外，同步提升和不同步提升的計(jì)算結(jié)果差值均<5%，說明不同步提升對低位連廊受力影響較小。

表1 低位連廊提升計(jì)算結(jié)果

4.2 高位連廊

高位連廊同步提升結(jié)果如圖8所示。同步提升時，最大應(yīng)力為169.2MPa，出現(xiàn)在邊側(cè)提升點(diǎn)下部加固桿件位置附近，其余應(yīng)力均較小。最大豎向變形為-20.7mm，桿件組合驗(yàn)算比最大為0.55，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全，最大提升力為3 164kN。

圖8 高位連廊同步提升結(jié)果

低位連廊不同步提升結(jié)果如表2所示。其中，最大應(yīng)力為233.8MPa，出現(xiàn)在邊側(cè)提升點(diǎn)下部加固桿件位置附近，其余應(yīng)力均較小。最大豎向變形為-26.6mm，最大提升力為3 614kN，桿件組合驗(yàn)算比最大值為0.74，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。同步提升和不同步提升的同一桿件應(yīng)力差最大達(dá)38.2%，說明不同步提升對高位連廊受力影響較大，在提升施工過程中應(yīng)注意保證提升的同步。

表2 高位連廊提升計(jì)算結(jié)果

5 提升架分析

5.1 低位連廊

提取低位連廊提升分析中每個提升點(diǎn)同步提升最大提升力，加載于提升點(diǎn)上，用以驗(yàn)算結(jié)構(gòu)周圈支撐結(jié)構(gòu)，所得結(jié)果如圖9所示。提升架豎向最大位移-15.5mm，水平向最大位移為8.9mm。連廊周圈支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為170.8MPa，最大桿件組合驗(yàn)算比為0.84。T1-C塔樓第11層與最長提升架相連位置附近樓板出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，應(yīng)在該位置附近增加配筋，減小樓板開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 低位連廊提升架及周圈支撐結(jié)構(gòu)同步提升計(jì)算結(jié)果

提取鋼連廊提升分析中每個提升點(diǎn)不同步提升最大提升力，加載于提升點(diǎn)上，用以驗(yàn)算結(jié)構(gòu)周圈支撐結(jié)構(gòu)，結(jié)果如表3所示。連廊周圈支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為172.8MPa，最大桿件組合驗(yàn)算比為0.84，結(jié)構(gòu)保持安全。同步提升和不同步提升計(jì)算結(jié)果差值均<5%，說明不同步提升對低位連廊受力影響較小。

表3 低位連廊提升架及周圈支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

5.2 高位連廊

提取高位連廊提升分析中每個提升點(diǎn)同步提升的提升力，加載于提升點(diǎn)上，用以驗(yàn)算結(jié)構(gòu)周圈支撐結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖10所示。提升架豎向最大位移-52.3mm，水平向最大位移為18.6mm。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為265.5MPa，最大桿件組合驗(yàn)算比為0.84。T1-B，T1-C塔樓第13，14層與最長提升架相連位置附近的樓板拉應(yīng)力較大，應(yīng)在該位置附近增加配筋，減小樓板開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖10 高位連廊提升架及周圈支撐結(jié)構(gòu)同步提升計(jì)算結(jié)果

提取鋼桁架提升分析中每個提升點(diǎn)不同步提升的最大提升力，加載于提升點(diǎn)上，用以驗(yàn)算結(jié)構(gòu)周圈支撐結(jié)構(gòu)最不利工況，結(jié)果如表4所示。連廊周圈支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為294.3MPa，最大桿件組合驗(yàn)算比為0.93，結(jié)構(gòu)保持安全。同步提升和不同步提升最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果相差16.7%，說明不同步提升對高位連廊受力有一定影響，在提升施工過程中應(yīng)注意保證提升的同步。

表4 高位連廊提升架及周圈支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

6 連廊提升合龍、卸載分析

對低位連廊和高位連廊進(jìn)行提升、合龍、卸載過程仿真分析[6]，以高位連廊為例，根據(jù)施工過程建立有限元模型。

6.1 低位連廊

對低位連廊進(jìn)行提升、合龍、卸載過程仿真分析，計(jì)算結(jié)果如表5所示。隨著連廊提升就位與主體結(jié)構(gòu)形成整體，連廊豎向變形逐漸增大，最大應(yīng)力從加固桿件轉(zhuǎn)換至連廊自身。提升連廊施工完成后，最大應(yīng)力比為0.71，滿足要求。

表5 低位連廊提升施工全過程計(jì)算結(jié)果

將荷載作用于連廊整體模型，比較一次成型模型與分步成型模型在受力上的差別。由結(jié)果可知，一次成型桿件最大變形為15.2mm，最大應(yīng)力為87.7MPa，最大組合驗(yàn)算比為0.58。分步成型最終狀態(tài)與一次成型變形結(jié)果相差8.1mm，應(yīng)力結(jié)果相差3.8MPa，最大組合驗(yàn)算比相差0.13，二者相差不大。

6.2 高位連廊

對高位連廊進(jìn)行提升、合龍、卸載過程仿真分析，計(jì)算結(jié)果如表6所示。隨著連廊提升就位與主體結(jié)構(gòu)形成整體，連廊豎向變形逐漸增大，最大應(yīng)力從加固桿件轉(zhuǎn)換至連廊自身。提升連廊施工完成后，最大應(yīng)力比為0.42，滿足要求。

表6 高位連廊提升施工全過程計(jì)算結(jié)果

將荷載作用于連廊整體模型，比較一次成型模型與分步成型模型在受力上的差別。由結(jié)果可知，一次成型桿件最大變形為18.2mm，最大應(yīng)力為98.1MPa，最大組合驗(yàn)算比為0.30。分步成型最終狀態(tài)與一次成型變形結(jié)果相差近7.2mm，正應(yīng)力結(jié)果相差6.4MPa，最大組合驗(yàn)算比相差0.12，二者相差不大。

7 結(jié)語

利用有限元軟件MIDAS Gen對杭州近江四合一項(xiàng)目低位、高位2個多層大懸挑鋼結(jié)構(gòu)連廊進(jìn)行提升全過程仿真分析，分析了連廊同步提升和不同步提升工況、連廊提升架及周圈支撐結(jié)構(gòu)及連廊在提升合龍卸載過程變形、應(yīng)力、驗(yàn)算比等。通過全過程施工仿真分析，鋼結(jié)構(gòu)連廊施工過程中，連廊自身、提升牛腿及周圈支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度和剛度等均符合規(guī)范要求，保證了整體提升過程的安全性和穩(wěn)定性，證明了施工方案的可行性和可靠性，為類似結(jié)構(gòu)提升施工提供了示范。