大跨度钢结构连廊错层拼装同步提升控制技术
时间：2023-03-23 13:05:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王振海，陈 果，王 博
(东西汇(横琴)发展有限公司，广东 珠海 519000)
随着建筑施工技术的不断进步，连体结构越来越多的出现在公众的视野中[1]，此种建筑形式，使建筑外观气势恢宏、整体统一、造型独特，提升了建筑的整体美感。但是超大、超高、超重钢连廊构件的吊装给工程施工带来了巨大难度[2-3]。近年来涌现了多种整体提升方式，主要有高空滑移法、高空散拼法、整体提升法、整体吊装法和分块吊装法等[4-6]。庞鹏[7]介绍了重型钢桁架错层拼装、多轮次提升法，根据各区域标高不同，分别进行低位拼装，多轮提升。本文结合工程项目的实际特点，在施工中利用“错层拼装累积液压同步提升控制技术”，有效降低了施工成本，节约了工期，降低施工风险。
东西汇项目结构形式整体采用框架剪力墙结构，本工程高位连廊钢结构位于D1塔楼与D2塔楼之间，位于D1塔楼的第17层～第19层，D2塔楼的第15层～第17层，跨度70 m，连廊钢结构由两榀主桁架组成，连廊高度为9.1 m，标高为70.65 m～79.75 m，总提升质量约650 t。
由于本工程钢结构连廊跨度和高度均较大，若采用常规的分件高空散装方案，需要搭设大量的高空支撑架，不但高空组装、焊接工作量大，技术经济性指标较差，而且存在较大的质量、安全风险，且工期无法保证，成本较高。又由于本工程连廊正下方投影有裙房结构，所以连廊无法在下部拼装成整体。因此，选择成本较低，且符合工期节点要求的施工方案就成为了本工程需要考虑的重点。
最终本工程选取了“错层拼装累积液压同步提升”的施工工艺，因此将连廊分为两个预装区和三个拼装区(连廊分区情况见图1)，预装区分别为D2预装区、D1预装区，拼装区分别为分区一、分区二和分区三。而施工的基本思路为：分区二和分区三拼装→一次提升(分区二)→分区二与分区三对接，同时拼装分区一→二次提升(分区一、分区二、分区三)→补齐剩余杆件。该施工工艺具有以下特点：
1)根据现场条件，提前插入胎架及结构拼装，合理穿插，节省工期。
2)将超高空散拼作业变为地面低空作业，大大降低高空施工安全风险，便于施工现场安全和质量管理。
3)减少大量大型机械台班并大大减少一次性措施材料投入，节约成本。
3.1 临时胎架安装
本工程胎架分为两部分：低位胎架和高位胎架，分别设置于地下室顶板(-0.050 m)与裙房屋面(22.150 m)，立柱采用φ609×16圆管，主受力横梁及支撑采用双拼H 588×300×12×20型钢，连接横梁采用H300×300×10×15型钢。胎架柱与结构柱竖向位置合并，确保楼板不承受胎架以及连廊结构荷载，全部荷载通过胎架梁、胎架柱有效传导至结构柱、承台以及桩基础。
3.2 错层拼装
结合现场高低跨的实际情况，选择将桁架进行错层单独拼装(见图2)。本次吊装需确保最不利吊装构件顺利安装到位，选取一根距离最远构件(质量8.13 t)，一根质量最大构件(质量15.9 t)作为最不利吊装构件。吊装分析得知：
最远构件质量8.13 t，距吊车33.1 m；
最重构件质量15.9 t，距吊车24 m，220 t汽车吊在此种工况下均满足施工要求。
钢结构连廊主体结构拼装步骤：由于腹杆为一定角度连接在上弦杆与下弦杆之间，为了提前插入施工和确保腹杆对接角度的前提下，先在地面将腹杆两两用型钢支撑连接成整体，共6组，胎架上拼装时先装下弦杆和水平梁，再将组拼好的六组腹杆分别吊装在下弦杆上，最后吊装上弦杆和水平梁。
3.3 连廊提升
本次提升共设置8个吊点，其中临时吊点1～临时吊点4为第一次提升(分区二)使用的临时措施，需借助地面格构柱作为起吊提升架；
吊点1～吊点4为二次整体提升使用吊点，即利用连廊结构D1和D2预装区作为二次提升架来使用(见表1)，提升吊点布置见图3。
表1 吊点设备使用情况
3.3.1 临时提升架安装
连廊第一次提升采用临时提升架，每个吊点设置一组支架，每组支架由两个格构式支架及提升梁组成，为避免对地下室顶板造成结构损伤，需在提升支架对应位置的地下室顶板下部设置格构式支架进行回顶，在与混凝土楼板及底板接触位置需要用钢板塞实，提升支架底部设置路基箱进行传力，使提升荷载顺利传导至地下室底板及基础。
3.3.2 二次提升架安装
连廊第二次进行整体提升，可以利用连廊结构D1,D2预装的桁架设置提升支架结构，为使提升过程稳定，需对上吊点及下吊点进行加固，上吊点牛腿和下吊点牛腿安装及加固等(见图4)。
3.3.3 试提升
以计算机仿真计算的各提升吊点反力值为依据，对连廊结构进行分级加载(试提升)，各吊点处的液压提升系统伸缸压力以20%幅度缓慢分级增加至80%；
在确认各部分无异常的情况下，可继续加载到90%,95%,100%，直至连廊全部脱离拼装胎架。连廊离开胎架约100 mm后，将液压提升系统设备锁定，空中停留12 h以上并作全面检查(包括吊点结构、承重体系和提升设备等)，并将检查结果以书面形式报告现场总指挥部。各项检查正常无误，再进行正式提升。
3.3.4 一次提升
用测量仪器检测各吊点的离地距离，计算出各吊点相对高差。通过液压提升系统设备调整各吊点高度，使结构达到水平姿态。以调整后的各吊点高度为新的起始位置，复位位移传感器。在结构整体提升过程中，保持该姿态直至提升到设计标高，因为空中姿态调整和杆件对口等原因，需要对结构高度进行微调，使其高度及杆件接口达到对接精度范围以内。
在结构一次提升就位并微调后，立即锁定提升器，并使用耳板对主桁架钢箱梁进行临时固定，然后进行分区二和分区三之间连接杆件拼装，同时进行分区一与分区二的拼装，使其形成整体并达到二次提升条件(见图5)。
3.3.5 二次提升
在一次提升完成，分区一、分区二及分区三连接完成，并探伤完成后，需对错层拼装后钢结构连廊进行二次提升。二次提升将使用吊点1～吊点4四个吊点，需进行一次吊点转换。在吊点转换过程中，临时吊点1～临时吊点4仍然处于持荷状态，不得卸载。按照加载程序，由计算机仿真计算的反力作为依据，对吊点1～吊点4进行逐级加载，加载幅度控制为10%,30%,50%，然后锁定油缸持荷，并对提升系统进行全面检查。此时，临时吊点1～临时吊点4将产生被动卸载，在经过检查确认无误后，对临时吊点1～临时吊点4按照卸载程序进行卸载，卸载幅度以此时荷载的20%为一级进行，直至完全卸载并拆除临时吊点。
由于临时吊点卸荷，荷载将转移至吊点1～吊点4，因此，需卸载程序必须缓慢，并通过传感器数据结合现场测量仪器观测，确保卸载安全。
继续加载吊点1～吊点4直至连廊全部脱离裙房高位胎架，连廊结构离开二次胎架约100 mm，锁定液压提升系统，并执行全面检查程序。确认无误后，开始进行连廊二次提升。提升速度控制为4 m/h，当提升达到设计标高后，将自动提升系统调整为手动模式，并对结构高度及杆件接口位置进行微调，以达到准确对接目的。锁定液压提升系统，利用耳板对结构进行临时定位，采用500 t汽车吊进行剩余杆件安装(见图6)。
3.4 卸载
后装杆件全部安装完成，按计算的提升载荷为基准，分5级进行卸载，卸载幅度每次控制在荷载的20%以内，如遇吊点偏载超过卸载前载荷的10%，或者吊点位移不同步达到10 mm，则立即停止其他点卸载，检查并处理完成后继续卸载，直至钢绞线完全松弛。
本工程采用通用有限元分析软件SAP2000V21.1.0进行提升系统力学计算。
4.1 胎架验算
将拼装胎架与连廊进行整体建模型计算，胎架与连廊支架采用压杆进行模拟(见图7～图9)，分析系数取1.5。
计算结论：胎架最大竖向变形约10.3 mm，杆件最大应力比约0.74<0.9，满足施工要求。
4.2 风荷载计算
连廊提升高度约80 m，所以需要考虑风荷载的作用，由于连廊二次提升时，连廊迎风面积较大，因此将此阶段作为最不利因素考虑，提升时仅考虑杆件的迎风面积，迎风面积A≈260 m2，按照珠海市十年一遇风荷载进行计算，w0=0.5 kN/m2，风振系数取βz=1.3，风荷载体型系数μs=1.3，地面粗糙度按A类考虑，风压高度变化系数μz=1.95，计算如下：
风压标准值wk=βzμsμzw0=1.3×1.3×1.95×0.5=1.65 kN/m2。
连廊受到的风荷载值F=Awk=1.65×260=429 kN，提升施工时，风荷载会通过钢绞线传递至提升支架，总共4个吊点，所以每个吊点承受的水平风荷载为429/4=107.3 kN。
4.3 高位连廊整体提升计算
连廊结构杆件均采用梁单元进行模拟，在吊点处进行竖向约束加水平向弹簧约束，弹簧刚度0.000 1 kN/mm(可忽略不计)，荷载为结构自重，提升部分质量约710 t，荷载分项系数取1.5，杆件应力比限值为0.9，下挠控制不超过跨度的1/400。经过分析，两次提升过程中第二次提升过程为最不利过程，因此需重点关注二次提升过程计算(见图10～图12)。
计算结论：由上述提升工况分析结果可知，连廊结构跨中最大下挠约17 mm<70 000/400=175 mm，杆件最大应力比约0.4<0.9，满足施工要求。
4.4 提升支架验算
4.4.1 第一次提升架验算
第一次提升支架底部采用铰接约束，荷载为支架自重及吊点的提升荷载，最大荷载约1 102 kN，水平荷载按照竖向提升荷载的5%进行取值，计算变形荷载分项系数为1.0，计算强度荷载分项系数为1.5。
计算结论：提升支架端部位移约28 mm，最大应力比约0.69<0.9，最小屈曲系数为33.3>4.2，满足施工要求。
4.4.2 第二次提升架验算
第二次提升利用原结构D1,D2预装段作为二次提升架使用，根部采用刚接约束，荷载为自重荷载及吊点的提升荷载，吊点竖向荷载分别为1 832 kN和1 756 kN，水平荷载按照吊点荷载的5%进行取值，计算变形荷载分项系数为1.0，计算强度荷载分项系数为1.5。
计算结论：竖向变形约2.4 mm，杆件最大应力比约0.3<0.9，满足施工要求。
5.1 错层拼装
胎架安装需严格控制胎架梁及短柱平面位置及水平度，确保短柱与混凝土结构面充分接触，如出现缝隙，需采用补强措施。由于考虑到提升时跨中的挠度变形，需在胎架中间设置预拱度。
钢结构连廊的安装顺序依次为下弦杆、腹杆及水平梁、上弦杆。安装控制的关键为下弦杆安装定位的精度，因此，在安装时需全站仪全程配合吊车精准定位，定位精度为±5 mm。待下弦杆全部焊接完毕，将预先在地面拼装好的腹杆组吊装到位，随后安装上弦杆，关键控制腹杆顶部定位精度及上弦杆标高及水平度。
5.2 多次提升质量控制
在两次提升过程中需要注意以下事项：
1)检查导向架安装方向，以方便拆除油管、传感器和不影响钢绞线自由下坠为原则。
2)检查钢丝绳，不得碰触提升器支承通孔孔壁。
3)检查地锚，使上下吊点的垂直度偏差小于1.5°。
4)检查泵站与提升器油管连接，且检查油管编号是否对应，测试油缸伸缩功能。
5)检查油缸传感器和位移传感器工作是否正常。
6)监测临时吊点格构柱稳定性。
7)多点同步监测提升速率和整体稳定性。
8)两次提升就位时提升器微调。
9)第二次提升吊点转换加载与卸载程序转换。
5.3 焊接控制
钢结构工程的焊接是质量控制的关键，随着结构跨度和高度以及重量的不断增加，也导致结构所使用的钢板厚度越来越厚。因此，焊接过程必须进行严格的焊接控制，如：
1)由于整个焊接作业均在室外完成，极易受到大风的影响，因此在焊接施工前需搭设防风措施，并增大CO2气体流量以达到焊接保护效果，提高焊接过程的抗风能力，形成对熔池的渣-气联合保护。
2)焊接前进行焊口清理，清除焊口处表面的水、氧化皮、锈、油污等。
3)焊接前使用火焰加热设备将焊接坡口两侧150 mm范围内进行加热，加热温度根据不同的板厚不同，最低温度不得低于80 ℃。
4)焊接过程中严格控制层间温度，层间温度控制在120 ℃～190 ℃之间。分次完成的焊缝，再次焊接前要进行预热处理。
5)对于母材厚度25 mm≤T≤80 mm的焊缝，焊后进行后热处理，后热应在焊缝两侧各100 mm宽幅均匀加热，加热时自边缘向中部，又自中部向边缘由低向高均匀加热，严禁持热源集中指向局部。
6)应避免雨天施工，如遇下雨，需设防潮、防雨、防砸措施，对重要焊接口要搭设专用防雨棚或其他有效防雨措施，在雨量较大无法施工时，需及时进行覆盖，当相对湿度大于90%时应停止焊接作业。
随着工程技术的不断进步，对于大跨度钢结构连廊以及其他钢桁架结构吊装的需求越来越多，传统的胎架高空散拼的弊端已经越来越明显。本工程通过“错层拼装累积液压同步提升控制技术”，结合力学计算分析，综合研判，合理安排，实现了连廊吊装工期缩短2个月，减少措施材料投入约1 000 t，且大大降低施工难度并降低了施工安全风险等级，从而节约了成本，提高了经济效益，为业内同类工程提供了有效借鉴。
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