超大质量复杂空间钢结构刚柔结合同步提升技术

李 敏 张 强 王永刚 胡 锐 杨蒋文 史 静 刘嘉锋

中国建筑第二工程局有限公司 江苏 南京 210000

超大质量复杂空间钢结构刚柔结合同步提升技术采用多吊点刚柔结合的累积安装创新工艺，具有“外整内缺，累积提升”的特点，并根据承重体系和提升结构特点，设置提升吊点。运用液压同步控制系统分段提升至同一高度后，将分段组装完成，再提升至设计高度。利用成套技术使钢结构成为建造绿色智慧新城的关键环节[1-3]。

1 工程概况

重庆江北新区市民中心项目上园高楼结构总体采用钢框架支撑结构体系，顶部3层刚性桁架结构整体提升安装，直径104 m，提升总质量约5 300 t，提升总高度约37 m。

2 工艺原理

在主承重体系的四肢格构式塔架柱顶安装提升支架。先提升基坑内3/4不规则结构约6 m高，与基坑外1/4结构整体拼装完成后，再整体提升至设计位置标高。

3 制作工艺流程及操作要点

3.1 制作工艺流程

施工准备→提升支架安装→钢桁架拼装→液压提升器安装→下吊具、钢绞线安装→提升设备连接→液压同步控制系统调试→检查验收（自检）→专家现场验收→试提升→正式提升→1/4段桁架拼装→整体焊接→第2阶段试提升→第2阶段正式提升→提升器锁定→嵌补、焊接

3.2 操作要点

3.2.1 抗震受力分析

1）采用Etabs软件进行了中震分析，桁架的应力比、框架支撑角筒中框架柱和普通钢支撑及楼面钢支撑应力比均满足中震弹性形变的性能目标；屈服约束支撑满足中震部分支撑屈服的性能目标。

2）采用Perform-3d软件对结构进行了弹塑性时程分析，结构层间最大位移角满足规范的要求，结构整体耗能良好，各构件的性能均符合预定的性能目标。

3.2.2 BIM有限元仿真

1）针对同步控制液压设备控制难度大、提升绝对同步性难以保证的难题，采用有限元模型对客观存在的不同步性进行定量和定性计算分析。设置小刚度的弹簧约束模拟提升结构提升过程的水平边界条件，对提升结构在地震荷载、风荷载作用下的摆动进行模拟，选取其中允许的最大不同步性提升位移限值，作为安全控制值。

2）针对同步卸载可操作性差的特点，并考虑钢结构处于应力水平较低的弹性状态下，不同的卸载顺序对结构应力和变形状态的影响，对卸载过程进行仿真计算，证明弹性力学的叠加原理适用于提升完成后拉索的拆除，可以采用不同步卸载施工技术。

3）针对提升结构在地震作用和风荷载摆动时吊索产生的水平拉力，计算分析提升结构以及支撑结构的受力影响，采用提升结构位于地面附近的工况验算提升结构与提升架在风荷载作用下的碰撞状态，以及在提升高度内地震作用下拉索的最大拉力和水平位移，据此设置提升结构与提升支撑之间的最小相对位移间距，避免碰撞。

3.2.3 提升支架制作安装

安装时利用全站仪精准安装定位，保证提升支架横梁安装平整度误差不大于3 mm；对位提升支架与下吊具，保证安装误差不超过1.0°且水平误差不大于15 mm，避免产生过大的水平力；提升支架安装完成后进行100%探伤，全部检测合格后进行提升作业。

3.2.4 下吊具安装

环桁架和主桁架采用2种类型的下吊具，对结构建模分析，分别确定反力值，分析结果的局部最大应力为256 MPa，故设计下吊具材质为Q345B，屈服强度为345 MPa。下吊点采用在被提升钢桁架结构的主（环）桁架上弦杆上表面焊接下吊具的形式，焊接要求均为等强连接；通过在下吊具顶板位置上开孔，使钢绞线与下部地锚连接，形成稳定的吊具结构形式，利于后期安拆工作，不影响原结构杆件对口安装，临时措施用量较少。环桁架处的下吊点设置在环桁架上弦与立柱的连接节点处，无需加固处理；而布置在主桁架处的下吊点未设置在桁架上弦节点处，需额外进行加固处理（加固杆件截面B500 mm×500 mm×25 mm，Q345B），下吊点下方设置竖向拉杆与桁架下弦节点连接。

3.2.5 液压提升器及液压泵源安装

在环桁架提升吊点上安装TJJ-5000型液压提升器，单台液压提升器额定提升能力500 t，在主桁架提升吊点上安装TJJ-3500型液压提升器，单台液压提升器额定提升能力350 t。其中最大裕度系数2.23，最小裕度系数1.65，配置符合规范要求。液压提升器为穿芯式结构，中间穿钢绞线，两端有主动锚具，利用楔形锚片的逆向运动自锁性，卡紧钢绞线向上提升。

每台提升器内钢绞线孔应与提升梁的钢绞线孔中心对齐，依液压锁方位来调整位置，每台提升器底部采用压板固定。液压泵源系统数量依照提升器数量和参考各吊点反力值选取，提升钢桁架结构时，每个塔架柱柱顶位置配置2台TJV-60的液压泵源系统，共计配置8台TJV-60液压泵源系统，每2台泵站驱动6台液压提升器。

3.2.6 导向架安装

导向架安装在提升器旁边，导向架的导出方向以方便安装油管、传感器和不影响钢绞线自由下坠为原则。

3.2.7 钢绞线安装

按照提升吊点计算反力值，选取φ17.8 mm高强钢绞线，单根钢绞线承载力350 kN，圈桁架、主桁架提升点位置钢绞线选择42根。按顺序依次将钢绞线穿入地锚中并理齐，锁紧钢绞线。

3.2.8 提升同步控制系统布置

计算机同步控制系统布置在提升器、泵源系统等位置附近，便于与提升器及泵源系统等连接。

3.2.9 大直径桁架预起拱拼装

本工程采用“地面拼装，整体提升”的安装工艺，首先在地下室筏板及筏板外区域拼装顶部3层桁架结构。桁架拼装采用先桁架后系梁的顺序进行，桁架拼装过程中采取侧向加固支撑，防止桁架倾覆，并及时连接系梁，使拼装结构形成稳定结构体系。提升钢桁架结构于投影正下方筏板上原位拼装，根据结构分析计算软件选择圈桁架象限点位置及中间桁架中点位置确定起拱值。在筏板上布置胎架进行预起拱，方便上部结构拼装。胎架根据吊挂柱位置及分段进行布置，在筏板施工时预留胎架焊接埋件。

3.2.10 正式提升

本工程采用顶部3层桁架结构地面拼装完成后整体提升，下部2层吊挂结构散件吊装施工。由于地面拼装场地位于基坑外，第一阶段先提升该区域以外3/4不规则结构约6 m高，在此状态下拼装基坑外涉及的提升桁架结构，结构整体拼装完成后进行第二阶段整体提升至设计位置标高。2次提升结构质量差异大、形心偏离大，提升过程受力复杂。

3.2.11 悬停加固

桁架结构提升至相应标高后进行悬停，并使用H型钢进行临时侧向固定，安装下部标准节临时支撑，嵌补焊接南侧与提升单元杆件。

3.2.12 提升过程同步性监测

提升过程中采用静力水准仪进行结构同步性监测，精度±0.2 mm。在24个下吊点部位设置静力水准仪对钢结构整体提升同步性进行监测，与常规上吊点同步性监测方法相比，有效地消除了提升吊点变形及钢丝绳延展所带来的误差。监测数据采用GPRS-A无线数据采集仪进行采集。

3.2.13 自锁死装置

自锁死装置主要由上部承载箱形梁、吊挂钢带、双销轴组成。通过模型验算，300 t荷载作用下最大变形0.3 mm，最大应力280 MPa。

3.2.14 加固及嵌补安装

为提高悬挑桁架整体刚度和强度，在悬挑桁架提升支架下方设置加固立柱，对悬挑结构进行补强，加固立柱截面为箱形600 mm×20 mm，材质Q345B。同时，将提升架布置位置H型钢梁替换为箱形截面。为缩短提升支架悬挑长度，减少结构拼接接头数量，增加提升安全性，提升单元主桁架采用小段嵌补方式，格构柱牛腿段随钢柱一起吊装就位。提升就位后，使用桁架嵌补单元连接牛腿及主桁架；嵌补段安装顺序由上向下进行，先弦杆后腹杆。

3.2.15 分级卸载

本工程整体提升就位后锁死钢绞线，同时增加限位锁定装置后进行节点补强、4～5层倒挂结构施工。整体结构安装完成后进行分级卸载，先卸载吊挂钢带并对结构进行监测，待监测数值稳定后，分五阶段对钢绞线进行卸载。

卸载检查：卸载前对焊接进行全方位检查，同时测量就位状态结构数据；卸载过程中做好关键位置应力监测，并实时跟踪测量每一级卸载完成后的结构变化情况。

4 效益分析

实现了大直径钢环梁整体提升，以及我国首例刚柔结合型钢结构整体提升，在钢结构吊装中首次采用了“下吊点静力水准仪高精度监测技术”。通过技术研究和创新，形成具有企业特色的成熟施工技术，推动复杂钢结构安装建筑体系在我国的推广应用，加快建筑生产工业化、产业化发展的进程。与传统高空拼装相比较，新技术节约成本780余万元，其中节约人工费200余万元，材料费20余万元，机械设备费325余万元，技术措施费40余万元，工期费用180余万元。

5 结语

超大质量复杂空间钢结构刚柔结合同步提升技术，不仅实现了设计要求和合同承诺，同时降低了工程施工成本，提高了工程施工效率，为整个工程的技术管理和经济核算管理创造了价值。