某钢网架施工平台的施工过程分析

金伟峰 武诣霖

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

随着钢结构的大力推广和钢结构技术的不断成熟，钢结构的应用范围日益广泛，钢结构的数量也增长迅速。在众多的结构形式中，钢网架结构以其众多优点广受推崇。比如，其结构组成形式灵活多样但又具有高度的规律性；节点连接简便可靠；加工制作简单、机械化程度高；用料经济、能用较少的材料跨越较大的跨度；分析计算手段成熟可靠；适应建筑工业化、商品化的要求等[1]。

我国自1964年建成了第一个网架结构——上海师范学院球类房屋盖以来，网架结构以其众多优点，逐渐成为了我国大跨度建筑中应用最为广泛的一类空间结构[2]。在体育场馆、影院剧院、候车厅、飞机库房、工业车间厂房、各类仓库等建筑中，均能看到网架结构的成熟应用。据不完全统计，近几年我国每年建成约1 800个网架结构，覆盖面积达300万 m2，耗钢量15万 t[3]。

长期以来，工程界往往注重新建钢结构设计理论与设计方法的研究，忽略了钢结构在施工过程中的结构体系转化和受力性态变化规律的研究[4]。但是现实中出现了一系列钢结构（如工业建筑、高压输电塔、大型水库闸门、海上采油设施等）野蛮施工导致的安全事故表明，应该将注意力集中到钢结构的施工力学上来。

目前，结构施工力学的研究尚且滞后于结构设计理论与设计方法的研究，如何准确地分析钢网架结构在施工过程中边界条件、荷载条件、传力路径和受力性态的变化，定量评价钢网架结构在施工过程中的安全性，已成为当前研究钢网架结构的重要内容。

1 工程背景

某屋盖工程拟安装1副支承于11栋混凝土塔楼顶部的钢——铝合金组合结构单层自由曲面网壳。塔楼之间的最大间距为130 m，为了给混凝土塔楼直接的网壳结构提供施工界面，拟在塔楼之间搭设若干钢结构双层平面网架临时施工平台。

本文拟对其中一个关键位置的钢结构双层平面网架临时施工平台进行施工过程分析，定量分析该网架平台在施工过程中的安全性。

该平台为双层平面网架结构，全部采用Q345B钢材加工而成。网架高度3 m，最大跨度130 m，支承于16个塔楼外伸的钢支架及6个格构式临时支撑塔架上（图1）。

图1 平台提升吊点

该网架平台于地面胎架拼装，随后整体提升至80 m高空，并完成钢绞线与永久支座的传力路径置换，随后逐级加载至最大使用荷载。

提升总质量约740 t，采用“钢绞线承重，液压千斤顶集群作业，计算机同步控制”的提升安装工艺。在77.0 m标高处设置提升支架，布置穿心式液压千斤顶及液压泵站作为提升设备，吊点共计20个。

2 提升阶段钢平台受力分析

2.1 分析模型

建立两侧塔楼的结构模型（图2），按实际情况建立依附于2栋塔楼的提升钢架，与钢网架平台在提升点处建立桁架单元连接。随后建立6组格构式临时支撑塔架模型，并在塔架与钢网架平台间建立桁架单元连接，模拟实际工况。

图2 整体计算模型

2.2 荷载条件

根据钢网架平台结构的自身特点，以及塔楼、格构支撑提供的边界条件，在施工过程分析中需要考虑结构自重荷载，以及高空的风荷载。

1）恒载DL：考虑钢网架平台及其上格构柱、格构梁的自重，由软件自动计算，并取1.2倍放大系数以考虑节点构造、加劲板等部件的自重影响。

2）风荷载W：根据10年取基本风压w0＝0.40 kN/m2（风速25 m/s）。最大提升高度为77 m，格构柱最高点高度为100 m，根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，按C类地面粗糙度，100 m高度处的风压高度系数取1.50。

格构柱的挡风系数均约为0.20，根据规范，其整体体型系数为0.54。格构柱自重较轻，周期较短，且考虑到分项系数为1.4的情况，本文取风振系数为1.0，则在100 m高度处的风压标准值为0.324 kN/m2。风荷载按y方向施加，则格构柱上的整体线荷载标准值为0.687 kN/m。施工过程分析考虑1.2DL±1.4W、1.0DL±1.4W的荷载基本组合，以及1.0DL的荷载标准组合。

2.3 分析结果

在恒荷载工况下，钢网架平台结构的提升反力如图3所示。由于钢网架平台上荷载分布并不均匀，因此，其提升反力并非完全对称。最大单点提升反力为713 kN，出现在平台东南角格构式提升支架处。

图3 自重荷载下提升点反力分布

在全部验算荷载组合下，钢网架平台结构响应如下：

格构柱在基本组合作用下，产生的最大应力为118 MPa，格构柱单肢稳定系数为0.720，可见格构柱可满足强度和稳定承载力要求。塔楼提升塔架结构在全部荷载验算组合下，最大应力为96 MPa，可满足强度要求。

钢网架平台在恒载作用下产生的最大应力为115 MPa，可满足强度要求；但是在恒荷载与风荷载的组合作用下，钢网架平台产生的最大应力为515 MPa，结构强度无法满足要求。

2.4 基于分析结果的钢平台加固与优化

1）将与格构柱底脚相连的所有H M 1 9 4 m m×150 mm×6 mm×9 mm截面梁均放大为HM294 mm×200 mm×8 mm×12 mm截面梁。

2）对右侧中部提升点处的结构，各增加1 根HM294 mm×200 mm×8 mm×12 mm截面梁，梁两端铰接处理，具体增设形式和相应分析结果如图4、图5所示，经加固后的钢网架平台可保证风载作用下的强度要求。此外，在x向风载作用下，每个格构式塔架提升点将承受约20 kN的x向水平力；在y向风载作用下，每个格构式塔架提升点将承受约40 kN的y向水平力。

图4 钢网架平台角点加固示意

图5 加固后钢网架平台应力分布

3 格构式塔架施工过程分析

3.1 荷载条件

格构式塔架在提升阶段，承受P1平台和上部格构柱的自重，其自身自重以及风荷载。

1）恒载DL：格构式塔架结构自重，软件自动计算。

2）活载LL：由提升点传递而来的荷载，根据前文的分析结果，取承受荷载在最大的提升荷载进行分析，且考虑风载带来的附加荷载不平衡情况，对塔架顶部2个提升点分别施加540、900 kN的竖向提升荷载。

3）风载Wx和Wy。x向风载，对格构式塔架而言其受风面的挡风系数φ＝0.345，根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，对应体型系数为μs＝2.1×0.6＝1.26，考虑到x向受两侧既有建筑的遮挡，风载予以考虑0.5的折减系数。y向风载，对格构式塔架而言其受风面的挡风系数为0.446，根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，对应体型系数为1.17。

此外，考虑钢网架平台传递而来的风载，在每个提升点处施加20 kN的x向水平力和40 kN的y向水平力。

3.2 塔架分析结果

在各荷载组合下，对格构式塔架结构的结构响应进行分析。由分析结果得知，格构式塔架结构在组合作用下产生的最大应力为155 MPa，底脚的最大竖向压力为2 840 kN，最大竖向拉力为1 570 kN；活载和y向风载标准值作用下，四方架顶部产生的水平位移约230 mm；x向风载标准值作用下，四方架顶部产生的水平位移约300 mm。

活载总竖向力约1 440 kN，格构式塔架结构总自重约1 322 kN，出于安全考虑，顶部作用的总竖向力为1 440＋1 322/2＝2 101 kN。由于该位移产生的最大重力二阶效应，格构式塔架底脚将产生的附加弯矩为630 kN·m，该附加弯矩将对底脚产生的附加轴压力为98 kN。

可见该附加轴力不到最大轴压力的5%，二阶效应影响很小，前述分析结果安全可靠。综上所述，格构式塔架结构在施工过程中安全可靠。

4 工程实施情况

首先根据上文计算得出各提升点的荷载，对应配置提升设备以及钢绞线。完成前期平台及相关措施的安装工作后，进行提升设备的安装与调试。提升主要采用了16个100 t穿心式液压千斤顶，4个200 t穿心式液压千斤顶，总计20个提升点。液压千斤顶安装前先根据提升支架及搁置箱梁预留槽口的圆心投影至钢平台桁架上，保证投影点与预设提升点误差在2 cm以内，根据投影点进行下吊具的安装，达到液压千斤顶上下同心的效果。

根据各提升点荷载的大小对每个千斤顶配置对应数目的钢绞线，左、右旋各一半，在地面上将钢绞线穿入千斤顶并夹紧上下锚具，通过两侧塔吊进行千斤顶的吊装，安装就位后设置压板固定，然后根据编号将泵站及分控箱吊装到位，拉通通信线以及电源。

提升设备安装完成后对各站点进行单独及联动调试，确保设备及控制系统运转正常，整体连续提升过程如下：

1）预提悬停。准备工作就绪之后，断开平台与拼装胎架的连接，平台预提腾空约10 cm，并悬停静置12 h以上。待结构因自重产生的变形稳定后，观察平台结构、千斤顶放置点的措施结构、土建原结构等变形情况，并测量复核新增提升支撑塔架的垂直度变化。

2）平台整体连续提升。悬停12 h后，平台进行整体测量与初始状态比较，平台调整姿态后正式开始提升。平台整体提升是采用计算机控制各站点泵站，通过穿心式液压千斤顶集群实现钢平台全自动同步提升。提升过程需要在外部使用测量仪器观测平台高度和高差，实时调整平台状态。钢平台在提升过程中的整体高差应控制在设计允许范围内，以保证各提升点的同步性满足要求。各提升点的提升荷载或高差出现异变或被提升结构的变形超出相应值时，应立即停止提升。

3）落架终固。连续提升至就位位置附近时，将计算机自动控制调为人工手动控制，连接转换阶段需超提3 cm预留施工作业面，然后关闭油缸保持结构，进行反力架销轴的安装和塔架牛腿的焊接，最后通过下降行程将钢绞线上的荷载全部转移至塔楼反力架和新增塔架2个承重结构上，测量平台平整度，检查全数搁置点并垫平抄实，落架完成。

5 结语

本文针对某钢结构双层平面网架临时施工平台及格构式临时支撑塔架进行施工过程分析，定量分析了网架平台与塔架在施工过程中的受力性态，并根据施工过程分析结果，对钢网架平台进行了加固补强。对于整体提升施工的结构，其提升过程中的边界约束远没有使用阶段稳固，在极端风荷载作用下，结构应力有可能与本文中情况一样，超过结构在使用阶段的最大应力。因此，针对整体提升施工的结构进行考虑风荷载的施工过程分析是十分必要的，本文所述的施工分析方法对类似工程具有良好的适用性。