一种非连续的正交斜放管桁架结构错层提升施工技术分析

王志兴 郑礼刚 晋 浩 武国健 曹晋铭

0 引言

潇河国际会展中心中间组团项目屋盖结构中部下凹，四角上翘且四边不等高，属于一种凹曲屋面结构，属于正交斜放空间管桁架结构，分四个角顶、十字交通走廊玻璃顶、中心圆顶三部分，每个角顶钢桁架投影面积为6 575m，角顶斜向桁架最大跨度达88.7m，主受力体系为正交斜放的管桁架结构体系，在中部天窗位置一个方向的桁架断开，仅有一个方向的桁架连续，所以暂且把这种结构类型称作“一种非连续的正交斜放管桁架结构”。屋盖轴侧图如图1 所示。

图1 屋盖轴侧图

1 施工整体方案选择分析

由于大跨度空间结构具有跨度大、构件多、空间形式复杂等特点，因此施工安装过程有许多难点，如：安装高度较高，构件尺寸大，纵横交错，焊接工作量大，节点复杂等，因此选择合理的施工方法并制定严密的施工方案就显得至关重要。目前，大跨度空间结构的施工安装方法可大致分为两大类，一类是先在地面完成大部分杆件的拼装，以减少高空作业量；另一类则是直接在高空完成拼装。具体包括：高空散装法、高空滑移法、分条或分块安装法、整体吊装法、顶升和提升法等。通过对现场工况分析和施工全过程进行模拟分析选择大跨度空间结构施工技术十分必要，且可以为实际工程的施工提供指导。下边以潇河国际会展中心中间组团项目为案例进行分析。

1.1 施工现场分析

如图2，钢结构工程施工贯穿土建和屋面施工，钢结构施工范围广、时间长，与土建、屋面等单位存在大量的交叉作业，土建施工区域占据了整个区域周边，导致钢结构施工场地狭小，只有楼面工作面区域，所以把楼面作为拼装场地，在楼面拼装时，根据楼面承载力要求，采用塔吊和小吨位汽车吊上楼面进行钢结构拼装。

图2 施工场地平面图

高空拼装需要搭设较大规模的拼装支撑架，占用场地大，不适合本项目；高空滑移法需要楼面外拼装场地无法提供，且根据本项目为非连续的正交斜放管桁架结构形式，各榀桁架的布局并不完全一致或对称，标高也不尽相同，且不具备设置平行滑轨的理想条件，故不宜采用高空滑移法施工；高空拼装高空散装法、分条或分块安装法、整体吊装法在本工程只能在楼面外围采用大吨位汽车吊进行安装，但与土建存在交叉作业，管理难度大，所以也不适合本项目；提升法与顶升法可以在地面完成檩条等附属结构的安装，然后随桁架一起整体提升到位，其施工工艺很相似，主要的区别在于结构与起重设备之间的相对位置关系，但顶升法存在一定的不足，顶升设备及顶升支架在顶升过程中以受压为主，为保证稳定与安全，需要设置导向措施，以免结构在顶升过程中发生较大侧移。而提升法施工可避免此类问题，且液压提升设备具有单向自锁功能和其他安全保障措施，具有相对更高的可靠性。综上，根据本工程屋盖空间拱桁架结构的受力特点，结合工程实际情况和施工现场的条件，衡量各施工方法的利弊，本项目采用提升法完成大跨度拱桁架结构的安装施工，以保证施工安全和质量的前提下，能较好地控制施工成本和工期。

1.2 楼面标高分析

如图3、4，由于屋盖下部土建楼层不是同一标高，无法将屋盖进行整体拼装，所以需要将屋盖分成若干部分在不同的楼层上进行拼装和采用错层提升施工的方式进行安装。A 区、B区在8.3 楼板处，有设备夹层，所以在提升完毕后再进行安装，C 区、D 区存在-0.1m、8.3m、12.5m 三个楼层，为此，根据下部楼面标高及位置进行分区，各分区单独进行楼面拼装和错层提升的施工方法，错层提升到位后增补嵌补杆件形成整体屋盖结构。屋盖结构可在适应楼板面进行拼装，根据屋盖桁架平面投影所处楼层，进行相应的桁架拼装，即先考虑最高层楼板拼装，最高层未能拼装时可在下层楼板拼装，各楼层拼装完成后，从最底层楼板依次提升，每提升到一层可进行本层嵌补合拢，实现累积提升连接为整体后一起提升至设计标高，实现在各楼层同步进行拼装，提高生产效率，减少了胎架拼装高度，有效地缩短工期，所以本项目采用“错层累计提升+悬吊区域楼面原位高空分片吊装”楼面拼装的方法。

图3 A/B 区楼板标高图

图4 C/D 区楼板标高图

2 错层提升吊点分析

根据第一节分析，如图5，C-2 区在8.300m 标高拼装后，提升至12.500m 楼面，与C-1 区连成整体后一同提升至设计位置；C-3 区在-0.100m 标高拼装，整体提升至设计位置，最后进行各分区之间嵌补杆装配焊接。但由于本结构属于非连续正交斜放管桁架结构，所以提升前必须合理选择提升吊点，不然会出现局部杆件受力过大的现象；选取吊点原则应尽量利用原钢柱作为提升吊点，保证桁架在提升过程中杆件应力和变形在可控范围内和各分区之间变形协调。

图5 分区吊点布置图

2.1 吊点设置分析

如图5，本工程桁架正交斜放管桁架，整体受力最大点位置在C1、C5、C7、C10，所以在C-2 区和C-1 区整体提升时考虑为提升吊点；整个桁架变形处于斜向桁架最大跨度中间C9 处，所以为了防止变形过大和边缘构件变形均匀性，将C9 作为提升吊点；C2 点设置保证了C-2 区和C-1 区整体提升均匀性与C2点进行对称布置，C8 点保证C-2 区提升均匀性与C7 点进行对称布置；C3、C6 点设置保证C-2 区提升时边缘构件变形均匀性而设置吊点，C4、C5 点保证C-2 区和C-1 区整体提升缘构件变形均匀性而设置吊点；其中C3 点在C-2 区提升到与C-1 区相连位置后，将提升力转换到C4、C5 点后进行拆除后再进行C-2区和C-1 区整体提升；C-3 区单独提升到设计标高，所以根据满足吊点设置原则设置了C11 到C15 五个吊点。

2.2 下吊点特点分析

正交斜放桁架下吊点设置比较复杂，常规正交正放的桁架，吊点一般直接设置在主桁架的上弦杆上，但是这种正交斜放的桁架在柱顶支座位置有两榀主桁架汇交，所以提升时，需要将两榀桁架加固成整体进行提升，具体做法如下，在两榀桁架直接设置下吊点临时桁架（杆1、2、3），由于两榀主桁架和支座位置断开后，不是完整的桁架结构，所以需要在主桁架位置设置杆4、5 进行加固，通过这种加固方式，将吊点荷载通过下吊点临时桁架传递至两榀主桁架，确保了提升过程安全性，如图6 所示。

图6 下吊点示意图

3 施工模拟计算分析

3.1 错层施工模拟

采用错层提升施工方法，由于不是一次提升到位，所以提升过程中出现提升吊点转换工况，针对这种工况，对分区错层提升、合拢、卸载等各阶段进行仿真模拟分析，明确整个提升过程关键杆件控制点、精度控制点以及提升动态监测点，从而可在事前进行控制，保证施工质量，其次提升模拟时采用非线性施工阶段分析，考虑各区块提升过程中的不同工况，应力比计算的是各工况的包络值，并且卸载模拟中的变形和应力比是考虑了多次提升的变形及应力叠加效应，如图7 所示，针对本项目采用SAP2000 对各阶段提升变形值进行模拟分析，了解各区域变形最大值后可进行预起拱保证整个屋盖结构的精度，从图7 步骤一到步骤五可以看出，桁架的竖向位移最大下挠为45.5 mm，在规范要求范围内。其次分区错层提升各杆件受力值进行模拟，确定提升过程中应力较大的杆件位置，对应力大而存在风险的杆件进行替换降低安全风险，从卸载完成后杆件应力比云图可看出，所有杆件应力比小于0.65，满足规范要求。

图7 分区错层施工模拟分析步骤表

3.2 下吊点分析

下吊点把两榀桁架连起来做了一个吊点，属于本次非连续的正交斜放管桁架结构特殊吊点，必须满足其安全性，因此通过计算模拟分析了解其安全性。本工程屋盖提升下吊点采用吊具焊接在桁架上弦杆上，选取最大吊点进行计算，本工程最大吊点荷载为800kN，荷载分项系数选取1.5，竖向荷载设计值为1.5×800=1 200kN，计算模拟见图8。

图8 提升下吊点有限元分析

局部最大应力为239Mpa＜295MPa，最大变形为0.7mm，满足《钢结构设计标准》要求。

4 结语

通过对潇河国际会展中心中间组团项目屋盖结构特点、施工现场、提升吊点精准分析，合理确定采用错层累计提升施工方案，并根据其非连续的正交斜放管桁架结构特点确定了各分区的提升吊点，最后根据施工模拟计算分析确定的变形值进行预起拱，保证了屋盖桁架精准度。通过采用这些施工举措满足了分区错层同步提升的技术要求，减少工人的高空作业量，安全性较好，同时大大缩短了工期。