某超高单体整体式提升施工技术分析——以某雷电试验大厅项目为例

杨 阳 （长江精工钢结构（集团）股份有限公司，安徽 六安 237161）

1 工程概况

某雷电防护与试验研究重大试验设施建设项目位于安徽省合肥市庐阳区大科学装置集中区，试验大厅由A 区和B区两个试验区和若干内附楼组成，A 区、B 区和附楼之间设缝脱开。A 区试验大厅结构类型为巨型四肢格构柱+钢网架结构，B 区试验大厅结构类型为钢排架+网架结构，结构找坡5%。A 区试验大厅为超高大跨度单层工业建筑，建筑高度为116m，总建筑面积约14300m2，平面内轴线尺寸为131m×110m，下弦中心标高110m。B 区试验大厅建筑高度为33.1m，总建筑面积约4851m2，平面内轴线尺寸为52.5m×110.0m，下弦中心标高30m。总建筑面积约19222.5m2。

图1 轴测示意图

2 工程重难点分析

A 区试验大厅为超高大跨度单层工业建筑，平面内轴线尺寸为120m×100m，下弦中心标高110m，主要包括格构柱、格构梁以及屋顶网架。采用巨型四肢格构柱+钢网架结构体系，屋盖采用正交正放焊接球网架。支承柱主要为四肢格构柱，基本柱距20m，大门处柱净距51m，和B 区相接处柱净距60m。格构柱基本肢距5m×5m，柱高110m，主肢和缀条均采用圆钢管，相贯焊接。柱高范围内设4 道箱形水平桁架，采用圆钢管截面，相贯节点。在四边设置纵向支撑，亦采用钢管截面。

图2 A区钢结构轴侧示意图

A 区试验大厅网架主要由网架球及圆管的网架杆件组成，如图3所示。

图3 圆管和焊接球实例图

钢柱为四肢格构柱，主要由圆管构件和空心圆球（部分加单肋）组成，肢腿间距5m，主肢构件、腹杆构件、斜杆构件皆为圆管，格构柱如图4所示。

图4 格构柱整体轴测图

水平桁架梁主要分布在标高22m、49.5m、70m、90m 处，构件形式均为圆管构件，如图5所示。

图6 正常使用极限状态下DZ图（单位：mm）

图7 杆件应力比柱状图

图9 提升示意图2

图10 A区主结构分析模型

图11 B区网架分析模型

格构柱地面分片拼装、网架地面拼装以及散拼对接均使用到挂篮作为临时操作平台，为保证高处作业挂篮的安全性，对其进行仿真模拟分析。

挂篮使用的杆件截面，立杆为φ16的圆钢，腹杆为φ12的圆钢，杆件均采用Q235B 材质。恒荷载（DL），杆件自重，软件模拟自算。活荷载（LL），施工人员自重1kN，单脚与挂篮下方钢筋最小接触长度0.1m，最小接触数量为3 根，横杆线荷载为1/（0.1×3）=3.3kN/m，雪荷载及风荷载均不考虑。

通过应力图可以得出，挂篮杆件的最大应力比为0.78〈0.90，大部分杆件应力比在0.50 以下，杆件受力较合理，满足规范要求。

本工程主结构最大高度达116m，而且钢屋架跨度大，格构柱、屋面网架补杆等均为高空起吊，安装精度比较难控制，现场施工安装的安全隐患较大。为了能安全顺利实施，格构柱层间布置钢爬梯，方便操作人员上下，周边设好防护栏，为保证高空安装施工防护，要求梁柱连接，在柱身设置可装配式操作平台。

网架提升到设计位置后需安装嵌补杆件，为了提高安装效率以及保证操作安全，在网架之间沿上下弦杆搭设水平行走通道。该通道采用标准化钢平台搭设，通过钢筋挂钩将钢平台固定在网架上下弦杆上。

高空嵌补杆件安装时利用水平行走通道进行杆件装配，装配完成后通过点焊固定，嵌补杆与球节点正式焊接时采用标准化钢平台辅助操作，标准化钢平台采用φ12 的圆钢焊接而成，吊笼宽0.6m、长0.8m、高1.2m。

3 网架安装方案

A 区试验大厅网架平面尺寸为110.0m×131.0m，总重量约899.188t，最高点高度达116.7m，通过类似项目的施工经验对该项目进行特点分析，拟采用地面拼装后背拉式整体提升的方法进行安装。首先用400t 履带吊吊装四周边部的网架，中间位置的均在地面进行拼装，然后用提升设备整体提升网架并及时进行补杆。

B 区试验大厅网架平面尺寸为52.5m×110.0m，总重量约322.017t，最高点高度达35.3m，网架球均为焊接球，采用整体提升。

4 施工模拟分析

4.1 A区试验大厅钢结构施工仿真分析

A 区试验大厅采用巨型四肢格构柱+钢网架结构体系，屋盖采用正交正放焊接球网架。支承柱主要为四肢格构柱，基本柱距20m，大门处柱净距51m，和B区相接处柱净距80m。格构柱基本肢距5m×5m，柱高110m，主肢和缀条均采用圆钢管，相贯焊接。柱高范围内设4 道箱形水平桁架，采用圆钢管截面，相贯节点。在四边设置纵向支撑，采用钢管截面。

A 区四肢格构柱采用分段吊装，屋面网架结构地面拼装，然后采用液压整体提升的安装方法施工，试验大厅大门处格构柱下方采用临时支撑架进行支撑，防止施工过程中产生较大的下挠变形。为保证钢结构在施工过程中的安全可靠、质量可控，对该部分钢结构做施工仿真模拟分析。

根据工程结构的特点，结构整体计算分析选用MIDAS/GEN 有限元分析软件来模拟钢结构的施工过程。

钢结构在施工过程中出现的主要荷载工况为钢结构自身的重量，其次是施工中风荷载的影响，钢结构施工模拟分析时考虑的荷载工况及组合如表1 所示。

表1 钢结构施工模拟分析荷载工况及组合

表2 A区试验大厅施工模拟结果分析

4.2 A区试验大厅施工模拟结果分析

由施工模拟分析结果可知，结构在施工过程中最大挠度为216.86mm，出现在网架跨中位置。设计状态下，网架结构一次成型的最大挠度为212mm，施工完成后结构的挠度比一次成型状态增加了4.86mm，该区域可以采取预起拱的方式来保证网架挠度。除网架跨中局部位置外，其余地方结构在风荷载等共同作用下变形较小，能满足要求。钢结构在自重及风荷载等作用下，施工过程中构件的最大应力比为0.893，结构一直处于弹性受力状态。钢结构安装完毕，支撑架卸载后，结构杆件的最大应力比为0.659，杆件应力比较小，能满足要求。根据以上数据分析得到的结论，A区钢结构按上述方法施工安全、可靠，施工质量有所保障。

4.3 A区试验大厅大门支撑架验算

①荷载工况及荷载组合

A 区主结构吊装中大门位置采用四肢圆管格构式支撑架作为临时支撑，支撑架平面尺寸为5m×5m，节间高度为5m，最大搭设高度为22m，支撑架立杆采用P377×16 的圆管，腹杆采用P180×8 的圆管，支撑架所有杆件材质均为Q355B。

由于临时支撑高度较高，为保证支撑在使用过程中的安全和稳定，现对支撑架进行验算分析。支撑架验算时，考虑的荷载工况和荷载组合如表3所示。

表3 支撑架验算时荷载工况和荷载组合

②支撑架变形及承载力验算

首先判断支撑架变形是否满足要求，同时对支撑架的承载力和整体稳定性进行验算，保证支撑架在使用过程中不会发生强度破坏和整体失稳现象。支撑架验算结果如表4所示。

表4 支撑架验算结果

4.4 B区试验大厅钢结构施工仿真分析

B 区厂房上部结构采用钢格构柱+钢网架结构形式，平面轴线尺寸为52.5m×110.0m，基本柱距为10.0m，局部5.0m、8.5m、9.0m。网架下弦中心标高30m，东侧通道处跨度为81m，采用正交正放钢网架，基本网格尺寸为5m×5m，网架节点为焊接空心球节点。

屋面网架结构采用地面拼装、液压整体提升的安装方法进行施工，提升架主要设置在柱顶位置，同时靠近A 区大门位置设置临时提升架。为防止施工过程中产生较大的下挠变形，保证钢结构在施工过程中的安全可靠、质量可控，对该部分钢结构做施工仿真模拟分析。

钢结构在施工过程中出现的主要荷载工况为钢结构自身的重量，其次是施工中风荷载的影响，本工程钢结构施工模拟分析时考虑的荷载工况及组合如表5所示。

表5 钢结构施工模拟分析荷载工况及组合

表6 B区试验大厅施工模拟结果分析

4.5 B区试验大厅施工模拟结果分析

由施工模拟分析结果可知，结构在施工过程中最大挠度为69.526mm，出现在网跨中位置。设计状态下，网架结构一次成型的最大挠度为146mm，施工过程挠度满足要求。除靠近A 区大门局部位置外，其余地方结构变形较小，能满足要求。钢结构在自重作用下，施工过程中构件的最大应力比为0.858，结构一直处于弹性受力状态，钢结构安装完毕，支撑架卸载后，结构杆件的最大应力比为0.433，杆件应力比较小，能满足要求。故根据以上数据分析得到的结论，B 区网架按上述方法施工安全可靠，施工质量有所保障。

4.6 B区网架提升架验算

①荷载工况及荷载组合

B 区网架提升过程中分别在柱顶以及额外设置临时提升架作为提升装置，柱顶支撑架立杆采用P219×10 的圆管，腹杆采用P89×4 的圆管，支撑架柱顶横梁采用口180×20 的方管，临时支撑架立杆采用P245×12 的圆管，腹杆采用P180×8 的方管，支撑架柱顶横梁采用口450×25 的方管，提升架所有杆件材质均为Q355B。支撑架验算时，考虑的荷载工况和荷载组合如表7所示。

表7 支撑架验算荷载工况和荷载组合

②支撑架变形及承载力验算

首先判断提升架变形是否满足要求，同时对提升架的承载力和整体稳定性进行验算，保证提升架在使用过程中不会发生强度破坏和整体失稳现象。提升架验算结果如表8所示。

表8 提升架验算结果

5 结语

通过有限元软件对支撑架的变形、承载力和稳定性进行验算，A 区试验大厅在标准组合作用下，支撑架三向位移综合值为6.87mm，支撑架变形较小，刚度较好。在最不利荷载组合作用下，支撑架最大应力比为0.331，支撑架处于弹性受力状态，承载力完全能满足要求，且杆件应力比冗余合理。支撑架整体稳定屈曲因子为5.57＞1，支撑架稳定性较好，能够满足施工需要。

B 区试验大厅在标准组合作用下，支撑架三向位移综合值为20.437mm，支撑架变形较小，刚度较好。在最不利荷载组合作用下，支撑架最大应力比为0.867，支撑架处于弹性受力状态，承载力完全能满足要求，且杆件应力比冗余合理，能满足施工要求。支撑架整体稳定屈曲因子为15.1＞1，支撑架稳定性较好，能够满足施工需要。通过以上分析可知，该规格的支撑架安全、可靠，能满足施工使用要求。