近年来，人们对建筑功能的要求提高，越来越多的建筑提出增加层高需求。顶升技术作为一种增加层高的有效手段在既有建筑改造中应用越来越多 ^[1]。目前，顶升改造在混凝土结构中应用较多 ^[2,3,4]，在钢结构中，尤其是风敏感性屋盖中应用较少。不同于混凝土结构自重大、结构冗余度高、对风不敏感等，轻型钢屋盖结构自重轻、对风敏感，且在结构顶升抬高过程中，因周围敞开，风的作用发生显著变化，对顶升提出更高要求。本文结合国道南生态会所屋盖工程，介绍轻型风敏感屋盖的大位移顶升改造技术。

　　 国道南生态会所为单层钢排架结构，平面尺寸82.2m×40m，高11.75m，钢柱为箱形截面，上部横梁采用与钢方管相贯连接的平面桁架，采用独立基础，结构布置及平面桁架与柱的典型连接节点如图1所示。该生态会所周边围护结构为玻璃幕墙，屋面为桁架支撑的阳光板，并设置天窗及转动系统、内外遮阳传动系统、内遮阴网及内遮阴传动系统等。同时，屋盖布置新风系统及自动控制系统等，能根据设定的控制参数自动调节室内温度、干湿度、CO₂浓度等，使室内达到适宜的生态环境。整个屋盖设备及控制系统构成复杂、造价高。

　　 甲方要求把室内高度增加3.8m，以提高生态会所功能。若采用先拆除屋顶阳光板、遮阳系统后加高，待改造完成后再恢复的方法，虽施工简单，易操作，但本工程屋盖围护系统复杂，重新恢复工期长，造价高。若采用顶升技术，可不改变原来屋盖结构及周边围护系统，对屋盖设备及控制系统几乎无影响，经核算该方法经济效益更高。因此最终采用对屋盖整体顶升加高的改造方式。

　　 根据改造设计结果，接长柱与原结构柱截面相同，上部节点保持不变。结构形式为排架结构，若采用常规顶升法，可直接顶升屋面桁架梁再接长柱，但需拆除部分屋盖，将破坏屋盖整体性，直接影响设备及控制系统等，该法对本工程意义不大。因此，本工程采用截断柱后再实施顶升的改造方式，确保屋盖系统的完整性。按顶升加高施工经验，有2种顶升方式:地面顶升与高空上部屋盖桁架下顶升，如图2所示。2种施工方法特点对比如表1所示。

　　 由表1可知，本结构采用轻型屋盖，结构自重小，受风荷载影响大。因此，地面顶升对临时转换结构要求特别高。由于四周围护结构为幕墙，且幕墙固定于周边柱侧，若采用地面顶升，不仅顶升荷载大，且因顶升在幕墙平面内进行，顶升不同步将影响幕墙安全性，对顶升控制精度要求特别高。顶升结构上部时，虽需搭设操作平台，但该平台仅供施工人员临时操作用，施工活荷载小，搭设简单，且该平台可与柱临时固定，用量非常少。柱的高空对接施工质量可通过专门设计连接节点以满足要求。因此，最终在上部进行柱的截断顶升施工。

　　 按设计要求需顶升加高3.8m，若一次顶升到位，施工安装均在室内，无法使用大型吊装设备，给接长柱的安装施工带来很大困难;同时，一次顶升过高对临时转换结构的设计也提出更高要求。因屋盖自重轻，钢柱应力较小，为控制刚度，最终将柱分成4段，其中3段1m长，另1段800mm长的分阶段顶升接长。具体顶升接长过程如图3所示，每段柱的详细顶升接长过程如图4所示。

　　 本工程屋盖十分轻，屋面做法连同结构桁架梁、设备系统自重共0.36kN/m²。顶升前结构处于封闭状态，风的作用不明显;顶升过程中，屋盖上部周边顶升处的围护结构断开，屋盖由封闭转变为四面半开敞状态，此时风荷载体型系数变化很大 ^[5]，屋盖桁架在风荷载作用下受力变化也很大，如图4所示。按文献[6]的要求，在施工阶段按10年一遇的风压进行分析，计算表明，风吸力远大于结构自重，因此结构在顶升阶段最不利。为此，根据计算分析结果，主要采取以下措施。

　　 1)屋盖结构整体加强因屋盖开敞，顶升过程在风荷载作用下屋面桁架内力可能存在变号，所以顶升前在屋盖两侧边跨处增加水平支撑，以增强结构整体性及主桁架风吸力作用下的稳定性;同时，在两侧边跨水平支撑处，次桁架的上下弦位置新增刚性撑杆，确保次桁架顶升过程中的整体稳定性。加固方式如图6所示。

　　 2)减小屋盖风吸力的临时措施由于屋盖设有天窗系统，顶升过程中，随时关注天气状况，一旦风速超过设计值，开启部分天窗，调整风吸力，减少风对屋盖的影响。

　　 3)临时转换结构的抗拉设计不同于常规结构顶升，本结构顶升时在风的作用下，柱存在拉力。常规顶升施工中，因千斤顶承受压力，一般临时转换结构仅考虑压力影响。鉴于本结构顶升过程的特殊性，考虑风吸力影响，顶升过程临时转换结构设计时分别设置抗拉销与抗风支撑挡板，以解决顶升过程中柱可能出现的拉力。

　　 由于原结构为排架，上部桁架与钢柱侧向铰接，两者间存在偏心;施工阶段，因上部桁架高度范围内仍有挡风玻璃面板，在风荷载作用下，屋盖存在水平力。因此，在截断位置处排架柱同时存在弯矩、剪力、压力;且屋盖轻，在风吸力作用下柱还可能出现拉力，所有这些因素造成柱受力特别复杂，如图7所示。所以，不同于普通转换结构，本转换结构设计时在满足施工操作的同时，要着重考虑复杂内力传递的连续性，确保顶升过程安全。

　　 根据上述要求，基于正常顶升及10年一遇风压作用，对临时转换结构进行包络设计，临时转换结构包括可拆卸抱箍、限位板、支撑挡板、支撑钢管、承重销等，如图8所示。临时转换装置各部分主要作用如下。

　　 1)可拆卸抱箍通过双层高强螺栓固定于钢柱，且抱箍侧面设有限位板，通过钢楔块牢靠固定于钢柱，则临时抱箍与钢柱在2个方向形成刚接，实现抱箍与柱的双向弯矩及剪力传递。

　　 2)上抱箍上部、下抱箍下部设置支撑挡板，实现顶升时竖向力的传递;同时，在上抱箍下部、下抱箍上部焊接抗风挡板，实现特殊工况下因风吸力作用引起柱可能出现拉力时抱箍与柱间力的传递。

　　 3)在抱箍中央开孔处设置钢套管，上部钢套管与竖向支撑钢管焊接，实现顶升过程中抱箍与支撑钢管间弯矩、剪力、轴力的传递;下部钢套管与竖向支撑钢管不焊接，实现顶升过程中的可滑动性及弯矩、剪力传递。同时，在竖向支撑钢管下抱箍上部开孔处设置承重销，实现顶升停歇时竖向荷载的传递;下部设置抗拉销，实现大风作用下结构的拉力传递。

　　 经优化设计，转换装置单个构件最大质量为上下抱箍，仅80kg;使临时转换结构的拆卸及安装操作十分方便。工程实践表明，该临时转换装置不仅受力合理、安全可靠，且构造简单，便于安装及拆卸，降低施工难度，提高施工效率。

　　 由于本工程为排架结构，屋盖桁架与柱为铰接连接，因此，可忽略不计顶升过程中某点竖向不同步引起的竖向不均衡力。顶升控制主要基于屋盖围护与设备系统的适应能力。为确保顶升过程中屋盖围护结构、设备及控制系统等不受损伤，基于屋盖构造性质，按跨度的1/250进行控制，实践表明该控制方式效果良好。

　　 因本工程顶升高度为3.8m，为施工方便及减少临时转换结构的设计难度，确保施工过程的安全性，将柱接长段分成4段分别焊接连接。由于柱接长段较多，焊接工作量大，因此，节点连接既要考虑柱接长焊接的便捷性，又要保证焊接质量。结合顶升施工工艺，柱接长处理如下:每段柱接长段上部的20mm厚封板与剖口对接并在工厂焊接，封板外伸20mm，便于现场与上柱焊接连接;柱接长段下部开敞，并提前焊好内衬板，便于与下段柱接长连接时的焊接。同时，柱截断位置下部焊接水平封板，构造同柱接长段封板。各接长段与上柱连接均为对接且平焊，易于施工操作且便于保证施工质量，如图9所示。

　　 顶升施工主要分3个阶段:前期准备阶段;中间柱顶升施工及焊接接长;临时设施的拆除阶段。中间阶段顶升过程如下:(1)安装临时转换装置，进行柱的截断施工;(2)柱顶升施工，顶升到位后临时固定;(3)安装并焊接接长柱;(4)拆除上抱箍并转移固定到新接长柱段，然后开始下轮顶升施工。各施工阶段的主要工作内容及注意事项如下:前期准备阶段主要包括临时操作平台的搭设、临时转换结构的安装等，安装临时转换结构时注意高强螺栓的拧紧，梁、限位板楔紧等，确保顶升过程临时转换结构弯矩及剪力的可靠传递;中间阶段应注意顶升过程的同步性控制，柱接长时的固定与焊接等;拆除阶段注意合理的拆除顺序等。施工流程如图10所示。

　　 国道南生态会所改造工程要求整体抬高3.8m，改造时采用不动屋盖设备及控制系统的整体顶升改造方案。通过比较分析，确定在屋盖下部截断柱，然后再分阶段累积顶升施工的方法。针对屋盖自重轻、受风影响大的特性，对屋盖进行顶升阶段加固，并给出减小风压的临时防护措施。由于结构为排架体系，冗余度低，顶升时柱受力复杂，提出分阶段逐步接长的累积顶升方式。设计出能满足施工阶段各种受力特性的临时转换结构，并专门设计接长节点，以便连接施工与焊接。实践证明该连接方式便于分阶段安装且易焊接，确能保证焊接质量。

　　 由于结构自重轻，整体同步顶升施工仅使用84台20t的千斤顶。因临时转换装置自重轻、拆卸方便，每段接长柱的长度小，便于安装，节点连接构造易焊接，施工效率高，每段柱的顶升施工及接长焊接仅用时2d，整个顶升施工仅12d。施工完成后经核算，采用顶升改造技术可避免对结构顶部复杂屋盖系统、设备系统的拆除及恢复，缩短工期，节省大量费用，经济效益显著。