0 引言

　　随着国家经济实力不断增强，各类大型公建项目对大跨度空间钢结构的应用也越来越多，建筑结构形式随着大众审美标准的提高而不断创新。伴随着大型钢结构发展，我国的设计、建造水平也持续提高。不同场馆的结构形式多种多样，在施工过程中所使用的施工方法也不同。结合不同工程条件，根据相应的结构形式、场地条件及工期要求等，综合因素作用下所带来的施工复杂性和技术难度给施工人员带来了较大困难^[1]。

　　查阅相关资料后发现，国内大跨度钢结构多为单层屋盖结构，多层大跨度钢结构应用较少，国内对于多层钢结构整体提升研究并无相关文献。因此，以河南省科技馆新馆工程中庭3层钢结构连廊整体提升施工为研究背景，主要研究多层钢结构叠层拼装及分层整体提升技术，并成功实践。

　　1 工程概况

　　河南省科技馆新馆主场馆中庭区域为钢结构，单层钢结构最重达1 300余t。北塔和南塔为混凝土结构，东塔为钢框架结构。科技馆主场馆区域分布如图1所示。

　　其中中庭区域2,3层钢结构连廊为网架结构，高2.5m，上弦杆为箱形，下弦杆、腹杆为圆管，结构内分布8根圆管柱，主要材质为Q345B，楼板采用钢筋桁架楼承板。屋脊桁架为空间桁架结构，桁架上、下弦高2.5m，结构顶面标高为41.000m，截面形式为矩形管、圆管，主要材质为Q345B。屋面采光顶为单层网壳结构，顶面标高为43.650m，弦长27.15m，典型截面为H200×200×8×12，铝合金材质等级为6061-T6。中庭钢结构形式如图2所示。

　　

　　图1 主场馆区域分布  

　　 

　　

　　图2 中庭钢结构示意  

　　 

　　2 施工方案分析

　　中庭3个塔楼为3个独立施工段，各自结构形式及施工部署、施工工序不尽相同，实际施工过程中必然存在施工进度不一的情况^[2]。若采用高空散拼施工方案，会存在以下问题。

　　1)使用大量支撑胎架对于单层钢结构而言，无法把控胎架拆除时间^[3]。

　　2)随着钢结构标高不断增加，对吊装设备及场地要求也越来越高高空散拼法使用300t履带式起重机，履带式起重机放置在施工现场道路上会严重影响现场交通及周边土建施工，其和原有塔式起重机交叉作业，不利于安全作业。

　　3)应用高空散拼法，大多数桁架位置需采用仰焊，焊接面大，工人操作条件差，焊缝质量得不到保证^[4]。

　　4)本工程中庭钢结构造型奇特，定位安装要求高。

　　针对多层交错大跨度钢结构整体造型独特、安装工程量大、安装前置条件多、各专业工序交叉多、施工工期要求紧及安装对整体结构的影响大等特点，采用多台50t汽车式起重机在地下室顶板进行“整体叠层拼装，分层整体提升”的施工方法，即先在地下室顶板上拼装2层中庭连廊，再叠层拼装3层连廊和屋脊桁架，拼装完成后，进行分层整体提升，先提升屋脊桁架，再依次提升3层连廊和2层连廊。此方案既可最大化减少占用作业面，又能显著降低成本，更利于安全及质量控制。

　　3 施工过程仿真分析

　　3.1 连廊整体拼装计算

　　3.1.1 计算说明

　　运用MIDAS结构验算软件，结合GB 50017—2017《钢结构设计标准》、GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》、GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》等相关规范对2,3层、部分屋脊在地下室顶板拼装进行验算^[5]。结构计算按承载力极限状态进行设计，位移采用荷载标准组合，内力和应力采用荷载基本组合。

　　3.1.2 叠层拼装支撑胎架布置

　　1) 2层桁架在地下室顶板拼装，上部设置竖向钢板作为桁架支撑调节。钢梁尺寸为HN450×200，材质为Q235B，受集中力处设置加劲板，加劲板厚度≥12mm。

　　2)部分3层连廊结构通过地梁搁置在2层连廊结构上，部分通过支撑胎架搁置在地下室顶板。支撑胎架采用HM400×400钢柱模拟，钢柱线重与支撑胎架线重相近(钢柱仅用于导荷)。

　　3)部分屋脊桁架结构通过胎架直接落至地下室顶板及地下室底板结构上，部分通过支撑胎架搁置在2,3层连廊结构上弦主杆件上。支撑胎架采用HW400×400钢柱模拟，钢柱线重与胎架线重相近。

　　3.1.3 载荷计算

　　恒荷载:考虑桁架节点自重，结构自重取1.1倍放大系数。

　　3.1.4 整体计算模型

　　采用MIDAS/Gen有限元分析软件对结构进行建模并验算分析。所有杆件采用梁单元模拟^[6]。门架钢柱柱底按刚接模拟，钢柱直接落于地下室顶板，按铰接模拟^[7]。

　　3.1.5 叠层拼装计算结果

　　1)结构钢构件应力

　　在基本荷载组合作用下，原结构杆件最大应力为219.0N/mm²，符合结构安全要求。拼装措施杆件最大应力为123.7N/mm²。计算结果如图3所示。

　　2)门架钢构件应力

　　在基本荷载组合作用下，门架杆件最大应力为38.7N/mm²，符合结构安全要求。计算结果如图4所示。

　　在标准荷载组合作用下，门架横杆最大挠度为1mm,13.75mm (5 500/400)，符合安全使用要求。计算结果如图5所示。

　　在基本荷载组合作用下，门架构件稳定应力比为0.3,<1，可满足安全要求。稳定性计算如图6所示。

　　

　　图3 结构钢构件应力  

　　 

　　

　　图4 门架钢构件应力  

　　 

　　

　　图5 拼装结构挠度  

　　 

　　

　　图6 门架构件稳定性计算结果 

　　 

　　3)整体拼装底部反力

　　地下室顶层混凝土梁受到的最大集中力为319.5k N。

　　3.2 支撑胎架计算

　　利用拼装2,3层及顶板桁架工况计算的最大反力为522.6k N，验算支撑胎架受力。支撑胎架尺寸为1.2m×1.2m×1.4m(高)，竖杆为└125×10，水平杆为└75×6，斜撑为└75×6，顶部导荷梁为HN300×300×10×12，材质为Q235。底部为铰接约束，水平杆、斜撑与竖杆之间铰接。胎架高按14.9m建模。

　　恒荷载为结构自重，活荷载为集中力353.9k N。风荷载按0.3k N/m²考虑。

　　计算结果如图7所示。由图7可知，风荷载作用下水平位移最大为9.0mm;标准载荷组合下，导荷梁最大挠度为0.6mm,<3mm(1 200/400)，满足要求。

　　

　　图7 支撑胎架位移云图  

　　 

　　应力比计算如图8所示。结构构件应力比为0.76,<1，支撑胎架满足安全使用要求。

　　

　　图8 支撑胎架应力比  

　　 

　　3.3 地下室顶板加密脚手架计算

　　3.3.1 架体组成

　　架体立杆，纵、横水平杆采用48.3×3.6钢管，架体验算按48×3验算。板底立杆纵向间距为900mm×900mm，梁底立杆纵向间距为450mm×500mm，水平拉杆步距为1 500mm，顶层水平杆步距为1 000mm，支架可调托座支撑点至顶层水平杆中心线的距离为500mm。

　　由于HW400×400导荷梁现场布置会具有一定偏差，不考虑支撑下HW400×400导荷梁有利作用，荷载直接按集中力考虑，以计算脚手架竖杆轴力，建立16m×16m脚手架模型。

　　3.3.2 荷载计算

　　1)恒荷载考虑桁架节点自重，结构自重放大系数为1.1，由软件自动计算。

　　2)活荷载考虑人工拼装作业，在楼面上考虑均布荷载3k N/m²(含导荷梁重)。

　　3.3.3 计算模型

　　所有杆件采用梁单元模拟，钢管材质均为Q235;楼板为180mm厚C30混凝土;混凝土楼板下布置间隔200mm方木，尺寸为40mm×80mm。

　　混凝土柱底部设置刚接，脚手架底部设置铰接，水平杆与立杆均铰接连接;立杆顶点与方木间采用受压单元连接，方木与混凝土板间采用受压单元连接。选取地下室顶层混凝土梁受到的最小集中力及最大集中力为计算区域。

　　3.3.4 脚手架验算结果

　　在基本荷载组合作用下，集中力立杆最大轴力为12.4k N，换算抗压强度为53.8N/mm²。立杆抗压强度设计值为205N/mm²，满足设计要求。计算结果如图9所示。

　　

　　图9 集中力区域立杆轴力计算结果  

　　 

　　3.4 整体提升施工模拟分析

　　3.4.1 计算模型

　　使用SAP2000软件对中庭钢结构提升进行各阶段分析。桁架单元均采用梁单元进行模拟，在吊点处进行竖向约束加水平向弹簧约束，弹簧刚度取0.001k N/mm(可忽略不计)，荷载为结构自重，分项系数取1.4。本工程验算结构强度采用1.4倍恒荷载，验算变形采用1.0倍恒荷载。

　　3.4.2 2层连廊计算结果

　　经过初始复核，2层连廊共计8根杆件超应力，通过替换加强，原截面89×6竖腹杆调整为203×16，经验算，2层连廊结构满足受力要求。杆件替换后计算结果如图10所示，选取的吊点位置如图11所示。

　　

　　图1 0 2层连廊杆件替换后计算结果  

　　 

　　由计算结果可知，桁架整体提升时，结构最大下挠30.8mm，提升工况下结构杆件应力存在8根超应力，需加强，加强后可满足要求。

　　

　　图1 1 2层连廊吊点布置  

　　 

　　3.4.3 3层连廊计算结果

　　经过初始复核，3层连廊共计5根杆件超应力，通过替换加强，原截面89×6竖腹杆调整为203×16，经验算，3层连廊结构满足受力要求。杆件替换后计算结果如图12所示，选取的吊点位置如图13所示。

　　

　　图1 2 3层连廊杆件替换后计算结果 

　　 

　　

　　图1 3 3层连廊吊点布置  

　　 

　　由计算结果可知，桁架整体提升时，结构最大下挠35mm，提升工况下结构杆件应力存在5根超应力，需加强，加强后可以满足要求。

　　3.4.4 屋脊桁架计算结果

　　经过初始复核，屋脊桁架共计6根超应力杆件，通过替换加强，原截面89×6竖腹杆调整为203×16。同时为减小屋脊桁架及钢屋盖提升过程中结构变形，对原结构进行加强，采用203×16将屋脊桁架连接。加强后的屋脊桁架计算结果如图14所示，吊点布置如图15所示。

　　由计算结果可知，桁架整体提升时，结构最大下挠为208mm，提升工况下结构杆件应力存在6根超应力，置换后满足要求。

　　

　　图1 4 加强后的屋脊桁架计算结果  

　　 

　　

　　图1 5 屋脊桁架吊点布置  

　　 

　　3.5 上、下吊点安全性校核

　　3.5.1 上吊点

　　上吊点共分为5种:混凝土柱侧提升平台、混凝土柱顶提升平台、塔架提升平台、钢柱侧面提升平台、在屋脊桁架预拼装部分设置的提升架。对结构进行有限元分析，上吊点按1.2倍结构自重+1.4倍(提升吊点反力+x向水平荷载+y向水平荷载)进行有限元分析后，发现上吊点结构应力比均<0.8，满足安全性要求。

　　3.5.2 下吊点

　　采用ANSYS软件对结构进行有限元分析，荷载分项系数为1.4。提升工况下，吊具最大应力约167,183MPa，最大变形约0.2,2.3mm，材质均采用Q345B，满足安全要求，下吊点1,2计算结果分别如图16,17所示。

　　4 整体提升关键技术研究

　　4.1 提升方案

　　本工程钢结构具有跨度大、安装高度高、空间定位要求高的特点。如采用分件高空散装方法，需大量高空支撑架。高空组装、焊接工作量大，技术经济性指标较差，而且存在较大的质量、安全风险^[8]。

　　若将2,3层和屋顶钢屋盖在地下室顶板拼装成整体后，采用超大型液压同步提升施工技术将其分层逐步提升至设计标高，首先提升钢屋盖，其次提升3层连廊，最后提升2层连廊，再进行对口处杆件焊接，大大降低现场高空施工量和施工难度。

　　4.2 提升流程

　　

　　图1 6 下吊点1计算结果  

　　 

　　

　　图1 7 下吊点2计算结果 

　　 

　　(1)第1步提升屋顶钢屋盖;(2)第2步屋脊桁架提升到位，安装补缺杆件，卸载、拆除提升设备。同步安装中庭后补的圆管柱和提升装置，并检查验收，圆管柱采用塔式起重机吊装;(3)第3步提升3层连廊;(4)第4步3层连廊提升到位，安装补缺杆件，卸载、拆除提升设备;同步提升2层连廊;(5)第5步2层连廊提升到位;(6)第6步安装补缺杆件，卸载、拆除提升设备，中庭连廊及屋脊桁架全部安装完成。

　　4.3 同步提升关键技术

　　液压同步提升技术采用行程及位移传感监测和计算机控制，通过数据反馈和控制指令传递，可全自动实现同步动作、负载均衡、姿态矫正、受力控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种功能^[9]。液压提升器两端的楔形锚具具有单向自锁功能。

　　屋脊桁架为空间定位结构，在提升过程中，工作人员根据空间定位要求，不断调整液压提升速度，保证定位准确。

　　4.4 提升设备配置

　　液压提升器的布置原则如下。

　　1)满足连体钢结构液压提升力的要求，尽量使每台液压设备受载均匀。

　　2)尽量保证每台液压泵站驱动的液压设备数量相等，提高液压泵站利用率。

　　3)在总体布置时，要认真考虑系统安全性和可靠性，降低工程风险^[10]。

　　根据结构受力情况配置提升设备，主要有TLJ-4500,TLJ-2000,TLJ-600型提升器。额定提升能力分别为450,200,60t，所用钢绞线规格均为1×7-17.8mm，单根钢绞线破断拉力为355k N。

　　各层钢结构设备配置如表1～3所示，其中各吊点反力为有限元软件计算得出。

　　  

　　表1 设备配置 

　　 

　　 

　　

　　表1 设备配置

　　  

　　表2 3层连廊设备配置 

　　 

　　 

　　

　　表2 3层连廊设备配置

　　1)钢绞线最大长度20m，单台提升器和钢绞线最大质量分别为0.9,1.5t。

　　  

　　表3 屋脊桁架设备配置 

　　 

　　 

　　

　　表3 屋脊桁架设备配置

　　2)提升器额定提升能力为2 000k N，提升器安全系数=2 000/反力标准值。

　　3)单根钢绞线破断力≥360k N，钢绞线安全系数=360/(反力标准值/根数)。

　　5 结语

　　以河南省科技馆新馆的3层钢结构为研究对象，提出“整体叠层拼装，分层整体提升”施工方法，并对其关键技术进行研究。通过有限元分析软件，验证该施工技术的合理性。架体加密后的地下室顶板作为拼装场地经济合理且安全性高，钢结构叠层拼装的胎架可靠性高。实践证明，分层整体提升使工期缩短60d，施工过程中极大地减少了各工序的相互交叉影响。该技术成功应用于工程施工，弥补了国内相关研究领域的空白。