大跨度钢屋盖结构的整体提升施工技术

大跨度钢屋盖结构的整体提升施工技术

田宇 李莹 范立禹

中建二局第三建筑工程有限公司 北京 100070

摘要：采用有限元方法对钢屋盖结构整体提升施工工艺进行了研究，考虑了提升高度变化对钢屋盖结构的影响。研究表明，提升高度的变化对提升力影响不大，随着提升高度的增加，结构的最大竖向变形和构件的最大应力减小。钢屋盖结构吊装方案合理，整个吊装过程安全可靠。晴天吊装时，如果试吊状态符合要求，整个吊装过程是安全的。在此基础上，总结了吊装施工中的重点和难点问题，为这类大跨度空间钢结构的合理设计和施工提供参考。

关键词：钢屋盖；整体提升；液压同步；施工技术；

某维修基地新机库钢屋盖结构属于正交斜放焊接球空间网架体系，对于此类大跨度复杂钢结构，在建造时多采用计算机控制液压的方法进行整体提升，整个体系在提升状态下的受力情况与设计状态完全不同，必须对提升过程进行施工力学模拟，保证提升过程的安全。

一、工程简况

某工程新机库钢屋盖结构由网架(大厅屋盖)和桁架(机库门头)两部分组成，每部分均为3层，属于正交斜放焊接球空间网架体系。网架杆件为圆管，直径102mm～325mm不等，桁架杆件为焊接箱形截面和H型截面，截面高度为700mm～1000mm，材质均为Q345B。屋盖平面尺寸为84.6m×155m，桁架悬挑长度为5m。对于此类大跨度复杂钢结构，在建造时多采用计算机控制液压的方法进行整体提升，整个体系在提升状态下的受力情况与设计状态完全不同，必须在提升状态下对钢屋盖结构的强度、稳定性进行验算并对薄弱部位进行加固。与空间原位拼装法相比，该方法在施工时不用搭建临时支撑，辅助用钢量低，而且大量的安装工作均在地面完成，工程质量高。但是，由于提升点相对较少，提升状态下结构受力复杂，必须对提升过程进行施工力学模拟，根据计算结果制定合理的提升方案并评估提升技术的可行性。

二、钢屋盖结构提升方案

结合本工程的现场条件，将提升平台设置于混凝土柱顶，提升点布置。利用钢绞线与钢屋盖结构的下吊点相连，提升器的提升力主要通过上吊点—钢绞线—锚具—网架(桁架)的途径传递，实现结构的整体提升。为使提升过程中网架杆件不与立柱相碰，地面拼装时，与支座(混凝土柱)连接的所有杆件均不安装，待屋盖整体提升至设计标高后再进行安装补空。此时，需增设临时节点钢球(辅助吊点)和若干根临时提升杆件与网架相连，形成稳定的空间提升体系，通过提升辅助吊点实现整个施工过程，见图1(a)。在屋盖整体提升过程中，机库门头桁架的提升点处理方法与网架有所不同。由于桁架结构自重较大，而且混凝土立柱位于单榀桁架端部，无法设置稳定的空间临时提升杆件，因此在提升点端部设置加固杆件，见图1(b)，提升桁架下弦实现整个施工过程。整个提升过程示意如图2所示。

图1网架和桁架提升点示意图

图2提升过程示意图

可见，提升状态下钢屋盖不是一个完整的结构体系，结构的力学特性较设计状态有很大改变，必须对钢屋盖在提升过程中的受力和变形进行分析，保证施工安全。

三、屋盖结构提升过程模拟分析

在有限元软件中按照实际提升状态建立西安东航维修基地新机库钢屋盖结构的整体模型，分析在整体提升状态下结构的受力和变形。

1.有限元模型。机库的钢屋盖门头悬挑长度较大，可以将其看作一个有较大截面的梁，因此杆件采用Timoshenko梁单元进行建模。网架结构分析时，一般假定杆件间只传递轴力，按空间杆系有限元法进行计算，因此本工程中的3层网架采用桁架单元来模拟。由于结构完全由普通杆与工字型或箱型梁组成，可以按照完全的杆系与梁系有限元来求得结构的精确解。结构相关参数及材料本构关系见文献，提升结构的有限元模型如图3所示

图3有限元模型

模型中的计算荷载主要包括屋盖门头桁架和网架自重，以及网架球节点自重、檩条、墙架、天沟和马道等的自重(提升过程中仅考虑施工恒载，不计施工活荷载)。与铸钢节点的模拟方法相同，网架球节点自重也是通过在相应节点上施加集中力的方式来模拟。此外，为了考虑缺陷效应对结构施工的影响，将恒载分项系数取为1.5进行计算。

2.提升过程有限元分析。给出了钢屋盖结构提升过程的有限元计算结果及实际监测结果，并将二者进行对比分析，分析结果表明了模拟的正确性。此外，由该文献可知提升点水平弹性刚度的取值(G/l)仅和屋盖自重以及提升钢绞线长度有关，由于水平约束作用随着提升高度的增加不断增强，因此随着钢屋盖的不断升高，结构刚度也越来越大。给出了不同提升高度下各提升点的提升力，由此可知提升高度的变化对提升力基本没有影响。不同提升高度下结构的竖向最大变形和杆件最由以上分析可见，钢屋盖结构提升方案合理，整个提升过程安全可靠。在晴好天气下进行提升，如果试提升状态满足要求，可以说明整个提升过程是安全的。

四、钢屋盖同步提升的实施

本工程于2017年12月10日～12日完成整体提升，整个提升过程分3个阶段进行:

1. 试提升阶段:首先解除屋盖结构与砖砌支撑之间的连接，再采用力控制的方式按照施工力学分析得到的提升力进行20%、40%、60%、70%、80%、90%、95%、100%分级加载，直至结构全部脱离支撑。试提升阶段的主要目的如下:①检查结构的焊缝是否正常;②检查提升平台是否正常;③检查结构的变形是否在允许的范围内;④检查提升油缸、液压泵站和计算机控制柜工作是否正常;⑤检查提升设备的各传感器工作是否正常;⑥检查提升杆件是否满足受力要求。

2.正式提升阶段:试提升完成后对该过程中出现的问题进行相应整改，随后进行正式提升。在正式提升过程中，为了保证提升过程中结构的同步性，采用力和位移双重控制提升过程(各点提升力增加量不得大于10%，提升点之间的位移差不得大于15mm)。在此提升阶段，应注意天气变化的影响，并对结构进行应力和位移实时监测。钢屋盖结构的提升高度较大(由地面提升至下弦标高23m处)、提升时间较长，如遇到夜间及某些特殊情况时需要空中停留。液压同步千斤顶在设计中独有的机械和液压自锁装置，具有逆向运动自锁性，当结构长时间停止提升时，各锚具均由液压锁紧状态转换为机械自锁状态，保证钢结构屋盖在空中停留时的安全。

3.提升就位阶段:结构整体提升至预定标高后，各吊点微调使屋盖精确到达设计位置，补充安装周边杆件后卸载提升力，使网架及桁架最终整体坐落于各混凝土柱上。本工程卸载提升力时采用计算机同步卸载的方式，控制每个吊点的千斤顶油缸同时下降、分级卸载，直至结构受力完全转移到支座上。此时，应严格控制下降操作程序，检测各点的负载增减状况，防止某点过载。

4.钢屋盖整体提升中的重点和难点分析。由于钢屋盖结构的跨度和重量均比较大，提升高度高，提升过程中的重难点表现在以下几方面:1)多层斜放网架结构对初始内力非常敏感，不正确的施工措施会引起结构几何位形的变化，导致不同于设计的初始内力分布状态，从而大大影响结构的承载能力。如何正确了解结构受力状态与传力路径，保证整体结构成型过程的内力状态与设计状态吻合是选取提升方案的重中之重。2)钢屋盖在预提升阶段的各项检查是保证结构能够安全提升至设计位置的重要前提。3)钢屋盖提升至设计位置后，安装补空的杆件较多，空中停留时间较长，保证结构在空中停留时的安全也是提升施工的重点。4)由于项目工程量大、工期较紧，混凝土立柱和钢结构屋盖之间的工种协调是结构能够按时提升的重要保障。

总之，对某维修基地新机库钢屋盖结构进行了整体提升施工技术研究，得出以下结论:提升高度的变化对提升力基本没有影响。钢屋盖结构提升方案合理，整个提升过程安全可靠。在晴好天气下进行提升时，如果试提升状态满足要求，则整个提升过程是安全的。根据工程实际，采用力和位移双重控制可以保证屋盖结构在提升过程中的安全。

参考文献：

［1］龚潮．大跨度钢屋盖结构的整体提升施工技术分析.2019.

［2］王建喜．浅谈大跨度钢屋盖结构的整体提升施工技术.2020.