窄柱脚变截面格构柱大跨度屋面提升施工技术

某文旅项目钢结构屋面单体南北向跨度为94.56?m，东西向跨度为77?m，总用钢量达3?500?t，属大跨度桁架结构。单体南北向共有10榀桁架，每榀重82?t，两端立柱为格构式组合异形构件，构件最大单重约26?t，结构顶标高为14.250?m（图1）。

1??提升装置及提升设计思路

（1）本工程桁架的最大安装标高为14.250?m，但受现场空间高度及场地限制，传统的高空吊装方案需多台大型机械且不能较好的开展，局部出现质量和安全管控真空可能性较大，不仅占用大量人力资源，且会增加质量和安全隐患。需对此进行施工方案优化，采取钢结构整体提升的思路，待提升单元整体完成拼装焊接并检测合格后，使用液压提升设备一次性提升至设计位置。

（2）图1钢桁架的整体提升方案是利用格构式组合立柱作为提升器设置的基础，由于单体格构柱柱底至柱顶截面逐渐变大，为避免提升造成结构应力及应变过大和结构平面稳定性较差等问题，在格构柱顶设置双平衡提升器，并在格构式桁架柱外侧设置后锚平衡点。

（3）将框架柱及连系杆件形成整体作为提升连接的基础，并将内部桁架与桁架间杆件作为提升单元，然后在其预定安装位置的正下方进行钢结构拼装焊接。

（4）根据钢结构深化设计，将格构柱组合立柱最上部向内悬挑部位作为上吊点，提升单元最上部端部作为下吊点，中间用专用钢绞线连接，使用液压提升装置整体提吊装单元，提升至预定位置后再进行其他相关安装工作，完成整体施工。

2??技术创新

（1）使用单体格构式组合立柱做提升支架的基础，在桁架柱顶设置前后双平衡提升器，桁架提升过程中桁架格构柱前后端受力可始终保持平衡。

（2）在屋面桁架提升端外侧设置独立的锚固基础，钢绞线与桁架后端液压提升器连接，以保证桁架格构柱平面内稳定。

（3）根据单体屋面桁架的构造情况，通过计算机模拟分析，在相应的提升点提前确定液压提升器的反力标准值，以保证屋面桁架整体提升过程中结构受力均衡及整体提升同步。

（4）利用单体格构式组合立柱做提升器的支撑塔架，既可满足施工及设计要求，也省去了搭设大量临时支撑塔架，缓解了场地狭小的施工难题，节约了施工措施费用。

（5）采取分片区地面拼装、整体提升的思路，使单体屋面桁架实现了加工制作、地面拼装、地面焊接、整体提升的流水施工，可大幅提高工程的施工效率。

3??施工难点和解决方法

在整个施工周期内，窄柱脚钢桁架屋面整体提升技术的应用是一个系统工程，涉及方面多，各工序需做到安排合理，穿插紧凑，排查及时。

3.1??测量定位

钢结构施工必须保证现场钢结构基础定位精准，否则后期钢结构安装就不能满足深化设计图的要求，也易造成单体局部应力不均匀问题，不利于后期安装工程质量控制，甚至会造成局部部件返厂返修等问题。

本工程要求钢结构基础精度控制在3?mm内，安装焊接时胎架水平误差不大于5?mm。

3.2??焊接质量管控

由于单体跨度较大， 根据构件加工、运输和安装的需要，深化设计时将原整体构件断开，分段进行加工，致使整体构件有多处焊缝。

由于焊接质量是钢结构稳定性、刚度和强度的最大保证，所以焊接质量管控是本工程质量管控的重点。

3.3??钢桁架屋面整体提升

钢桁架屋面整体提升是屋面施工的关键节点，其质量、进度和安全是目标控制的根本，也是工程施工难点。

整体提升过程中，首先应保证胎架稳定，在逐渐加载的过程中监测位移；其次是根据钢桁架屋面的整体情况，用软件对钢结构进行计算，保证整个屋面桁架受力合理，变形满足设计要求。

4??提升装置及整体提升可行性研究

由于钢桁架屋面自身跨度大，整体荷载较大，提升装置及整体提升前期需进行可行性研究，确认技术上可行方能实施。

由于提升装置为临时辅助措施，需对整体桁架及窄柱脚变截面格构式组合立柱进行力学分析，保证其满足力学要求，整体桁架的最大挠度，跨中应力及节点应力均满足设计要求。

4.1??提升平台

提升平台立柱和斜撑规格为B300×300×16，提升梁规格为B400×300×20，叉撑及水平加固杆选用H300×300×10×15热轧型钢。所有临时措施材质均为Q345B。

格构式组合立柱在地面拼装，拼接时应严格把控焊接质量和安装精度，当基础混凝土强度达到100%后方可进行吊装，吊装时应且根据深化设计和规范要求精准定位，柱根部浇筑灌浆料应保证密实。

在单体桁架组合立柱顶设置前后双平衡液压提升器，前端液压提升器通过钢绞线束与下吊具连接后提升钢桁架，后端液压器通过钢绞线束与提前预埋的后锚点连接。

在屋面桁架整体提升全过程中，前后端液压提升器同时分级加载，桁架格构柱的前后端受力保持平衡，以抵抗由钢桁架。

屋面荷载给窄柱脚变截面格构式组合立柱根部带来的弯矩。保证组合立柱提升过程中不发生超出设计及规范要求的情况（图2~图6）。

4.2??钢桁架屋面

屋面提升前下吊点钢绞线与组合立柱上吊点连接，下吊具与钢结构桁架上弦杆焊接，焊缝应严格按规范要求进行探伤。

屋面提升时钢绞线承受桁架荷载，桁架徐徐上升，脱离胎架150?mm后，悬停12?h，观察钢桁架和窄柱脚变截面格构柱的整体情况。

5??变截面格构式组合立柱和钢桁架屋面数值分析

采用迈达斯软件，桁架及格构式组合立柱为实体单元，在结构受力及钢桁架屋面整体提升分为一、二、三区进行，数值分析为3种工况且3种工况不同步。

经数值模拟得出结论如下。

（1）提升二区结构最大应力比为0.39，主桁架最大变形为48?mm，均满足设计及规范要求。最大提升加固杆上下水平杆应力较小，说明加固杆垂直分力克服绝大多数桁架自身荷载。

（2）提升三区提升工况中结构最大综合变形51?mm，且主桁架最大变形也不大于51?mm，满足设计要求。不同步结构最大应力比为0.44，主桁架最大应力比为0.29。最大提升加固杆上下水平杆应力较小，说明加固杆垂直分力克服绝大多数桁架自身

荷载。

（3）由提升一区和提升二区的数值模拟分析可看出，钢结构桁架受力最为集中，应力最大处为加固杆处，其垂直方向分力主要克服钢结构桁架自身荷载。提升二区变形比提升三区小。

6??钢桁架屋面整体提升

结合数值模拟结果，钢结构桁架屋面整体提升的可操作性较强，根据现场钢结构桁架具体情况确定提升安排如下。

（1）提升单元在其预定安装位置的正下方地面上进行拼装焊接（图7），应严格管控焊接质量，保证提升单元的整体性、稳定性和结构安全性。钢结构应精准定位，避免拼装出现大的位移偏差。

（2）根据钢结构预先深化设计的上吊点安装液压同步提升系统设备，使用前严格按程序检查提升设备，保证系统处于最佳工作状态。然后调试液压同步系统，使连接上下吊点的钢绞线组处于均匀受力状态。

（3）缓慢提升钢结构提升单元，至距离胎架150?mm时悬停4~12?h。

（4）提升单元悬停状态时检测和测量提升系统，确保提升单元标高统一。确认正常后，继续对提升单元进行整体提升，直至接近安装标高。

（5）严格按图纸尺寸测量各提升单元，确认二者误差在允许范围内后继续提升，当提升至接近设计位置时通过计算机系统进行微调和点动，使提升单元满足对接条件。

（6）完成整体对接，形成稳定的钢结构整体（图8）。

（7）液压提升系统整体同步缓慢卸载，完成荷载重分布。

7??技术经济效益

本项目组合立柱位移要求不大于10?mm，钢结构屋面桁架起拱千分之一即70?mm，根据现场实际检测位结果，组合立柱位移约4.2?mm，钢结构竖向位移约59?mm，与数值模拟误差在10%以内，证明理论与实际吻合。

应用钢桁架屋面整体提升技术改善了现场施工条件，节省了工期，降低了安全风险、减少了安全隐患，可以为后期类似工程提供借鉴。