底层不连续的多层连体结构的提升方案优选分析

钢结构施工过程具有较强的非线性特性。钢结构设计时,一般以结构成型状态的边界、整体刚度、荷载及作用等条件进行设计分析。但空间异形结构施工过程中,结构刚度逐步成型,自重和附加荷载作用下,结构杆件内力和结构位移逐步累积和发展,因此施工过程中必须考虑结构的过程受力状态,进行施工力学仿真分析和结构与构件的承载能力验算,以确保施工精度、质量和安全性。本期刊出的6篇论文,基于浙江精工钢结构集团有限公司的重大项目实践和研究,分别介绍了高位复杂连体结构、轮辐式桁架悬挑结构、大高差双曲空间结构、三向网格结构采用非常规液压提升施工方法时的施工力学仿真分析、关键技术研究及其施工方案比选,相关结论可以为类似工程实施提供参考。

随着建筑钢结构的发展,高层建筑群如雨后春笋般出现,两栋高层之间设置钢连体是常见的结构形式。目前,对于常规高空连体结构安装,大多采用地面拼装后整体提升至设计位置的安装方法。但针对底层不连续的多层连体结构,一方面地面拼装胎架高,存在高空作业,不经济又不安全;另一方面拼装时底层结构需进行加固,施工繁琐。因此制定更为经济、安全、快速的施工方案是当前施工的重点。以杭州云门项目为例,给出了累积提升与分层提升两种施工方案,并对两者从结构受力变形,施工经济性、安全性、时效性等方面进行衡量比选。在受力方面,采用上述两种方案施工,对于塔楼而言,杆件应力最大值差别较小,但采用分层提升施工构件的附加应力更小,受力更为合理;对于连体而言,杆件应力最大值基本相同,但采用分层提升的杆件应力总体偏小;对于提升加强杆而言,采用分层提升方案时加强杆最大轴力为 10905.27 kN, 而采用累积提升方案时加强杆最大轴力为 12615.81 kN,前者较后者减小约 13.6%,因此采用分层提升方案可降低对其截面的需求,从而便于在提升完成后进行拆除。在变形方面,采用上述两种方案施工,结构最大竖向变形均位于连体跨中,且变形值相差不大;而结构最大水平变形虽均位于塔楼顶层,但变形值有些许差别,分层提升变形值较小,这是由于采用分层提升,二次提升前连体上层结构与塔楼已连成一体,具备了一定的水平刚度。在施工方面,采用累积提升方案施工,下层结构在低空安装时,上层连体结构悬停时间较长,时效性差,且连体未与塔楼形成有效连接,施工安全性差;而采用分层提升方案,上层连体结构一次提升到位后直接进行补杆工作,使连体与塔楼初步形成有效连接,届时可同步进行下层三角区结构的拼装工作,时效性、安全性更佳。在经济性方面两者相差较小,分层提升对于提升设备的数量需求较高。结果表明,针对底层不连续的多层连体结构施工,分层提升法在结构受力及变形方面,施工经济性、安全性、时效性方面表现更佳。 

杭州云门项目(图 1)位于杭州市余杭区杭州西站南侧,主要由两栋 15 层塔楼结构及空中连体结构组成,塔楼为钢框架结构体系,高度约 80 m。连体结构(图 2)位于结构 10 ~ 15 层,其跨度约 97 m,由 4 榀主桁架组成,每榀主桁架由上、中、下 3 层弦杆组成。 

图 1　 杭州云门项目

图 2　 连体结构　 m

云门项目作为杭州亚运会的重点配套工程,工期紧、任务重,其中两栋塔楼之间的大跨多层连体结构高度高、跨度大,且下方场地狭窄,其施工是本项目的重、难点。 

本项目现场围绕每栋塔楼各布置 3 台塔吊,共 6 台(图 3),中间两台塔吊( ZSL720)主要为连体拼装所设(由于受连体主杆件安装干涉,需在拼装基本完成时拆除),其余塔吊由于作业半径及吊重限制,对连体结构施工所起的作用不大(最大起重能力为 80 kN)。因此连体拼装主要采用地面吊机进行。

图 3　 现场塔吊平面布置

连体结构搭设临时支撑架原位吊装时,不仅临时支撑搭设高度高、高空操作不安全,且大型吊机没有作业空间。目前两栋塔楼间的连体结构一般采用地面拼装、整体提升的方法,但针对云门项目,采用整体提升一方面地面拼装胎架高度高,最高约 14.2 m(图 4),经济性差、施工安全质量控制难。另一方面,图 4 箭头所指构件设计状态下为拉杆,而拼装工况下为压杆且承受了较大的连体重量,导致此部分杆件附加应力过大需要换杆,局部需要采用措施进行加固,措施成本增加且后期拆卸麻烦。 

图 4　 连体拼装示意(整体提升) 

考虑到本项目连体底层不连续,且连体高度较高的特点,提出两个可行的施工方案,分别为累积提升和分层提升。两种方案的优点在于连体结构可近地面拼装,拼装胎架高度低,且无需大量高空作业,保障结构拼装焊接质量的同时也降低了高空作业施工的风险。

累积提升和分层提升在技术方案上的主要共同点在于:1) 均在 14 层设置了提升吊点,且数量均为 8 个(图 5);2) 连体与塔楼对接处的杆件分段及提升加强杆布置相同(图 6)。 

图 5　 14 层提升吊点布置　 mm

图 6　 连体与塔楼对接处示意　 m

3.1　 累积提升

方案示意如图 7 所示,13 ~ 15 层连体结构先在地面拼装,拼装完成后设置工装进行试提升,静置 6 h 后提升至离地 15 m 左右高度,利用 25 t 汽车吊进行 11 ~ 12 层结构的安装,安装完成后整体提升至设计标高。在 14 层桁架主弦杆 8 个提升点位设置提升装置(每个点配置 2 台 405 t 级和 1 台 180 t 级的液压提升器),将连体提升到位后先补装结构剩余杆件,再拆除提升加强杆件,完成连体钢结构安装。

图 7　 累积提升方案示意

3.2　 分层提升

方案示意如图 8 所示,13 ~ 15 层连体结构先在地面拼装,拼装完成后设置工装进行试提升,静置 6 h 后提升至设计标高,然后进行连体结构与塔楼间的补杆工作,同时 11 ~ 12 层结构在地面进行拼装,待 13 ~ 15 层连体提升结构的主杆件与塔楼对接合拢后进行 11 ~ 12 层结构提升。在 14 层桁架主弦杆 8 个提升点位设置提升装置进行首次提升(每个点配置 2 台 405 t 级的液压提升器),在 13 层桁架主弦杆及 12 ~ 13 层吊挂柱上口附近位置 16 个提升点位设置提升装置进行第二次提升(图 9,左右两侧各布置 16 个点,每个点配置 1 台 180 t 级或 75 t 级的液压提升器)。

图 8　 分层提升方案示意

图 9　 二次提升吊点布置　 mm

通过 MIDAS/gen 计算软件分别对两种施工方式下的结构受力及变形进行分析,以此对比两种施工方式在结构受力变形方面的优越性。

4.1　 结构受力的对比

4.1.1　 塔楼的应力分析

图 10 给出了两种施工方式下钢结构安装完成时塔楼的应力。从直观上看,采用累积提升施工方案的最大应力为 117.242 MPa,采用分层提升的最大应力为 102.928 MPa,均位于 14 层牛腿,相差不到 15 MPa,表明两种方案下塔楼的应力最大值差别较小。

图 10　 两种方案的塔楼应力云图　 MPa

由于施工过程是结构逐步成形过程,与原设计结构一次成形过程有较大的差别;这种差别会在构件内部产生附加应力,使得部分构件应力比原设计状态下要大,从而会降低结构构件的安全余量,故对两种施工方式下的构件附加应力进行对比,如图 11 所示。可以看出,采用累积提升方式时杆件附加应力超 40 MPa 占比 2%,最大值为 166 MPa,而反观分层提升,超 40 MPa 占比 0%,最大值为 39 MPa,显然,选用分层提升施工对于塔楼受力更为合理。

图 11　 两种方案的塔楼杆件附加应力分布

4.1.2　 连体的应力分析

图 12 给出了两种施工方式下钢结构安装完成时连体的应力,由于连体结构主要通过四榀主桁架受力,每榀桁架受力形式相同,故选取 B 轴主桁架进行分析。

图 12　 两种方案的 B 轴桁架应力云图　 MPa

从整体上看,采用累积提升施工,桁架应力最大值约为 117 MPa;采用分层提升施工,桁架应力最大值约为 116 MPa,差值不到 2 MPa,表明两种方案下桁架的应力最大值差别较小。

从局部上看,采用累积提升施工,14 层提升牛腿位置处应力为 117 MPa,而采用分层提升施工,14 层提升牛腿位置处应力为 102 MPa。这是由于采用分层提升施工时,二次提升前首次提升结构已与塔楼结构完成补杆及焊接,二次提升结构的重量由 13 ~ 15 层杆件共同承担并传至塔楼;而采用累积提升施工时,提升过程中连体的全部重量均由 14 层牛腿承担并传至塔楼,故有此区别。

图 13 给出了两种施工方式下桁架的附加应力。可以看出,两种施工方式下桁架的附加应力最大值均为 40 MPa 左右,且附加应力值在 0 ~ 10 MPa、10 ~20 MPa、20 ~ 30 MPa、30 ~ 40 MPa、>40 MPa 区间的占比差别不大。

图 13　 两种方案的 B 轴桁架杆件附加应力分布

综上所述,虽然两种施工方式下部分杆件应力有些差别,但相差不大,故无论选取哪种方式对于连体受力而言没有较大区别。

4.1.3　 提升加强杆的受力分析

由于提升加强杆不属于原有结构,提升卸载后需要拆除,而此时一方面连体已位于设计标高,此处高度较高只能采用塔吊进行拆除,构件吊装重量受到限制;另一方面,连体卸载前提升加强杆周边已安装次梁等水平构件,拆除空间受限。所以在确保提升施工过程安全的前提下,提升加强杆截面设计越小,对施工越有利。

图 14 给出了上述两种施工方式下?轴桁架处提升加强杆各施工阶段的内力值,由于构件主要以受压为主,故取轴力进行对比。可以看出,采用分层提升方案加强杆最大轴力为 10905.27 kN,而采用累积提升方案加强杆最大轴力为 12615.81 kN,前者较后者减小约 13.6%,因此采用分层提升的施工方式可降低对加强杆的截面需求,从而便于在提升完成后进行拆除。

图 14　 两种方案的?轴桁架加强杆轴力示意

4.2　 结构变形的对比

图 15 给出了上述两种施工方案下结构的水平及竖向变形。可以看出:采用累积提升的结构最大竖向变形为 -88.88 mm,采用分层提升的结构最大竖向变形为 -87.33 mm,均位于连体跨中位置,相差不到 2 mm;采用累积提升的结构最大水平变形为 31.45 mm,采用分层提升的结构最大水平变形为 26.61 mm,均发生在 15 层,分层提升较累积提升水平变形减小约 15.4%。这是由于采用分层提升时,二次提升前连体 13 ~ 15 层结构与塔楼已连成一体,具备了一定的水平刚度。  

图 15　 两种方案的结构变形云图　 mm

5.1　 时效性对比

表 1、2 给出了上述两种施工方案的连体钢结构安装工期。经对比,累积提升用了 52 d,分层提升用了 46 d,分层提升少了 6 d,表明分层提升方案较优。这是由于采用累积提升方案施工时,11 ~ 12 层三角区结构在低空安装时,13 ~ 15 层连体结构悬停时间较长,而采用分层提升方案时,13 ~ 15 层连体结构一次提升到位后直接进行补杆工作,可同步进行 11 ~ 12 层三角区结构的拼装工作,有利于保证工期。

表 1　 累积提升工期     d

表 2　 分层提升工期     d

5.2　 经济性对比

施工经济性主要取决于人、材、机,无论选取上述两种方案中的其中一种,连体及三角区结构人工、材料、拼装作业机械基本相同,故此处仅对提升设备用量进行对比(表 3、4)。可以看出,分层提升施工除了计算机控制系统数量一致,其余提升设备均多于累积提升施工方案。这是由于提升施工费用是以提升重量为结算依据的,故提升设备的多少对于提升施工成本没有较大影响,但对于设备数量的需求有一定的影响。

表 3　 累积提升施工提升设备

表 4　 分层提升施工提升设备

5.3　 安全性对比

采用累积提升方案施工时,13 ~ 15 层连体提升一定高度后,工人需在其下方进行 11 ~ 12 层三角区结构的安装作业,此时连体未与塔楼形成有效连接,施工危险系数大。而采用分层提升方案施工时,首次提升结构提升到位后可先焊接部分主桁架与塔楼之间的杆件,为 11 ~ 12 层三角区结构在连体下方拼装时提供一定的安装保障。 

本项目连体结构采用分层提升方案施工主要分为 5 个步骤,如图 16 所示。 

图 16　 分层提升方案实施流程

以杭州云门项目为例,针对底层不连续的多层连体结构,给出了累积提升和分层提升两种施工方案,并对两者进行了对比,得出了以下结论。

1) 在受力方面,采用上述两种方案施工时,对于塔楼而言,采用分层提升施工构件的附加应力更小,受力更为合理;对于连体而言,杆件应力最大值基本相同,但采用分层提升杆件应力总体偏小;对于提升加强杆而言,采用分层提升方案可降低对其截面的需求,从而便于在提升完成后进行拆除。

2) 在变形方面,采用上述两种方案施工时,结构最大竖向变形均位于连体跨中,且变形值相差不大;而结构最大水平变形虽均位于塔楼顶层,但变形值有些许差别,分层提升变形值较小,这是由于采用分层提升时,二次提升前连体 13 ~ 15 层结构与塔楼已连成一体,具备了一定的水平刚度。

3) 在时效性、安全性方面,采用分层提升方案均优于累积提升方案;在经济性方面,两者相差较小,但分层提升对于提升设备的数量需求较高。