某行政楼飘带状网架及K形桁架吊装施工技术

 雷  克1,2，张晓勇1，张  宇1，李  赟1，白  洁1，张其林2，张营营3

 （1．中国建筑第八工程有限公司，上海  200240；2．同济大学土木工程学院，上海  200092；

 3．中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏  徐州  221116）

[摘要]对某行政楼61m跨“飘带”状网架和56m跨K形桁架整体吊装施工方案进行分析，采用有限元软件MIDAS分别对网架和桁架的同步吊装、不同步吊装、风荷载作用和卸载整个施工过程进行数值模拟研究和挠度监测。研究结果表明，网架和桁架杆件应力与吊点位移均满足要求，说明整体吊装施工方案可行。

[关键词]安装；整体吊装；大跨度；网架；桁架；数值模拟

[中图分类号]TU758  [文章编号]1002-8498(2016)09-0025-03

 空间钢结构整体吊装施工方法包括整体吊升法、整体提升法和整体顶升法。整体吊装施工可在地面投影位置拼装，减少高空作业；可与下部工程同时进行，缩短工期；减少临时支撑，节约措施费；节能降噪，实现绿色施工。

 大跨度空间钢结构整体吊装施工具有如下关键技术问题：吊点或者提升点数量和位置的确定，施工过程中吊装或者提升速率变化引起的动力效应对结构的影响，吊装过程中吊点不同步对结构内力和变形的影响，施工全过程的动态模拟。

 空间大跨度钢结构整体吊装施工技术已经在一些重大工程中得到应用，本文对上海飞机制造有限公司行政楼屋面“飘带”状网架和连接网架之间的桁架结构整体吊装施工技术进行研究。

1工程概况

 本工程位于上海市，毗邻上海浦东国际机场，属于超长结构，整体长度约740m；其中l～4号楼约550m，为连体结构，未设置伸缩缝。屋盖结构由螺栓球网架、焊接球网架及空间桁架共同组成；网架结构基本形式为下弦多点支撑四角锥网壳，局部采用双向变形球铰弹簧支座。网架最低高度为27. 16m，最高高度为37. 93m。网架厚度为1.41~4. 40m。整体覆盖面积约27 000m2（见图1）。“飘带”状网架的跨度为61m，质量为80t，采用焊接球节点。两网架之间共有13榀桁架，最大1榀K形桁架跨度为56m。“飘带”状网架和桁架吊装区域如图2所示。

2整体吊装施工方案

2.1  吊装施工方案概述

 “飘带”网架采用四点吊装，吊点位于网架角部。网架总质量为80t，选用4台200t汽车式起重  机进行整体吊装。起重机位于网架外侧，距吊点10m左右。为了与网架实际受力状态一致，吊绳系在上弦节点上。吊点布置和起重机布置如图3所示。提升到施工标高后，采用高空对接方式与两端网架连接，完成吊装要求。吊装施工步骤如下：地面拼装网架→4台200t起重机进场→预先试吊，提升离地0.5 m→网架整体提升→提升过程中的测量及控制→十提升到设计标高后测量网架相关参数→高空对接，连接成整体→网架卸载→吊装完成。

 对于跨度小、质量轻的桁架，采用1台120t起重机四点起吊；对于跨度大、质量大的桁架包括连接两“飘带”网架的K形桁架，采用2台100t的起重机四点起吊。桁架吊装就位后与“飘带”网架之间进行焊接。吊装步骤和网架吊装步骤类似。

2.2  吊装过程难点及处理

 本工程中“飘带”网架和桁架吊装就位后，起重机不能松钩，需要两端拼装完成形成一个整体后才可松钩。对于整体吊装过程中产生的结构水平和竖向偏差、高空补杆、支座轴线偏差等难点，采取如下处理方法。

 1)水平和竖向偏差  网架或桁架提升至设计标高时，水平方向上，在端点处用手拉葫芦将被提升的网架或桁架与已有结构的上弦和下弦连接，通过端点的手拉葫芦同向调节水平方向上的误差。竖直方向上通过在悬挑网架的拔杆为受力点用手拉葫芦将其与提升网架连接起来，通过汽车式起重机的提升和悬挑网架把杆上对角两点手拉葫芦消除竖向偏差。

 2)高空补杆高空补杆分为2类，一类是因客观条件限制，部分杆件不能预先安装，只能在网架吊装就位后，高空散件补杆；另一类是因施工过程中对杆件损坏等原因，需要更换杆件。工地现场准备每种规格的钢管至少12m及相应配件各10套，作为应急备用材料。如现场需要补杆件，可以利用备用材料制作杆件。

 3)支座轴线产生偏差  考虑到网架吊装至设计标高处可能会偏移轴线，故现场除成品支座外可另行将支座底板与圆管焊牢，加劲板散发至现场，待支座安装就位后再将加劲板焊接牢固。

  3  吊装施工过程模拟分析

  3.1  “飘带”网架施工过程数值模拟

 采用MIDAS软件对“飘带”网架吊装施工过程 进行数值模拟计算，计算模型如图4所示。“飘带” 网架共有2 563根杆件，吊点编号分别为D1，D2，D3 和D4。“飘带”网架计算包括吊装阶段和安装完成 后的卸载计算。吊装计算包括3类工况，分别是同步吊装、不同步吊装（吊点变形差为20cm）和风荷载。安装完成后的卸载计算包括5种卸载工况，分别是：D1和D2同时小范围卸载100kN；D3和D4同时小范围卸载100kN；D1和D2同时小范围卸载200kN：D3和D4同时小范围卸载200kN；D1，D2，D3,D4同时全部卸载。

  各工况变形、应力和吊点最大反力计算结果如表1所示，其中变形表示最大变形点相对于吊点的变形量。由计算结果可知，网架吊装阶段计算结果满足要求。安装完成后卸载时各工况计算如表2所示。由计算结果可知，网架安装完成后卸载阶段各杆件应力计算结果满足要求。

3.2  K形桁架施工过程数值模拟

 K形桁架是连接两“飘带”网架之间的桁架，由1榀桁架和2段弧形桁架组成。吊装时采用2台起重机四点起吊，其中D1，D4和D2，D3分别由2台起重机起吊。采用MIDAS软件对K形桁架施工过程进行数值模拟，计算模型和吊点如图5所示。桁架共有448根杆件，吊点编号分别为D1和D2。吊装计算包括3类工况，分别是同步吊装、不同步吊装（假定吊点变形差为20cm）和风荷载3种工况。由于桁架为对称结构，因此仅计算单侧不同步吊装即可。安装完成后的卸载计算包括3种卸载工况，分别是各吊点同时小范围卸载20kN，D1，D4和D2，D3同时小范围卸载5kN和同时全部卸载。

 经计算，吊点最大反力为95. 5kN，钢丝绳反力设计值310 k N，满足吊装要求。桁架杆件材料为Q345，同步吊装最大应力为39.8 N/mm2，小于设计强度315 N/mm2。桁架同步吊装时最大变形为10. 8mm，小于224mm（跨度/250）。各工况变形、应力和吊点最大反力计算结果如表3所示，其中变形表示最大变形点相对于吊点的变形量。由计算结果可知，桁架吊装阶段计算结果满足要求。K形桁架安装完成后卸载时各工况计算结果为：各吊点卸载20kN时应力为106. 4MPa，各吊点卸载50kN时应力为93. 2MPa，卸载完成时应力为87. 6MPa。由计算结果可知，桁架安装完成后卸载阶段各杆件应力计算结果满足要求。

4  实际吊装及过程监测

 为保证在整体吊装施工过程中网架和桁架的安全性以及安装精度，吊装前在相应测点贴应变片。当结构提升到距离地面0.5，10，20，30，33. 4m时暂时停止提升，用全站仪对结构的变形进行监控。在施工吊装过程中，网架和桁架测点挠度偏差≤200mm。在网架和桁架挠度测量周期里，每测量一次，调整一次，防止累积误差。监测所得数据与数值模拟计算基本一致。

5  结语

 本文结合异形“飘带”状空间网架和K形桁架整体吊装施工方案和施工过程分别进行了分析、数值模拟研究和实测。

 1)针对大跨度异形空间钢结构整体吊装应进行同步吊装、不同步吊装和卸载多工况下的理论分析和计算，通过计算确定合理的吊装方案。

 2)结合数值计算结果和监测数据可知，采用本文的吊装方案施工，杆件应力和变形等均满足要求，且监测数据与数值模拟对比基本一致，这表明本文的整体吊装方案科学合理。