刚度不均匀重载钢结构分区域累积提升及测控技术*

杜立春

(南京市江北新区公共工程建设中心，江苏 南京 210031)

0 引言

大跨钢结构钢屋盖采用高空原位散拼或分单元吊装，高空焊接工作量大、临时支撑胎架数量多，且由于高空焊接工效低，整体提升技术成为大型公建场馆钢屋盖常用的安装方法。王建平等[1]针对国家图书馆二期工程重达10 388t的巨型钢桁架结构体系，采取地面平面整体提升的总体施工方案，共设置28个提升点，提升高度为15.65m。张明亮等[2]针对楼地面不平整的特点，将重达3.6t的湖南广播电视台F演播厅屋盖钢桁架划分为2个提升单元，采用楼面拼装+液压提升+高空补杆的总体施工方案。采用整体提升技术时，上提升吊点设置往往关系到被提升结构的整体性，常规设计思路均将实际结构作为提升吊点，但应确保提升吊点结构受力在弹性范围内。黄虎等[3]在长沙冰雪世界工程屋盖钢结构单榀桁架提升安装施工时，将两侧的钢管混凝土柱作为提升吊点，为平衡偏心荷载，在钢管混凝土柱提升点背面增加平衡索。在整体提升方案确定的基础上，对提升过程进行实时监测，通过监测数据控制整个提升过程的安全性。苏杭等[4]在六安体育中心体育馆大跨度钢结构屋盖结构多点不对称整体提升施工过程中进行了实时监测；刘文超等[5]针对异形曲面大跨度钢结构连廊整体提升监测技术难题，进行整体提升工况下监测测点布置和测试方法的研究。通过对比分析监测数据与施工过程有限元结果[6-10]，可更加精确地控制整个提升过程，确保提升施工全过程的安全性和可靠性。

本文结合南京市江北新区市民中心规划展览中心钢结构施工，分析研究刚度不均匀重载钢结构分区域累积提升和测控关键技术，以期为类似工程施工提供借鉴。

1 工程概况

南京市江北新区市民中心工程占地面积约82亩(1亩≈667m2)，总建筑面积约7.5万m2，其中，地上约4.9万m2，地下约2.6万m2。地下1层，地下室底板埋深6.2m。地上部分主要由2栋独立塔楼组成，其中市民活动中心3层，规划展览中心5层。规划展览中心钢结构如图1所示，其平面投影呈圆形(直径104m)，竖向4个核心筒(方形钢框架支撑筒)落地，楼层框架结构标高18.970～40.170m(高21.2m)，共5层，其中上部3层为桁架结构，下部2层为吊挂结构；楼层框架通过8榀主桁架及外圈桁架与核心筒4个四肢格构柱连接承载。

图1 规划展览中心钢结构

规划展览中心结构总体采用钢框架-支撑结构体系，总用钢量约13 000t，主要构件包括格构组合柱、平面桁架、弧形桁架、吊挂框架、屈曲支撑等，主要截面形式有箱形、H形、圆管等，主要结构材质有Q345B，Q345GJ等，楼板主要采用钢筋桁架组合楼板。

2 施工重难点分析

为有效缩短施工工期、减少高空焊接工作量，南京市江北市民中心规划展览中心钢结构采用桁架结构层整体提升+吊挂结构层高空散装的综合施工方案。结合施工现场场地条件和提升结构特点，分析该项目施工重难点如下。

1)施工场地狭小，地基承载力差 由于该项目采用市民活动中心和规划展览中心同步施工方案，规划展览中心基坑施工场地狭小，基坑内无法进行桁架层结构整体拼装成型，部分结构需在基坑顶部拼装，待在基坑底部拼装的钢结构提升至基坑顶安装高度且对接安装后，才能形成桁架层的整体结构。此外，由于地下室筏板仅500mm厚且下部土质承载力弱，重型起重机械吊装作业易造成筏板损坏，不仅限制了起重机选型，且需复核各种不利工况下筏板受力安全性。

2)提升结构重量大，刚度不均匀 规划展览中心顶部3层桁架结构重5 300t，包括直径104m的环桁架、长45m的8榀主桁架及环桁架与主桁架间的连接杆件。由于4个核心筒先安装至设计标高，拟提升结构在核心筒处需断开连接，整体刚度较好的桁架层结构被分割成刚度较大的环桁架+刚度离散的4组主桁架结构，导致拟提升结构刚度不均匀。

3)提升点数量多，控制难度大 拟提升结构包括环桁架和8榀主桁架，利用已安装成型的核心筒钢结构作为提升支撑点，共设置24个提升点。由于各提升点提升力差别较大，对施工同步控制要求高，且因地面拼装条件限制，第1阶段先提升3/4不规则结构，第2阶段桁架层结构整体提升，如图2所示。2次提升结构重量差异大、形心偏离大，提升过程受力复杂。此外，利用4个高度近50m格构柱框架核心筒单独作为提升点，提升过程中整体稳定性控制难度大。

图2 桁架层结构的累积提升

4)对接焊口数量多，精度要求高 由于拟提升3层桁架结构的8榀主桁架均与核心筒断开，环桁架与伸臂桁架间也断开，桁架结构层提升就位后需对接的焊口数量达97个。此外，构件跨度较大，节点复杂且大部分为焊接节点，因此需考虑如何使钢构件快速安装就位，有效避免构件吊装变形；同时需保证构件空间焊接位置精准对接，构件拼接的几何尺寸精度要求较高。

5)施工工期紧，组织管理难度大 项目实施过程中存在多项立体交叉作业，为确保项目的安全施工，加大了施工组织管理难度。此外，存在分2阶段的累积提升施工、规划展览中心和市民活动中心同步施工等多项施工组织管理，整个项目的组织管理难度较大。

3 累积提升施工关键技术

南京市江北新区市民中心规划展览中心桁架层结构提升是我国最大直径(100m)钢环梁结构首次采用整体提升技术施工，也是我国首例刚度不均匀重载钢结构提升工程。在项目方案策划阶段及实施阶段，均形成了多项关键技术，结合上述施工重难点分析，对该项目的累积提升施工关键技术进行总结。

3.1 吊点设置

规划展览中心桁架结构层与4个核心筒结构切割断开后，被提升结构在平面上变得较离散，4个核心筒间为刚度较大的主承力桁架，核心筒外围为环桁架，主承力桁架与环桁架间为刚度较弱的连系杆件。利用4个核心筒进行提升上吊点布置，为确保被提升结构的受力安全性，拟定在刚度较大的主承力桁架、环桁架上均设置提升吊点的方案。同时，从提升设备投入量、各提升点受力均匀性等方面考虑，每个核心筒对应的环桁架设置2个提升吊点，且吊点位置直接布置在环桁架上，如图3所示。这种布置方式使核心筒钢结构在提升过程中受力不均匀，有一个钢柱部位无提升吊点，需对最不利提升工况下的核心筒钢结构进行安全性复核验算，结果如图4所示。最不利提升工况下的核心筒钢结构最大变形为-33.8mm，杆件应力比最大值为0.749<1，核心筒钢结构安全性满足要求。

图3 吊点布置

图4 最不利工况下核心筒安全性复核结果

3.2 累积提升有限元分析

根据被提升结构的构件布置(含临时加固杆件)、吊点设置等，建立有限元模型(含提升吊索)，模拟实际提升过程。通过有限元分析，可准确估算被提升结构整体重量，并能提取各提升吊点提升力，用于提升千斤顶和钢绞线的选择。此外，除模拟提升吊点同步提升工况外，需模拟提升吊点不同步提升的多个工况，并根据分析结果，进一步核算提升千斤顶和钢绞线的安全裕度及各工况下的结构变形和应力，给出提升吊点不同步控制偏差值。

根据该项目累积提升特点，分别进行阶段1，2工况下的提升多工况分析，结果如图5所示。得出被提升结构的整体重量约为53 000kN，结合不同步多工况分析，确定选用16台TJJ-3500型(主桁架)和8台TJJ-5000型(环桁架)液压提升器，额定提升能力分别为3 500，5 000kN；选用1 860级φs17.80高强钢绞线，主桁架每个吊点18根钢绞线，环桁架每个吊点24根钢绞线。

图5 累积提升多工况有限元分析结果

不同步提升多工况应力曲线如图6所示。根据厚40mm及以上Q355B钢材屈服强度为335MPa，以控制被提升结构杆件均在弹性范围内为目标，即取有限元分析结果中杆件应力达到268MPa(80%屈服应力)作为控制目标。由图6可知，结构杆件最大应力出现在主桁架提升吊点单点出现不同步时，不同步位移达50mm时，最大杆件应力为231.69MPa；不同步位移达到60mm时，最大杆件应力为271.97MPa。因此，该项目最终确定各提升吊点的不同控制偏差值为50mm。

图6 不同步提升多工况杆件应力曲线

3.3 累积提升同步控制技术

该工程采用顶部3层桁架结构地面拼装完成后整体提升，提升总重约53 000kN，总提升高度约37m，分2个阶段，2次被提升结构重量差异大，形心偏离大，提升过程受力复杂。提升采用吊点油压均衡、结构姿态调整、位移同步控制、分级卸载就位的同步提升和卸载就位控制策略。液压同步控制系统由动力控制、功率驱动、计算机控制等系统组成，提升过程通过泵源系统、液压提升器提供动力输出，通过传感器监测、计算机同步控制系统配合控制。通过数据反馈和控制指令传递，实现同步动作、负载均衡、姿态矫正、应力控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种功能。平稳实现不均衡多吊点的钢桁架结构向规则整体桁架的累积提升。

实际提升过程中，以被提升结构有限元分析的各吊点提升力为控制目标，对各提升吊点处的提升设备进行分级加载，依次为20%→40%→60%→80%，经全面检查且确认无异常后，继续加载至 90%→100%，直至被提升结构全部离地。被提升结构即将离开拼装胎架(或地面)时，可能存在各点不同步的情况，应密切观察各点离地情况，必要时做单点提升，确保结构平稳离地，各点同步。被提升结构离地约200mm后悬停12h，对被提升钢结构连接节点、提升支架、吊具及各提升设备进行专项检查。悬停且检查完成后，进行正常的提升作业，由于各提升吊点荷载值不同，为确保提升的同步性，每提升5m进行一次整体调平，确保提升过程中各吊点基本同步。

在整个同步提升过程中应随时检查以下内容：①各吊点提升器受载均匀情况；②上吊点平台的整体稳定情况；③钢结构提升过程的整体稳定性；④计算机控制各吊点的同步性。同时，液压提升动力系统监视以下项目：①系统压力变化；②油路泄漏；③油温变化；④油泵、电机、电磁阀线圈温度变化；⑤系统噪声。

4 累积提升测控关键技术

对于刚度不均匀重载钢结构提升全过程的安全控制，一方面需细化拟定的施工方案，解决实施过程中的重难点问题，另一方面需对提升进行全过程监测，通过监测数据的反馈，进一步精细化控制各吊点提升同步性。在实施过程中，结构拼装阶段即进行杆件应力应变监测仪器、下吊点同步性监测仪器的安装及调试。被提升结构在地面拼装完成后，调试完成各类监测仪器并实现在线自动化采集。在累积提升过程中，应分3个阶段分别进行测控。

1)离地阶段 根据有限元分析阶段进行离地提升，每次分级加载后均应进行关键杆件应力应变数据采集和分析，检查相关受力点结构状态。同时，通过安装于下吊点的静力水准仪及全站仪跟踪监测钢结构高差及下挠，以便进行离地后的整体调平，加载阶段各项监测数据均应做好完整记录。

2)提升阶段 由于提升阶段被提升结构相对于核心筒(提升架)为运动状态，在线监测应按结构分区域布置采集仪器，且应确保电源稳压供应。4个核心筒均为独立的提升架，每个核心筒均需布置1台关键杆件应力应变采集箱，如图7所示。被提升结构的下吊点同步性监测采用静力水准仪与图3吊点对应，共布置24个测点，选取其中1个测点为基准点，在线监测各提升吊点相对位移，控制累积提升阶段的同步性(相对高差≤50mm)。与常规上吊点同步性监测方法相比，避免因提升吊点变形及钢绞线夹片错动导致的下吊点相对高差较大，能更加精确地确保被提升结构的整体同步性。

图7 杆件应力应变测点布置

3)卸载阶段 待被提升结构提升就位后，进行对接口的焊接和杆件嵌补，直至整个桁架结构层结构体系完成。结构体系成型后，需对24个提升吊点进行卸载，卸载过程实现整个结构体系的转换，因此，在卸载阶段同样需对关键杆件应力和结构变形进行监测，一方面可验证结构受力是否满足设计，另一方面可确保整个卸载过程的安全性。监测结果显示，卸载前、后关键杆件应力变化率<30%，应力变化值均<35MPa，未出现应力激增的情况，整个卸载完成后结构应力分布符合设计要求。卸载前、后，对环桁架成形圆度进行精确测量，100m直径圆最大测量偏差为35mm，竖向位移主要集中在主桁架跨中，最大竖向位移达5mm，均符合设计要求，实际完成效果如图8所示。

图8 项目完成效果

5 结语

1)为解决钢桁架整体原位拼装的技术难点，通过数值模型确立合适的桁架精度控制点及起拱值，并对结构关键控制点变形进行预测与反馈。提出刚度不均匀重载钢结构提升全过程有限元分析方法，考虑提升不同步的影响，对提升施工进行全过程分析，确定施工整体和关键分步施工流程，并确定流程间的衔接关系。

2)提出刚度不均匀重载钢结构提升吊点优化设置方法，研发多点位、大差异整体同步提升控制系统和空间离散多接口精准对接控制关键技术，解决了复杂钢结构整体提升多点位同步控制和精准定位的难题。

3)下吊点竖向相对位移实时监测反馈完善了基于有限元分析结果的关键位置应力与变形测控方法，基于多吊点静力水准仪高精度监测施工技术和全过程伺服式施工监测技术，开发刚度不均匀重载钢结构整体提升过程的监测及预警系统，增强了提升全过程的可控性，保障了复杂工况下施工的安全性。

该工程为我国首例最大直径钢环梁整体提升工程，也是我国首例刚柔结合型整体提升工程，施工技术的应用，可极大地提高施工效率、质量和安全，缩短工期212d，焊接安装质量优良率98%，节约建造成本2 365万元，可为后续同类钢结构项目提供借鉴。