CN113863683A - 一种超高层顶重型钢桁架连廊多次提升的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超高层顶重型钢桁架连廊多次提升的施工方法，包括如下步骤：依据钢连廊提升过程对主体结构的影响确定提升次数；预变形控制，根据钢连廊的预变形量确定钢连廊的预拱值；根据确定的提升次数将钢连廊拼装成多个提升部，制作、拼装预起拱钢连廊；布设提升装置，以便转换吊点；逐次提升钢连廊，试提升，第一提升部悬停后转移载荷至地面，检测探伤合格后正式提升，并进行安全控制，提升到位后与主楼单体固定后卸载提升装置，吊点转换，在第一提升部下设吊点，提升下一级提升部，根据确定的提升次数逐次完成钢连廊各提升部的提升。本发明能保证结构施工成型后受力与形位满足设计使用要求，保证施工质量和安装精度，确保施工安全。

Description

一种超高层顶重型钢桁架连廊多次提升的施工方法

技术领域

本发明属于超高层建筑及大跨钢结构施工技术领域，具体涉及一种超高层顶重型钢桁架连廊多次提升的施工方法。

背景技术

目前超高层顶重型钢桁架连廊施工通常采用整体提升或整体提升与高空散拼相结合的施工方法。整体提升的施工工艺先在地面拼装钢桁架连廊，再利用液压提升装置将钢连廊结构提升至设计位置，并嵌补主体结构与钢连廊间的连接杆件。整体提升与高空散装相结合的施工工艺先在地面拼装钢连廊下部结构，利用液压提升装置将其提升至设计位置后，再高空散拼钢连廊上部结构。

一次整体提升钢桁架连廊结构施工速度快，施工精度高，但地面拼装重型钢连廊对场地要求高，施工措施及提升装置费用高，整体提升过程因钢连廊自重大对主体结构产生的偏心力矩大，因提升引起的超高层主楼的侧向变形无法消除，给结构使用阶段埋下安全隐患。

而整体提升与高空散拼相结合的施工方法仅在地面拼装钢桁架下部部分楼层，对拼装场地及提升装置要求相对低，提升过程对结构主体影响相对小，但作业人员高空作业施工风险高、焊接质量保证难，施工周期长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能降低对主体结构影响又能保证施工周期的超高层顶重型钢桁架连廊多次提升的施工方法。

本发明提供的这种超高层顶重型钢桁架连廊多次提升的施工方法，包括如下步骤：

S.1、依据钢连廊提升过程对主体结构的影响确定提升次数；

S.2、预变形控制，根据钢连廊的预变形量确定钢连廊的预拱值；

S.3、制作、拼装钢连廊，根据S.1确定的提升次数将钢连廊拼装成多个提升部，根据S.2的预拱值预拱钢连廊；

S.4、布设提升装置，以便转换吊点；

S.5、逐次提升钢连廊，

试提升，第一提升部悬停后转移载荷至地面，检测探伤合格后正式提升，并进行安全控制，提升到位后与主楼单体固定后卸载提升装置，

吊点转换，在第一提升部下设吊点，提升下一级提升部，根据S.1确定的提升次数逐次完成钢连廊各提升部的提升。

所述S.1中：

基于有限元分析软件，

S.1.1、考虑钢连廊施工成型过程对主体结构的影响，保证主体结构施工全过程的受力与变形满足要求，从而确定钢连廊单次提升的最大重量。

S.1.2、依据钢连廊单次提升的最大重量确定将钢连廊分N次进行整体提升。

S.1.3、分析施工成型后主体结构的受力与形位，验证N次提升钢连廊是否满足设计要求。

所述S.2中：考虑钢连廊施工成型过程，在有限元分析软件中对提升到位后的钢连廊继续施加使用阶段的恒荷载和活荷载，确定钢连廊的预拱值。

所述S.4中布设提升装置时在主楼单体的外框柱节点处布置提升吊点用以提升第一提升部，第一提升部下布置提升吊点用以提升下一级提升部。

所述S.5中：试提升时，依次增大提升钢连廊载荷比例的20%、40%、60%、70%、80%、90%、95%、100%，分级加载至钢连廊悬空；钢连廊提升到900至1100mm后将负载转移至下锚，锁定上锚，悬停22-26小时，检查探伤。

所述S.5中安全控制包括抗风控制和不同步提升控制。

所述抗风控制包括：

计算钢连廊提升过程中在六级大风下产生的最大水平位移，确定提升过程中出现最大水平位移的提升高度；

由提升装置的布设及主楼与钢连体的节点连接做法确定提升过程中允许的最大安全距离；

施加风载荷，确定不同等级风速下提升部出现的最大摆副；

确定能进行提升的最大风速等级及对应不同提升高度的允许风速；

在各提升部上设置风速计，若提升过程中实测风速小于允许风速则可进行提升，若提升过程中实测风速超过允许风速，提升部悬停并与主楼单体固定。

所述不同步提升控制采用在各提升部同步提升各吊点最大提升力处施加向上的强迫位移。

所述第一提升部提升到位后嵌补与主楼单体之间的连接杆，后续各提升部提升到位后嵌补与上一级提升部以及主楼单体之间的连接杆。

本发明首先进行数值模拟，确定将钢连廊拆分为若干提升部，保证分部提升时对主楼单体的受力与变形的影响满足施工过程与设计阶段的要求。然后根据数值模拟的情况将钢连廊拼装成相应的提升部，并在地面设置相应的胎架，再分部逐次进行提升，并在提升过程中进行吊点转换和安全控制。一方面，可减少钢连廊整体提升过程对主体结构产生的不利影响，减少主楼单体因提升产生的应力集中，减少整体提升过程对后续使用的影响，保证主体结构施工成型后受力与形位满足设计使用要求；另一方面在地面分部拼装，可以加快施工进度，保证施工质量和安装精度，也有利于提高施工安全。

附图说明

图1为本发明优选实施例的工艺流程图。

图2为本优选实施例中主楼单体在提升前的竖向变形云图。

图3为本优选实施例中主楼单体在十年一遇风载作用下的侧向变形云图。

图4a、图4b为本优选实施例中钢桁架两次提升时主楼单体的侧向变形云图。

图5为本优选实施例中钢桁架两次提升时主楼外框柱的应力云图。

图6a、图6b为本优选实施例结构使用阶段的变形云图。

图7为本优选实施例结构使用阶段关键构件的应力云图。

图8为本优选实施例中钢桁架连廊预起拱值云图。

图9为本优选实施例中两次提升吊点反力示意图。

图10为本优选实施例中两次提升装置布设示意图。

图11为本优选实施例中三级风下两提升部被提升时的最大侧向变形云图。

图12为本优选实施例第二提升部提升就位杆件未嵌补时的抗风分析云图。

图13为本优选实施例施工过程中第一提升部不同步提升分析云图。

图14为本优选实施例施工过程中第二提升部不同步提升分析云图。

图15为本优选实施例第二提升部嵌补完成后杆件的变形与应力云图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供的这种超高层顶重型钢桁架连廊多次提升的施工方法先采用有限元分析软件模拟提升过程，确定将钢连廊分两部分进行提升，而有限元软件的建模、分析、求解及后处理均为本领域通用的技术手段，故在此不再赘述。本实施例具体实施时步骤如下。

步骤一、确定将钢连廊分成不同提升部逐次提升。

首先，采用MIDAS有限元分析软件建立带多层钢桁架连廊的超高层结构的整体计算模型，所建立的模型包含两栋高248.2 m的主楼单体，超高层顶部跨度63.2 m，重约7000t的八层钢桁架连廊，液压提升装置及施工过程中的临时加固杆件。依据施工方案中的施工顺序将整体结构、提升装置杆件、临时支撑与加固杆件分成不同的结构组，并分别定义与各结构组相对应的边界组与荷载组模拟结构施工过程中真实的边界条件与荷载情况。通过对各施工阶段结构组、边界组、荷载组的激活与钝化的处理，实现结构施工全过程的仿真计算分析。

然后，对主楼单体进行施工全过程的计算分析。钢连廊的提升在主楼单体的主体结构施工完成后进行，首先对主楼单体进行施工过程的计算分析。此时主楼单体除与钢连廊连接的楼层楼板及幕墙未施工，结构主体及下部结构的楼板与幕墙均已施工完成。与实际施工进度一致，按内筒领先外筒8-10层的施工顺序及每8-10天施工一层的施工速度，同时考虑混凝土的收缩徐变，确定主楼在结构自重与施工荷载下的竖向压缩变形，如图2所示，在钢连廊施工前主楼最大的竖向变形为38 mm。

并对主楼单体结构进行十年一遇的抗风分析，确保主楼单体的侧向变形满足施工要求，不会因大风环境下主体结构的晃动对提升结构产生不利影响。因钢连廊下部主楼玻璃幕墙已施工，风荷载按面风压施加，钢连廊连接的主楼区域，风荷载按梁单元风压施加以考虑对镂空结构构件的影响。如图3所示，在十年一遇风荷载作用下（约八级大风）主楼的侧向变形为89 mm，楼层位移角为1/2789，满足施工过程侧移不超过结构总高1/1000的要求。钢连廊提升过程中，会严格控制风速，仅允许在三级风以内施工，三级风速约为八级的1/10，因此主楼在风荷载作用下的晃动对钢连廊提升影响很小。

接着将钢连廊作为整体在一对主楼单体之间进行提升，有限元分析表明，将钢连廊作为一个整体提升时，对主楼产生的最大侧向变形约76.2mm，待结构施工成型后该侧向变形仍然无法消除，同时钢连廊作为一个整体提升时，对提升吊点附近的主楼外框柱产生了较大的附加应力，此外还对与外框柱相连的核心筒产生了较大的拉应力，已接近混凝土墙体抗拉设计强度。因此不采用一次整体提升。

再将钢连廊分成第一提升部和第二提升部分别提升。第一提升部包括上部的四层钢连廊，第二提升部包括下部的四层钢连廊，两个提升部提升重量均不超过3500t。

在有限元软件中先模拟第一提升部的提升过程，第一提升部提升到位完成杆件嵌补后再提升第二提升部，分两次提升钢连廊，单次提升重量小，第一提升部提升就位与主楼单体连接完成后将提升吊点由主楼单体转换到第一提升部底部，保证钢连廊变形协调的同时，进一步减小钢连廊提升过程对主楼产生的侧向变形。

钢连廊两次提升过程对主楼单体产生的侧向变形如图4a、4b所示，采用两次提升的施工方法钢连廊施工全过程对主体结构产生的侧向变形不超过40 mm；主楼单体外框柱承受的应力幅值如图5所示，最大应力为53.7Mpa，与外框柱连接的主楼核心筒最大拉应力小于1 Mpa ，对于C60核心筒强度有较大富余。可见分两次提升钢连廊，提升过程对主楼单体产生的应力缓和的多， 将钢连廊结构提升就位并完成杆件嵌补后，提升过程对主楼产生的应力会重分布，因提升对主楼结构竖向构件产生应力会进一步减小，可满足主体结构施工过程的变形与受力要求，最终确定分两次提升钢连廊的施工方案。

最后叠加钢连廊施工成型过程进行结构使用阶段的影响分析。

合理的施工方案应保证结构施工成型后受力与形位满足设计要求。叠加考虑施工成型全过程的“活模型”进行结构使用阶段的计算分析，施加结构使用阶段的荷载进行最不利的荷载组合，考察施工成型过程对使用阶段的影响，并与设计使用阶段未考虑施工过程的一次性加载过程进行对比分析。

由图6a、图6b可见，两次提升方案过程引起的主楼侧向变形39.2mm比设计一次性加载7.2mm状态略大， 但对主体结构影响很小，主体结构高248.2 m, 侧向变形与结构总高的比值仅1/6332，满足设计1/500的要求；两次提升施工成型后结构的竖向变形值比设计一次性加载状态更小，最大的竖向变形54mm出现在钢连廊中部，为钢连廊跨度63.2m的1/1170,可满足设计1/250的限值要求。

图7可见，在1.3倍恒载+1.5倍活载作用下，对于与钢连廊主桁架相连的外框柱应力，考虑结构施工成型过程柱应力最大值为55.7MPa，比设计一次性加载42.1 MPa略大，但距Q460+C60钢管混凝土柱的设计强度要求有较大富裕，此外，与外框柱连接的核心筒拉应力不超过1MPa，可满足设计要求，表明钢桁架两次提升过程引起结构主楼受力均匀，受力合理；考虑施工成型过程钢连廊主桁架应力比设计一次性加载大，最大组合应力为140 MPa，杆件采用Q460钢材，应力比仅为0.3，可满足设计要求。可以确定分两次提升，并进行一次吊点转换的施工方案安全合理，对设计使用状态影响小，最终确定两次整体提升的施工方法。

步骤二、预变形控制。

基于步骤一，确定分两次提升钢连廊的施工方法。如图3所示，在主楼外框柱牛腿梁处设置提升吊点提升钢连廊上部四层，提升就位后嵌补钢连廊与主楼间的连接杆件，与主楼形成稳定的门式体系后，再将提升吊点转移至上部钢连廊底部节点处提升钢连廊下部四层，并嵌补钢连廊间及下部钢连廊与主楼间的连接杆件。

提升钢连廊前，主楼在自重及施工荷载下已产生了竖向变形，钢连廊应提升至主楼发生竖向压缩变形后的位置，二次整体提升钢连廊施工过程复杂，涉及到不同的施工过程、边界条件、荷载情况，涉及提升吊点的转换及杆件的连接，为保证钢连廊施工成型后可满足后续设计使用要求，对钢连廊进行施工及使用阶段结构的预变形分析，确定钢连廊加工的预拱值。

对钢连廊结构分析时，将主楼材料密度取为零，使其不发生竖向变形，从而确定钢连廊施工全过程的预变形。通过时变力学分析，考虑结构施工成型过程对使用阶段的影响，施加结构使用阶段的附加恒载与0.5倍的活载，确定钢连廊最终的预拱值如图8所示。

步骤三、制作、拼装钢连廊。根据预拱值预拱钢连廊，然后将钢连廊拼装成包括上部四层钢连廊的第一提升部与下部四层钢连廊的第二提升部。

在地面设置胎架，拼装钢连廊结构。可根据工期要求及地面结构的实际承载能力确定钢连廊的拼装与加固方案。如果工期紧张，建议在加固拼装场地后，一次性完成钢连廊结构的拼装，拼装过程中将第一提升部搁置在第二提升部上，不连接待嵌补杆件。如果工期允许，可先在地面上设置胎架拼装第一提升部，将第一提升部提升至设计位置后，再在地面拼装第二提升部，分两次在地面拼装钢连廊结构可显著减少拼装过程对地面结构的压力，降低地面加固费用。

步骤四、布设提升装置，以便转换吊点。

提升第一提升部前，依据被提升钢连廊的重量、液压提升装置的承载能力、主体与桁架结构节点的连接做法确定提升装置并完成液压提升装置1的布设。在与钢连廊四榀主桁架相连的主楼外框柱各节点处分别设置四个提升吊点2提升第一提升部，如图9、图10所示，每个提升吊点处设置一个200 t的液压油缸，液压油缸的安全系数为2.42-2.63，并设置临时斜杆3加固提升装置。提升吊点与相邻的主楼结构外框柱4的中心距离为3.475m, 即保证了提升过程钢连廊结构不与主体牛腿节点发生碰撞，也保证了杆件嵌补段长度不小于0.5 m。正式提升前加固提升装置端部及提升吊点处，确保钢连廊第一次提升的顺利实施，见图10。

第一提升部提升就位并嵌补连接杆件后，主楼与上部连廊已建立了有效的连接，形成了稳定的结构体系，较两个主楼单体受力有了较大的改善，依据第二提升部同步提升各提升吊点反力在第一提升部5四榀主桁架下部节点处分别设置八个提升吊点，如图10所示，在每个提升吊点处设置一个200 t的液压油缸，液压油缸的安全系数为1.80-2.61，同时在第二提升部6上增设临时加固竖腹杆，确保钢连廊第二次提升的顺利实施。

步骤五、提升第一提升部和第二提升部。

正式提升钢连廊结构前，先试提升，依次增大提升钢连廊载荷比例的20%、40%、60%、70%、80%、90%、95%、100%分级加载至钢连廊结构全部离地；将连廊结构试提升1000mm后，在空中悬停24小时，检查节点焊接质量、提升平台、地锚支架，探伤提升吊耳。试提升确认无问题后对桁架结构进行正式提升。提升过程中应对提升结构进行抗风控制及不同步提升控制。

提升过程中的抗风控制：由于风荷载的作用，两个提升部在提升过程均会产生水平位移。水平位移S=F(L-h )/G，按照刚度K=(L-h )/G对提升吊点施加水平弹性约束，其中F为提升部受到的风荷载值，G为吊点提升力，L为提升装置据地面的距离，h为提升部被提升高度。各提升部受到的水平约束随被提升高度的增加而增大，但风荷载亦随着提升高度的增加而增大，因此提升过程中，两个提升部结构在风荷载作用下的侧向变形随提升高度的增加均呈现先增大后减小的趋势，计算分析表明风荷载作用下第一提升部结构在提升高度为60 m时水平位移最大，第二提升部结构在提升高度为50 m时水平位移最大。

依据现行提升规范，不拉缆风绳，提升时风速需控制在六级风以内，在第一提升部上施加六级风荷载，将风速设定在六级风的最大值v=13.8 m/s，提升高度60 m时，Y方向侧移3.10m，与主楼连接的X方向侧移为1.57 m，会与主楼外框柱节点发生碰撞，不能满足安全提升的要求。实际提升时Y向风荷载引起的侧向位移更大，但因X向与主楼单体直接相连，由主楼外框柱与钢连廊的节点连接做法及提升支架的布设，确定钢连廊X向侧向位移不超过500 mm，从而确定提升允许的最大风压（风速等级）。将风速设定在三级风的最大值v=5.4m/s 时，如图11所示 ，第一提升部在风载荷作用下X向最大变形为353mm，第二提升部在风载荷作用下X向最大变形为254 mm，均可满足X向安全提升距离不超过500 mm的要求。由此确定将风速控制在三级风以内提升钢连廊结构，提升过程中在各提升部放置风速计，当提升时风速超出三级风时，立即悬停，停止提升，用缆风绳拉倒链，固定在主楼结构柱上。

第二提升部提升就位又未与第一提升部结构及主楼形成有效连接时，此时风荷载作用较为不利，施加十年一遇风荷载进行连体结构的抗风分析。如图14所示，连体结构对Y向风荷载更为敏感，在1.0恒载+1.0Y向风荷载作用下连体最大变形为93.7mm，侧向变形与结构总高的比值仅1/2649，满足设计1/500的要求，在1.3恒载+1.5Y向风荷载作用下连体结构的最大组合应力为224 MPa，满足Q460钢材设计强度要求，因此第二提升部提升就位，未嵌补连接杆件时，连体结构抗风满足要求。

不同步提升控制：

提升过程中各提升吊点不可能完全同步，提升快的吊点的提升力会大于理论值，提升慢的吊点提升力小于理论值，甚至卸力，导致被提升结构发生内力重分布，存在安全隐患，因此需进行不同步提升控制。实际提升过程中采用变形与载荷双控，依据提升规范控制提升吊点间的变形差，同时通过液压装置控制实际提升力不超过理论分析值的1.2-1.3倍。

钢连廊两次提升过程中，因结构形式、吊点数量不同，采用不同的不同步控制方法。第一提升部包含两个独立子结构，取一个子结构进行不同步提升控制。因子结构间相互独立，单个子结构只有四个吊点，且两榀主桁架间的框架连接较弱，子结构对各吊点的不同步提升并不敏感。在第一提升部子结构各吊点同步提升力最大值处加200 mm向上强迫位移时，仅有个别杆件达到设计强度，此时最大提升力仅比各吊点同步提升时大了10.67%，如图13所示。因此依据提升规范对第一提升部进行提升过程中的变形控制，即控制相邻吊点的不同步竖向变形差不超过25 mm，较远吊点的不同步变形差不超过50 mm。

第二提升部结构完整，整体刚度大，设有八个提升吊点，对不同步提升位移十分敏感。在各吊点同步提升力最大值处仅施加7 mm向上强迫位移时，该点提升力比同步提升时增大20%，此时提升杆件应力均很小，如图9、图14所示。因此第二提升部不同步提升控制由最大提升力控制，即控制各吊点的提升力不超过同步提升力的1.2倍。

步骤六、嵌补杆件。

将钢连廊提升至设计位置后，嵌补钢连廊与主体结构间及钢连廊两提升部间的连接杆件，对于两个提升部结构杆件的嵌补，均应遵循以下嵌补顺序。1、嵌补与提升过程临时加固杆件不冲突的连接杆件；2、卸载提升装置；3卸载临时加固杆件（临时加固竖腹杆除外）；4、连接与临时加固杆件冲突的嵌补杆件；5、卸载临时加固竖腹杆。图15为两个提升部嵌补完成后连体结构在自重荷载下的竖向变形与应力，其中最大竖向变形为54mm，最大杆件应力为145.1MPa，满足施工安全及钢材设计强度要求，两次嵌补过程安全。

Claims (9)

1.一种超高层顶重型钢桁架连廊多次提升的施工方法，其特征在于，本方法包括如下步骤：

S.1、依据钢连廊提升过程对主体结构的影响确定提升次数；

S.2、预变形控制，根据钢连廊的预变形量确定钢连廊的预拱值；

S.3、制作、拼装钢连廊，根据S.1确定的提升次数将钢连廊拼装成多个提升部，根据S.2的预拱值预拱钢连廊；

S.4、布设提升装置，以便转换吊点；

S.5、逐次提升钢连廊，

试提升，第一提升部悬停后转移载荷至地面，检测探伤合格后正式提升，并进行安全控制，提升到位后与主楼单体固定后卸载提升装置，

吊点转换，在第一提升部下设吊点，提升下一级提升部，根据S.1确定的提升次数逐次完成钢连廊各提升部的提升。

2.如权利要求1所述的一种超高层顶重型钢桁架连廊多次提升的施工方法，其特征在于，所述S.1包括：

S.1.1、考虑钢连廊施工成型过程对主体结构的影响，保证主体结构施工全过程的受力与变形满足要求，从而确定钢连廊单次提升的最大重量；

S.1.2、依据钢连廊单次提升的最大重量确定将钢连廊分N次进行整体提升；

S.1.3、分析施工成型后主体结构的受力与形位，验证N次提升钢连廊是否满足设计要求。

3.如权利要求1所述的一种超高层顶重型钢桁架连廊多次提升的施工方法，其特征在于，所述S.2中：考虑钢连廊施工成型过程，在有限元分析软件中对施工成型后的钢连廊继续施加使用阶段的恒荷载和活荷载，确定钢连廊的预拱值。

4.如权利要求2所述的一种超高层顶重型钢桁架连廊多次提升的施工方法，其特征在于：所述S.4中布设提升装置时在主楼单体的外框柱节点处布置提升吊点用以提升第一提升部，第一提升部下布置提升吊点用以提升下一级提升部。

5.如权利要求1所述的一种超高层顶重型钢桁架连廊多次提升的施工方法，其特征在于，所述S.5中：试提升时，依次增大提升钢连廊载荷比例的20%、40%、60%、70%、80%、90%、95%、100%，分级加载至钢连廊悬空；钢连廊提升到900至1100mm后将负载转移至下锚，锁定上锚，悬停22-26小时，检查探伤。

6.如权利要求1所述的一种超高层顶重型钢桁架连廊多次提升的施工方法，其特征在于，所述S.5中安全控制包括抗风控制和不同步提升控制。

7.如权利要求6所述的一种超高层顶重型钢桁架连廊多次提升的施工方法，其特征在于，所述抗风控制包括：

计算钢连廊提升过程中在六级大风下产生的最大水平位移，确定提升过程中出现最大水平位移的提升高度；

由提升装置的布设及主楼与钢连体的节点连接做法确定提升过程中允许的最大安全距离；

施加风载荷，确定不同等级风速下提升部出现的最大摆副；

确定能进行提升的最大风速等级及对应不同提升高度的允许风速；

在各提升部上设置风速计，若提升过程中实测风速小于允许风速则可进行提升，若提升过程中实测风速超过允许风速，提升部悬停并与主楼单体固定。

8.如权利要求6所述的一种超高层顶重型钢桁架连廊多次提升的施工方法，其特征在于，所述不同步提升控制采用在各提升部同步提升各吊点最大提升力处施加向上的强迫位移。

9.如权利要求1所述的一种超高层顶重型钢桁架连廊多次提升的施工方法，其特征在于，所述第一提升部提升到位后嵌补与主楼单体之间的连接杆，后续各提升部提升到位后嵌补与上一级提升部以及主楼单体之间的连接杆。

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