大型钢结构连接体施工控制及结构加固研究

1 引言

目前，随着我国大跨度钢结构的发展，对施工技术提出了越来越高的要求，为达到设计效果和使用要求，人们对大跨度结构的施工技术及施工过程中表现出的诸多力学及技术问题愈来愈重视。越来越多的设计和施工人员已认识到安装方案及施工计算的重要性。对于现代大型和大跨度复杂钢结构的成型过程一般要通过吊装或滑移或顶(提)升或其他施工技术从一系列准结构逐渐集成形成最终结构的过程，结构可能在施工过程中结构失去平衡而倾覆，或由于结构或构件失去稳定而倒塌，或由于局部构件或节点的强度不足而破坏。所以，根据工程实践研究大型钢结构施工控制和结构成型效果显得十分必要。本文通过大型连廊钢结构的安装、提升控制及结构加固实践，研究大型钢结构施工控制技术及力学分析、演算、加固等，为类似工程提供有价值的参考。

2 大型钢结构施工控制技术

近年来，大跨度钢结构的施工整体提升项目愈来愈多，如近年来完成的北京西客站巨型桁架、北京首都国际机场四机位库、上海大剧院、深圳市民中心、广州新白云国际机场10号机库[1]、澳门多功能体育馆主桁架[2]等。大型钢结构在安装提升过程中，应重点解决两个问题：一是被提升的结构和提升柱不应该遭受损伤和破坏；二是提升系统的设计和计算。当然在提升过程中可以人为地改变结构提升过程的受力状态。有两种处理措施：一是根据提升柱刚度及稳定性的强弱程度，可以调整提升柱之间提升力的大小分布，把弱柱的提升力转嫁到强柱上以保证弱柱在提升过程中的安全，还要特别检验它的强度和稳定性。二是在一个提升柱中，可能由于两个提升力偏心不等对柱产生极为不利的影响，可以通过调整两个提升力的大小使柱达到或接近中心受压以改善柱子的受力状态。

整体提升过程可分为三个阶段。第一阶段是结

构脱离胎架；第二阶段是结构匀速提升；第三阶段是结构落位。首末两个阶段提升力的变化较大，它直接涉及到对提升柱与结构安全的影响，因为在结构脱离胎架和落位的过程中，提升点离开胎架和结构落到设计标高的先后顺序会引起提升力的较大变化。可以把这两个阶段比喻为飞机的起飞和降落,而第二阶段可比喻为飞机的平稳飞行。

为了防止在提升过程中由于提升点不同步对桁架强度和稳定性的影响，需进行不同步验算。提升系统中设置一个标准提升点，系统动态采样其他提升点的位移值，并保证差值在±15mm以内。千斤顶只能给结构提供向上的力，即仅能提供竖向的单向约束，所以对计算结果的合理性应加以检验，各提升点位移差的出现会使结构的受力状态发生改变，因此需要计算在可能出现位移差时结构的受力情况，以确保提升过程中桁架安全可靠。通过计算桁架体系在各种位移差工况下的杆件内力,并进行稳定分析，可以保证在提升过程中，只要严格控制各提升点与标准点之间的位移差不超过±15mm,那么结构是安全的。在实际提升过程中，由于提升点与标准点之间的位移差控制在允许范围内，桁架体系没有杆件发生局部失稳。

近年来，国内外出现了一些新型施工方法，如高空曲线滑移技术、预应力拱架结构施工成型技术[3、4]、网壳结构折叠展开施工技术[5]。而整套提升技术只需安装少量的脚手架，提升过程只耗费一天时间，较滑移法施工节省工程量20～40%，节省支架30～60%，缩短工期30%。

4 大型钢结构施工控制及加固实例

4.1 工程概况

上海振华港机连廊钢结构设计有两个连接体钢结构，分上下布置，平面型式一样。下部连体钢结构位于13F～16F之间，标高从+41.67米至+51.57米；上部连体钢结构位于23F～26F之间，标高从+74.67米至+84.7米；平面位置均位于A～H轴与8～12轴之间。单个连体钢结构体型尺寸约为38.5米（L）×30.8米（W）×9.9米（H），重量约为300吨。连接体主结构为双向正交的钢桁架结构。连廊结构里面示意图如图1所示。

本工程采用在地面整体组装，液压同步提升，空中对接落位的工艺进行安装。该工艺避免了钢连廊高空焊接对口，最大程度地保证了施工质量。本工程起吊单片钢桁架最重约20吨，H轴-N轴/8线-12线区域路基箱铺设重约431吨。所以要求对三层楼面和H轴-N轴区域的地下室顶地面的下层结构需要进行加固措施设计。

4.2 连廊钢结构整体提升吊装施工及控制方案

连廊钢结构吊装的关键工序为钢结构桁架于裙楼三层楼面的整体拼装。为保证拼装的精度，我们采取工厂加工制作与预拼装控制、起拱控制、温度影响控制、焊接收缩影响控制、地面拼装控制和高空对接控制（主桁架一侧设置500mm的预留段）的综合控制技术，在详图设计时就要充分考虑单片桁架的分段制作和运输进场。

在两塔楼主体结构施工过程中，我们安装连接连廊的劲性钢柱时，要求对该部位的垂直度、轴线位置、标高进行严格控制，以保证钢柱牛腿与连廊在空中准确对接；

在连廊钢桁架制作过程中，将现场实测的牛腿标高和轴线偏差数据反馈到加工厂。加工厂严格要求将主桁架GHJ-1、2、4于车间整体拼装制作，并严格控制单片桁架的平面度、对角线尺寸、起拱要求等，待焊接矫正完毕后再进行切割分段出厂（分段切割处设置现场拼装耳板以保证尺寸精确和现场拼装速度）。同时要求与现场钢柱牛腿连接的柱桁架GHJ-1、2的两端头各预留100mm余量于现场根据实际情况进行调整；

在连廊于裙楼三层楼面整体拼装的过程中，我们要求使用激光测距仪将主体结构钢柱牛腿的标高、间距、轴线位置等复测的实际数据反馈到连廊的地面整体拼装中，并反复复核对角线和标高，再对车间预留余量进行调整和现场磁力钻孔处理；

液压整体提升过程中，严格控制8、12线/A、C、F、H轴8个液压提升器的提升速度和整体均衡性，使整体连廊在一个平面内稳步上升并准确对接；

在主桁架（GHJ1和GHJ2）同钢柱的连接端的一侧上下弦杆和腹杆设置500mm预留段，待带连梁提升就位一侧进行临时固定后复测实际尺寸，对预留段进行修整后，进行连接，确保连廊提升的顺利和快速。

4.3 结构加固方案设计

本工程钢结构连廊施工由于施工条件限制，连廊吊装采用液压整体提升技术进行吊装，所以连廊整体预拼装需要在裙楼三楼楼面的预拼装胎架上进行。经设计部门复核，位于砼柱顶上的21根胎架柱，受力不存在问题，但位于混凝土梁上的19根胎架柱，混凝土梁受力超出设计荷载，需要采取加固措施。由于南面01A轴/8、12轴有高压电线和建筑红线边上的其他单位小厂房障碍而无法行走吊车，所以吊车吊装区域安排在H~N轴/8~12线地下室顶地面（-0.05米标高）上进行，所以需要对H~N轴/8~12线吊车行走区域进行加固处理。

由于地下室顶板为反梁，不方便行车，同时也考虑到维护顶板不被损坏，要求在行走吊车时先在反梁上铺设路基箱，路基箱下面铺满黄沙，以保证在吊车行走时形成均布荷载，但由于路基箱支点在两反梁上连接，所以反梁将要承受绝大部分的竖向荷载，所以首先需要对砼反梁进行特别的单独的加固处理。

加固体系直接采用key248×3.5钢管及可调支托加固，计算体系中，结构楼板为受弯结构,需要验算其抗弯强度和刚度。楼板板的按照三跨连续梁计算。取500mm宽楼板为计算单元，依次进行了框架梁计算、支撑钢柱计算和裙房大堂处加固计算等，通过设计验算，地下室需要采用φ219X10的钢管支撑顶撑加固,加固设施的设置布置图及节点如图2所示。

裙房大堂处加固采用扣件式钢管支撑加固地上部分架体搭设高度为8.65米，通过与设计方沟通楼板设计承载为15KN/㎡，最大拼装重量为65吨。为保证结构安全性，验算过程中不考虑大厅顶板设计承载。因原大厅模板未拆除（立杆的纵距 b=0.50米，立杆的横距 l=0.50米，立杆的步距 h=1.20米剪力撑沿纵、横向设置每六排设置）仅需加固地下部分，如图3所示。同样采取同位搭设，并采用可调支托。

5 结论

(1)施工过程控制是保证大型钢结构施工过程安全可控的重要手段。本文采用的方法可以借鉴到其它类似的高层钢结构和桥梁结构中。

(2)本文提出的大跨度钢结构施工控制方案进行分析与计算，也可以使用模拟软件上使之更为形象直观。

(3)施工过程结构加固方法，对大型钢结构施工安全和效果提供了保证，有助于确立更为有效、经济的施工方案。

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