大型鋼結(jié)構(gòu)施工中的力學(xué)原理整體提升法

1、整體提升法的介紹及應(yīng)用隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，各類工程建設(shè)項(xiàng)目規(guī)模日益擴(kuò)大，重大工程項(xiàng)目包括高聳結(jié)構(gòu)、大跨結(jié)構(gòu)、超高層結(jié)構(gòu)以及一些復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)等日益增多。這些工程的共同特點(diǎn)是施工規(guī)模大、范 圍廣、周期長、過程復(fù)雜。如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)勢必給工程施工帶來更大的挑戰(zhàn)，在土木工程建設(shè)規(guī)模 迅速發(fā)展的同時(shí)，建筑施工中事故不斷增多，嚴(yán)重影響人民的生命財(cái)產(chǎn)安全及工程建設(shè)速度。工程 事故產(chǎn)生的原因是多方面的. 其中很多事故是源于設(shè)計(jì)者與施工企業(yè)對施工方法或施工過程對結(jié)構(gòu) 的影響估計(jì)不足。事實(shí)表明大型復(fù)雜建筑物從開始施工建設(shè)到投入使用，再到若干年后進(jìn)入老化維修階段的整個(gè)生命周期過程中，施工階段因結(jié)構(gòu)的不完整性、

2、材料性質(zhì)的時(shí)變性、所受荷載的復(fù)雜 性以及結(jié)構(gòu)抗力的不成熟性，結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)險(xiǎn)率最高，失效概率最大。特別對大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程 而言，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工方法繁瑣及鋼構(gòu)件本身易失穩(wěn)的特性決定了其在施工階段的風(fēng)險(xiǎn)率要 比普通混凝土結(jié)構(gòu)更高。常用的施工方法高空散裝法高空散裝或滿堂腳手原位拼裝法高空散裝法是指結(jié)構(gòu)小拼單元或散件直接在設(shè)計(jì)位置進(jìn)行拼 裝的方法，施工時(shí)有滿堂腳手架和懸挑法兩種，前者廣泛用于網(wǎng)架和網(wǎng)殼的施工，尤其適宜螺栓球 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架的施工；后者國外施工多用，并曾用于混凝土薄殼的施工。高空散裝法屬于滿堂腳手架原 位拼裝方法，單件重量輕，垂直運(yùn)輸無需大型起重設(shè)備，工序簡單；但是需要架設(shè)腳手架，周期長

3、、費(fèi)用高，高空作業(yè)量大，精度難以控制，輔助材料多，費(fèi)用高。地面吊裝法吊裝法分為分段吊裝法和整體吊裝法。分段吊裝法是指將結(jié)構(gòu)根據(jù)自身形式分成塊狀單元，分別由起重機(jī)械吊裝至高空設(shè)計(jì)位置就位.然后再拼裝成整體的安裝方法。此方法的特點(diǎn)是大部分焊接、拼裝工作在地面進(jìn)行，有利于控制施工質(zhì)量并可省去大量拼裝作支架，但結(jié)構(gòu)分段后需要考慮臨時(shí)加固措施，后拼桿件、單元接頭處仍然需要搭設(shè)拼裝胎架。國家大劇院采用的安裝方法是工 廠分段制作，場外立體預(yù)拼，單件綜合安裝。整體吊裝法則是把整個(gè)結(jié)構(gòu)在地面拼裝完畢，采用一臺或多臺吊機(jī)整體吊裝至設(shè)計(jì)位置的安裝方法，東海大橋橋頭堡、哈爾濱國際會展中心張弦桁架的安裝施工即采用的整體

4、吊裝方法。高空滑移法高空滑移法是指將整個(gè)結(jié)構(gòu)分為幾個(gè)條狀的結(jié)構(gòu)單元在事先設(shè)置的軌道上滑移到設(shè)計(jì)位置拼接成整體的安裝方法，此條狀單元可以是在地面拼裝后吊裝至拼裝胎架上，也可以分段，小拼單元甚至散件在高空拼裝胎架上拼成滑移單元。根據(jù)滑移過程方式的不同， 可以分為單片滑移法和累積滑移法。國家體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用了地面分段組裝、分段吊裝、高空整根拼裝、縱向桁架橫向 帶索累積滑移的施工方法。高空滑移施工祛的重點(diǎn)在于高空拼裝平臺的選擇，滑移軌道的設(shè)置，牽 引力的計(jì)算及同步控制的精度等問題。整體提升法（后面詳細(xì)介紹）懸臂分段施工法懸臂安裝法是利用已安裝好的結(jié)構(gòu)作為后續(xù)結(jié)構(gòu)安裝的工作面，順序逐步安裝的方法，如

5、漳州后石電廠圓形煤場網(wǎng)殼即采用的懸臂分段安裝法。懸臂拼裝法一般用在鋼斜拉橋的施工中，通常主梁節(jié)段在工廠預(yù)制， 然后在現(xiàn)場逐節(jié)對稱拼裝，拼裝時(shí)需要注意已成粱段和安裝粱段相對高差的控制，確保主梁線形與設(shè)計(jì)一致。 上海盧浦大橋水上部分拱肋即采用斜拉扣索法懸臂拼裝進(jìn)行施工。以上是常用的幾種施工方法的簡單介紹，下面就整體提升法作一個(gè)較為詳細(xì)的介紹。整體提升法概念：鋼結(jié)構(gòu)整體提升安裝技術(shù)是指鋼結(jié)構(gòu)在地面或適當(dāng)?shù)牟课唤M裝成整體或整個(gè)單元，采用多臺提升機(jī)械提升安裝至設(shè)計(jì)位置的特種安裝工藝。應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，可以顯著減少結(jié)構(gòu)安裝時(shí)的高空作業(yè)，有利于提高質(zhì)量控制，作業(yè)安全和施工效率。提升機(jī)械可以是卷揚(yáng)機(jī)組，也可以是液

6、壓提升（頂 升）設(shè)備。整體提升法發(fā)展：早在二十世紀(jì)五十年代國外便采用整體吊裝法對大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了施工并取得成功， 積累了一些經(jīng)驗(yàn)，但由于技術(shù)保密等原因，一直沒有公開的技術(shù)資料。國內(nèi)學(xué)者對于整體吊裝施工方法及施工控制的研究早期主要集中在橋梁工程的相關(guān)領(lǐng)域。而對大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的相應(yīng)研究則較少。由于大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)在整體吊裝施工過程中表現(xiàn)出的力學(xué)問題和橋梁工程有較大的差異，使得對于橋梁工程領(lǐng)域的研究不能被借用，從而導(dǎo)致我國對于大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝施工方法的研究相對滯后。建筑鋼結(jié)構(gòu)采用整體提升安裝技術(shù)在國內(nèi)始于20世紀(jì)70年代，比較典型的工程實(shí)例如上海文化廣場鋼網(wǎng)架屋蓋， 上海萬人體育館鋼

7、網(wǎng)架屋蓋的整體提升安裝；原上海青海路電視塔的整體起扳安裝等。這些工程均采用卷揚(yáng)機(jī)群提供整體安裝的動力。隨著技術(shù)的發(fā)展，到了 20世紀(jì)90年代，我國才開始對大型鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝施工技術(shù)進(jìn)行研 究，并先后應(yīng)用于上海東方明珠廣播電視塔鋼天線桅桿超高空整體提升、北京西客站主站房1 8 00 t鋼門樓整體提升， MFGA會展中心鋼結(jié)構(gòu)屋蓋整體吊裝等一系列重大建設(shè)工程。雖然施工最終獲得了成功，但其中存在的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性等問題并未得到很好解決。因此，迫切需要針對結(jié)構(gòu) 在實(shí)際施工過程遇到的具體問題提出系統(tǒng)性的解決方案。計(jì)算機(jī)控制，鋼絞線承重，集群液壓千斤 頂提供動力的整體提升技術(shù)取代卷揚(yáng)機(jī)，開始在機(jī)場航站樓，大

8、型機(jī)庫，體育會展場館，超高層建 筑等鋼結(jié)構(gòu)施工中得到廣泛的運(yùn)用。2001年完成的河南南陽鴨河口電廠干煤棚網(wǎng)架采用了國內(nèi)首創(chuàng)的折疊展開提升安裝工藝，豐富了整體提升技術(shù)；2002年完成的深圳使命市民中心焊接球網(wǎng)架鋼屋蓋采用了低位拼裝，兩次整體提升的施工工藝，提升重量為2650T,提升高度為 46M; 2003年完成的廣州新白云機(jī)場五機(jī)位維修庫是當(dāng)時(shí)亞洲規(guī)模最大的機(jī)庫，提升重量為4650T,提升高度為26M ; 2006年完成的國家圖書館二期鋼結(jié)構(gòu)整體提升工程提升重量達(dá)到了10388T; 2007年完成了重達(dá)1萬T,面積達(dá)4萬itf的世界上面積最大，跨度最大，重量最大的首都機(jī)場A380飛機(jī)維修庫鋼屋

9、蓋整體提升工程。在上海世博會場館建筑中，這一新技術(shù)也得到了應(yīng)用。整體提升法技術(shù)簡介：目前大多數(shù)采用由計(jì)算機(jī)控制的液壓千斤頂集群作業(yè)的成套設(shè)備。該設(shè)備一般由承重，執(zhí)行 和控制等部分組成，以立柱和鋼絞線等為承重部件，以液壓千斤頂為執(zhí)行部件，以電氣和計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)為控制部件。立柱作為承載千斤頂組的基礎(chǔ)，承擔(dān)所有被提升結(jié)構(gòu)和機(jī)具的重量；鋼絞線作為提 升索具，與千斤頂?shù)膴A片錨具配合傳遞提升力，實(shí)現(xiàn)提升過程中結(jié)構(gòu)件的上升（下降）和鎖定；液 壓千斤頂由液壓泵站提供動力，通過油缸的升縮和上下錨具的交替置換，實(shí)現(xiàn)提升動作；電氣和計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)各類位置和荷載傳感器的信號，結(jié)合同步（異步）或荷載控制的要求，下達(dá)各類

10、作業(yè) 命令。由計(jì)算機(jī)控制的液壓千斤頂集群作業(yè)設(shè)備進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)整體提升作業(yè)，具有組合靈活，控制精 細(xì)，自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)特大型結(jié)構(gòu)和超重結(jié)構(gòu)的整體提升。整體提升施工方法的基本步驟為：首先在地面拼裝好鋼屋蓋的各級桁架及其內(nèi)部必要的支撐 體系，然后以安裝在各鋼柱頂部的提升支架作為支座，在其上布設(shè)穿心式千斤頂并通過鋼絞線將鋼屋蓋整體提升，最后待鋼屋蓋整體提升到設(shè)計(jì)位置時(shí)再超提升一定高度，然后逐點(diǎn)落位并與支柱的鋼牛腿連接。整體提升操作的注意事項(xiàng)：整體提升前準(zhǔn)備工作鋼結(jié)構(gòu)提升前應(yīng)具備與提升有關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)，提升平臺，千斤頂，鋼絞線，液壓泵站及自動控制系統(tǒng) 等各項(xiàng)目的質(zhì)量保汪資料，對每一道施工工序，卻有

11、一套嚴(yán)格的質(zhì)量驗(yàn)收制度，并有詳細(xì)的施工原 始記錄，保證每一道工序質(zhì)量均滿足要求，在提升前對并鍵的記錄，保證每一道工序質(zhì)量均滿足要 求，在提升列關(guān)鍵的部位， 鋼結(jié)構(gòu)各重點(diǎn)的錨固情況，千斤頂部位及錨夾具，油泵，自動控制系統(tǒng),進(jìn)行全面檢查，并填寫書面記錄，確認(rèn)一切正常才能提升，對安裝及配備的指揮系統(tǒng)的通訊設(shè)備， 必須經(jīng)過試用，配備好全部工作人員及勞動力，對所有參加提升工作的人員必須進(jìn)行認(rèn)真培訓(xùn)，為保證提升一次成功，在一切就緒情況下，進(jìn)行預(yù)演習(xí)。整體提升應(yīng)急措施(1)設(shè)備、材料保證措施提升過程中配備足夠的備用材料，設(shè)備及修理工具和維修人員。(2)鋼結(jié)構(gòu)與周圍結(jié)構(gòu)相碰在提升鋼結(jié)構(gòu)頂部安裝報(bào)警器，若鋼結(jié)構(gòu)

12、與周圍結(jié)構(gòu)相碰，則自動報(bào)警，并馬上停止提升，分別相 碰的原因，若是伸出結(jié)構(gòu)的鋼筋接駁器或預(yù)埋件則用氣之除，是局部碎凸出側(cè)鑿除部分另凸碎等措施，如當(dāng)由于結(jié)構(gòu)側(cè)向位移過大而碰時(shí)，則應(yīng)采用先安裝鋼結(jié)構(gòu)支座鋼立柱澆碎部分立柱碎，分節(jié)提升等非常措施。(3)防風(fēng)措施選才i l周內(nèi)風(fēng)力小于6級的天氣，若遇地面 6級以上的風(fēng)力，要停止提升，并在鋼結(jié)構(gòu)和周圍結(jié)構(gòu) 之間的三個(gè)面加設(shè)限位裝置，防止鋼結(jié)構(gòu)與周圍結(jié)構(gòu)碰撞。試提升在確認(rèn)一切正常后，試提升采用，逐步加載進(jìn)行，鋼結(jié)構(gòu)開始離地。在每次加載后，均觀察周圍結(jié) 構(gòu)受壓后的側(cè)向位移及局部承壓，后錯(cuò)的錨固情況，鋼結(jié)構(gòu)的變形，提升鋼平臺的變形，各吊點(diǎn)錨 固情況，有無變形，

13、千斤頂，鋼絞線，及錨夾具，油泵，自動控制系統(tǒng)的工作情況。提升過程的監(jiān)控措施(1)在一切準(zhǔn)備工作做完之后，且經(jīng)過系統(tǒng)的、全面的檢查無誤后，現(xiàn)場安裝總指揮檢查并發(fā)令后， 才能進(jìn)行正式提升。(2)根據(jù)預(yù)先通過計(jì)算得到的提升工況提升點(diǎn)反力值，在計(jì)算機(jī)同步控制系統(tǒng)中，對每臺液壓提升器的最大提升力進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)遇到提升力超出設(shè)定值時(shí)，提升器自動采取溢流卸載，以防止出現(xiàn)提升 點(diǎn)荷載分布嚴(yán)重不均，造成對結(jié)構(gòu)件和提升設(shè)施的破壞。(3)通過液壓回路中設(shè)置的自鎖裝置以及機(jī)械自鎖系統(tǒng)，在提升器停止工作或遇到停電等情況時(shí)，提升器能夠長時(shí)間自動鎖緊鋼絞線，確保提升構(gòu)件的安全。(4)在提升過程中，注意觀測系統(tǒng)的荷載變化情況等

14、，并認(rèn)真做好記錄工作。(5)在提升過程中，地面測量人員要測量各吊點(diǎn)離地的高度。(6)提升過程中應(yīng)密切注意提升地錨、鋼絞線、提升器、安全錨、液壓泵站、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)等的工作狀態(tài)。(7)通訊工具專人保管，確保信號暢通。提升到位后，保持鋼結(jié)構(gòu)屋蓋空中姿態(tài)，液壓提升系統(tǒng)點(diǎn)動微調(diào)，配合結(jié)構(gòu)對口就位。安裝預(yù)留的 后裝桿件鋼結(jié)構(gòu)屋蓋整體卸載落位。拆除液壓設(shè)備及控制設(shè)備，整體液壓同步提升作業(yè)結(jié)束。 整體提升法施工過程中應(yīng)注意的問題：目前，國內(nèi)外的很多學(xué)者都曾指出不同形式的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)在整體吊裝施工過程中存在的一些問題及相應(yīng)的注意事項(xiàng)。這里總結(jié)出以下8個(gè)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝時(shí)需要解決的關(guān)鍵

15、性 技術(shù)問題：(1)結(jié)構(gòu)拆撐過程的模擬分析；(2)提升吊索的垂直度保證；(3)施工中可能存在的突發(fā)問題對結(jié)構(gòu)性能的影響；(4)在施工過程中存在的剛體位移和彈性變形的耦合問題的影響；(5)施工過程中提升速率變化引起的動力效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響；(6)吊點(diǎn)的數(shù)量和位置的確定；(7)吊裝過程中各吊點(diǎn)移動不同步及其對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的影響；(8)施工中的變邊界問題的模擬計(jì)算方法；根據(jù)對于各個(gè)問題解決程度的不同，可以將上述問題分為兩大類。一類是可以通過一定的施工手段、先進(jìn)的施工技術(shù)以及現(xiàn)有的計(jì)算程序加以解決的問題；另一類則是目前的處理方法尚不完善，必須采用新的計(jì)算方法，選擇合理的控制參數(shù)進(jìn)行分析驗(yàn)算的問題。8個(gè)

16、問題中的前5個(gè)問題屬于第一類施工問題，對于該類問題目前已經(jīng)形成了較為成熟的解決方案，并已成功的應(yīng)用于實(shí)際的施工過程中。以下將對各個(gè)問題相應(yīng)的解決方法加以論述。結(jié)構(gòu)拆撐過程的模擬分析在大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝施工過程中常常需要增加一些臨時(shí)支撐與結(jié)構(gòu)一起組成一個(gè)穩(wěn) 定可靠的工作系統(tǒng)。在永久結(jié)構(gòu)成型以后，這些臨時(shí)支撐將會被拆除掉。此時(shí)，拆撐造成的內(nèi)力重 分配可能會對結(jié)構(gòu)的局部受力產(chǎn)生較大的影響。在施工過程中，施工人員所采取的拆撐方案不同， 拆撐過程對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響程度也不盡相同，因此拆撐的方案設(shè)計(jì)以及在拆撐過程中結(jié)構(gòu)受力分析方法的選擇都是十分關(guān)鍵的問題。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的拆撐方案時(shí)應(yīng)該考慮以下幾個(gè)原則：受力

17、體系轉(zhuǎn)化引起的內(nèi)力變化應(yīng)是緩慢的 過程：參與受力的各桿件應(yīng)處于彈性狀態(tài)并逐漸趨近設(shè)計(jì)狀態(tài)，不允許結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)永久變形； 各支撐點(diǎn)的卸載變形應(yīng)當(dāng)協(xié)調(diào)；拆撐應(yīng)易于控制、安全可靠。同時(shí)有文獻(xiàn)提出了分析拆撐對結(jié) 構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力影響的方法，即MEKA法。MEKA法又稱生死單元法，通過“激活”或者“殺死”在計(jì)算模型中已經(jīng)存在的單元來改變結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，從而表征各個(gè)單元對結(jié)構(gòu)受力的影響。這種方法由于建立在功能強(qiáng)大的 ANSY拜臺之上，應(yīng)用比較簡單，結(jié)構(gòu)在不同施工階段的內(nèi)力和變形的分析 可以采用同一個(gè)計(jì)算模型完成，大大地節(jié)省了時(shí)間，提高了效率。施工中可能存在的突發(fā)問題對結(jié)構(gòu)性能的影響有文獻(xiàn)針對提升過程中的意外情況

18、（大風(fēng)、雷雨、停電等）可以采取如下措施：掌握短期內(nèi)天氣預(yù)報(bào)；保證電力供應(yīng)協(xié)調(diào)：提升控制系統(tǒng)應(yīng)具有超差或斷電停機(jī)保護(hù)功能；一旦高差超 差，系統(tǒng)自動停機(jī)，系統(tǒng)進(jìn)入安全行程狀態(tài)后，檢查超差停機(jī)原因；具有防止結(jié)構(gòu)在提升過程中 因風(fēng)載荷而產(chǎn)生擺動的措施（如滑輪、纜風(fēng)繩等）。在施工過程中存在的剛體位移和彈性變形的耦合問題對結(jié)構(gòu)的影響結(jié)構(gòu)在整體施工的過程中會存在一個(gè)相當(dāng)大的剛體位移，因此，有人會認(rèn)為剛體位移和結(jié)構(gòu) 構(gòu)件彈性變形的同時(shí)存在而產(chǎn)生的耦合效應(yīng)將使得結(jié)構(gòu)中某些構(gòu)件的內(nèi)力發(fā)生變化。從理論上對 這問題進(jìn)行計(jì)算與分析具有一定難度，這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的基于位移的有限元方法只能應(yīng)用于動定的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，而不能對這種

19、混合變形問題進(jìn)行求解。當(dāng)結(jié)構(gòu)中某點(diǎn)處的剛體位移超過限度時(shí)，會 導(dǎo)致總體剛度矩陣奇異而使得計(jì)算無法進(jìn)行下去。表面看來剛體位移和彈性變形的耦合對結(jié)構(gòu)的作用是一個(gè)很棘手的問題，但是在實(shí)際的施工過程中，這一問題是可以通過采取相應(yīng)的施工手段來避免的。一般的做法是：在起吊的初始階段通過分步加載的方法使整個(gè)結(jié)構(gòu)只發(fā)生彈性變形而并不產(chǎn) 生剛體位移，當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的形態(tài)，并且各吊點(diǎn)的提升力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)再進(jìn)行整體提升。當(dāng) 結(jié)構(gòu)升起后，則需要嚴(yán)格控制速度使提升緩慢進(jìn)行，這樣就使得結(jié)構(gòu)在只存在剛體位移而不會存在額外的彈性變形。換言之，在整體施工的過程中是可以通過采用合理的施工方式將剛體位移和彈性 變形分開考慮的，

20、這在施工行業(yè)里被稱之為“姿態(tài)控制”。施工過程中提升速率變化引起的動力效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的整體吊裝施工是一個(gè)相對慢速的過程，通常情況下需要幾天甚至十幾天，因此在吊裝過程中速率對結(jié)構(gòu)的動力影響是可以忽略的。然而，吊裝機(jī)具在啟動和制動瞬間對結(jié)構(gòu)的動力影響是必須考慮的。有文獻(xiàn)指出，在設(shè)備啟動或制動時(shí)產(chǎn)生的沖擊荷載作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的 受力與采用靜力分析方法得到的結(jié)果是有一定差別的，但是由于阻尼的存在，結(jié)構(gòu)構(gòu)件最終的 內(nèi)力和位移都趨近于靜力分析方法的相應(yīng)計(jì)算結(jié)果。為了安全起見，建議通過將結(jié)構(gòu)的靜力分析結(jié)果乘以1 . 2-1 . 6的動力系數(shù)來考慮設(shè)備啟動或制動時(shí)對整個(gè)結(jié)構(gòu)的動力影響。上述的各

21、個(gè)問題是在大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝施工過程中較為常見的問題，其相應(yīng)的處理 方法具有一定的通用性，可以被其他類似工程借用。8個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)問題中后 3個(gè)屬于第二類施工問題。其中吊點(diǎn)的數(shù)量和位置的選取以及吊裝 過程中吊點(diǎn)不同步限值的確定屬于參數(shù)控制問題；施工中變邊界問題的模擬計(jì)算屬于結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換問題。整體吊裝過程中參數(shù)控制問題的研究現(xiàn)狀及研究局限由于吊點(diǎn)的數(shù)量和位置的選取以及吊裝過程中吊點(diǎn)不同步限值的確定問題與結(jié)構(gòu)本身的一些 參數(shù)有關(guān)，因此將其歸為參數(shù)控制問題。吊點(diǎn)的數(shù)量和位置確定問題的研究現(xiàn)狀與研究局限如何選擇吊點(diǎn)是任何一項(xiàng)整體吊裝施工工程都無法避免的問題，結(jié)構(gòu)體系的不同決定了吊點(diǎn) 選取的原則也不

22、盡相同。我國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500172003）的第8. 6. 5條明確規(guī)定：對大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行吊裝階段的驗(yàn)算，吊裝方案的選定和吊點(diǎn)位置等都應(yīng)通過計(jì)算確定，以保證每個(gè)安裝階段屋蓋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定。然而，從目前的研究文獻(xiàn)所涉及的內(nèi)容不難發(fā)現(xiàn)，目前絕 大多數(shù)大跨度鋼結(jié)構(gòu)在進(jìn)行整體吊裝施工時(shí)都是以安裝機(jī)具的能力或者與下部土建的施工配和情 況等非結(jié)構(gòu)因素為原則確定吊點(diǎn)的數(shù)量與位置。僅有少數(shù)工程在根據(jù)現(xiàn)場情況確定吊點(diǎn)位置后考慮了由于吊點(diǎn)的設(shè)置對結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力和變形的影響，卻沒有工程從結(jié)構(gòu)本身的受力特點(diǎn)出發(fā)，分析其在進(jìn)行整體吊裝時(shí)應(yīng)采用的最優(yōu)的吊點(diǎn)數(shù)量以及最合理的吊點(diǎn)位置。有文獻(xiàn)以單根拱架為計(jì)

23、算模型，分別對采用一至四個(gè)吊點(diǎn)進(jìn)行吊裝時(shí)的拱架進(jìn)行了力學(xué)分析。從計(jì)算結(jié)果可以看出， 如果吊點(diǎn)的選擇不合理，會發(fā)生諸如被吊結(jié)構(gòu)中局部桿件由于應(yīng)力比超限而發(fā)生強(qiáng)度或者穩(wěn)定破壞以及被吊結(jié)構(gòu) 整體變形過大而不能準(zhǔn)確安裝的問題。該文獻(xiàn)雖然分析了吊點(diǎn)數(shù)量和位置選取的不同對結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力的影響，并得到了所選結(jié)構(gòu)在施工過程中理想的吊點(diǎn)數(shù)量，然而其并未分析吊點(diǎn)數(shù)量和位置的確定與結(jié)構(gòu)的一些固有屬性之間的關(guān)系。整體吊裝過程中吊點(diǎn)的同步性控制問題的研究現(xiàn)狀與研究局限吊點(diǎn)的同步性控制是大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝施工過程中最為關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)。由于此類 結(jié)構(gòu)冗余度一般很大（多次超靜定），因此由于吊點(diǎn)同步性控制不當(dāng)而引起的吊點(diǎn)相

24、對位置的改變將 會帶來結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力的變化，從而使得局部構(gòu)件發(fā)生強(qiáng)度破壞或失穩(wěn)，更有甚者會導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)在施工過程中產(chǎn)生傾覆現(xiàn)象。目前很多文獻(xiàn)都提到了保證提升同步性對于大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝 的重要性，并根據(jù)工程的具體情況提出了相應(yīng)的同步性控制方法。目前對于同步性問題的研究文獻(xiàn)中所提及的吊點(diǎn)同步性控制的各種方法的共同特點(diǎn)是：在施工過程中僅僅是通過計(jì)算機(jī)的幫助或人為的觀測手段保證各提升點(diǎn)的位移差不超過規(guī)范規(guī)定的允許范圍，而并未分析吊點(diǎn)提升的不同步對結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力的影響。有文獻(xiàn)對于吊點(diǎn)同步性問題的研究有了一定的改進(jìn)，文中分別計(jì)算了12種吊點(diǎn)不同步工況，并將計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大內(nèi)力和位移結(jié)果與平穩(wěn)提

25、升時(shí)的結(jié)果相對比，從而說明在大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝施工時(shí)保證吊點(diǎn)提升同步的必要性。然而該文對于吊點(diǎn)不同步問題的研究仍然存在兩個(gè)方面的不足：在泛泛的選取了12種不同步工況后，采用擬靜力的方法分析了處于確定不同步作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大內(nèi)力及位移，而并未從結(jié)構(gòu)本身的角度出發(fā)確定結(jié)構(gòu)在吊裝過程中的不同步限值；該文獻(xiàn)只是分析了吊點(diǎn)的不同步對于選定結(jié)構(gòu)的影響，而卻并未分析不同步情況對一類結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。在過去的1 5年中，由于張弦結(jié)構(gòu)的采用，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的材料消費(fèi)占總造價(jià)的比例由 41 %降至26%,而其安裝的花費(fèi)所占的比例則已經(jīng)從19%增長至27%8剛。如果可以采用一定的方法確定結(jié)構(gòu)在整體吊裝施工過程中

26、的各吊點(diǎn)的不同步限值，那么對于受不同步影響較小的結(jié)構(gòu)，施工單位可以適當(dāng)放松施工控制的要求，從而在加快施工進(jìn)度的同時(shí)避免由于過度考慮不同步的影響而帶來的浪費(fèi)。而對于受不同步影響較大的結(jié)構(gòu)則應(yīng)采取較為高級的同步性控制方法以保證結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全。因此，從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，準(zhǔn)確的判定結(jié)構(gòu)在施 工過程中吊點(diǎn)的不同步限值對于施工控制方案的確定具有十分重要的意義。整體吊裝過程中結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換問題的研究現(xiàn)狀及研究局限大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)在整體吊裝施工過程中存在的變邊界問題為結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換問題中的一種。由于在吊裝過程中結(jié)構(gòu)的邊界條件可能與其在正常使用時(shí)的邊界條件不同，因此結(jié)構(gòu)在提升到位的瞬間會發(fā)生邊界條件的變化，這

27、個(gè)變化所作用的時(shí)間雖然較為短暫，但卻很有可能使結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一些構(gòu)件內(nèi)力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其發(fā)生破壞。對于變邊界問題的線性靜力分析，可以采用對計(jì)算模型 進(jìn)行邊界條件的等效變換后將各部分結(jié)果進(jìn)行線性疊加的方法得到最終的計(jì)算結(jié)果。對于變邊界問題的線性屈曲分析可以采用強(qiáng)制約束法加以解決。強(qiáng)制約束法同位移法相似，需要在原有結(jié)構(gòu)上增加附加約束條件。不同的是，強(qiáng)制約束法所施加的附加約束條件不再是未知的，而是將初始結(jié)構(gòu)中 求得的某些未知節(jié)點(diǎn)的位移以及該節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力作為已知的條件施加到最終結(jié)構(gòu)上，以達(dá)到“先固定后復(fù)原”的效果，從而使得修改后的模型能得到和原有結(jié)構(gòu)在同樣荷載作用下相同的計(jì)算結(jié)果。 采取強(qiáng)制約束法對結(jié)

28、構(gòu)進(jìn)行線性屈曲分析時(shí)，計(jì)算模型應(yīng)該符合下列假設(shè)：構(gòu)件為彈性體； 側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)，構(gòu)件截面的形狀不變；構(gòu)件的側(cè)扭變形是微小的； 不考慮殘余應(yīng)力的影響；構(gòu)件在彎矩作用平面內(nèi)的剛度很大， 屈曲前變形對彎扭屈曲的影響可以不考慮。同濟(jì)大學(xué)羅永峰教授等利用強(qiáng)制約束法分析了國家大劇院鋼網(wǎng)殼在變邊界過程中結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)力和位移，從而有效驗(yàn)證了強(qiáng)制約束法是適用于變邊界結(jié)構(gòu)線性分析的有效方法。但是無論是從疊加角度出發(fā)得到的邊界轉(zhuǎn)換法還是以位移法思想為基礎(chǔ)得到的強(qiáng)制約束法 都僅適用于對變邊界結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性分析，而對于變邊界結(jié)構(gòu)的非線性分析目前還沒有相對成熟的研究方法。工程實(shí)例：工程概況長沙中天廣場鋼結(jié)構(gòu)連廊的設(shè)計(jì)旨在

29、將中天廣場的公寓區(qū)和辦公區(qū)連接為一體，其安裝標(biāo)高為 +80. 7m+98. 5m,連癬總高度18. 15m,跨度46. 2m。該連廊由4根平行的鋼桁架結(jié)構(gòu)層 （+80. 7m+84. 1m）及其上部鋼框架（+84. 1m+98. 5m）組成，桁架和框架等主要構(gòu)件的材料采 用鋼材Q345 B,其余次要構(gòu)件采用 Q235 B,結(jié)構(gòu)總質(zhì)量達(dá) 430t。公離區(qū)鋼償?shù)倪B疆界公N圖I硼結(jié)構(gòu)連周平面位置鋼結(jié)構(gòu)連廊的施工方案大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工安裝基本上可以分為兩大類，即高空散裝和地面拼裝后吊裝。由于該鋼結(jié)構(gòu)連廊的最大安裝高度為 98. 5m,自重較大、桿件眾多。如果采用散裝，既需要高大的腳手架，同 時(shí)連廊高空

30、組裝、焊接工作量大，不但難以保證質(zhì)量而且存在較大的安全隱患，還會對后續(xù)專業(yè)的 施工帶來一定的不利影響。 因此，初步央定采用地面拼裝后吊裝的施工方法。由于使用機(jī)具的不同，地面拼裝后吊裝的施工方法又可以分為：履帶式起重機(jī)起吊， 塔式起重機(jī)起吊和液壓千斤頂同步提升三種。根據(jù)該工程的自身特點(diǎn)，并結(jié)合以往類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)，最終決定采用將鋼連廊在地面 拼裝成整體，再利用液壓同步提升技術(shù)安裝的施工方案。但是，由于主樓結(jié)構(gòu)伸人連廊的混凝土框 架柱，聯(lián)系梁以及幕墻結(jié)構(gòu)的平面布置占用了連廊的組裝空問，使得連廊不能夠一次性提升到位， 必須進(jìn)行分塊安裝。綜上所述，該施工方案的具體步驟如下：1）在設(shè)計(jì)位置的正下方拼裝

31、鋼連廊結(jié)構(gòu)；2）將連廊兩端的部分桿件先安裝到設(shè)計(jì)位置，并臨時(shí)固定；3）在兩側(cè)主樓的框架柱頂架設(shè)箱形斷面的提升梁，設(shè)置液壓提升平臺，安裝提升系統(tǒng)；4）將提升用桁架安裝到鋼連廊結(jié)構(gòu)上，設(shè)置下吊點(diǎn)，并將液壓設(shè)備與提升下吊點(diǎn)連接起來，同時(shí)張緊鋼絞線吊索5）利用液壓提升設(shè)備將鋼連廊提升至設(shè)計(jì)高度附近，并與已經(jīng)安裝到位的端部分段構(gòu)件連接，安裝預(yù)留桿件，形成整體鋼連廊結(jié)構(gòu)；6）液壓提升設(shè)備同步卸載，使結(jié)構(gòu)自重轉(zhuǎn)由8個(gè)球形橡膠承重支座承擔(dān)；7）拆除液壓提升設(shè)備及提升平臺，完成鋼連廊的提升吊裝。吊點(diǎn)的選擇與布置鋼結(jié)構(gòu)連廊本身具有“下強(qiáng)上弱”的特點(diǎn)，下部鋼桁架結(jié)構(gòu)具有較大的豎向剛度，鋼框架安裝在桁架上，桿件截面較

32、小，自身剛度較弱，根據(jù)這一牛I點(diǎn)，將提升下吊點(diǎn)設(shè)置在桁架結(jié)構(gòu)上。4根鋼桁架的中心線均與主樓混凝土框架軸線錯(cuò)開，而提升鋼粱的設(shè)置必須借助主樓的框架柱，因此只能將提升下吊點(diǎn)設(shè)置在鋼桁架之間。但是，由于鋼桁架之間沒有能夠傳遞豎向力的構(gòu)件并且平面外剛度較差，從而需要另外設(shè)置提升桁架以滿足下吊點(diǎn)的安裝。針對上述情況，本工程在施工過程中設(shè) 置了 6個(gè)提升吊點(diǎn)。圖3麥開點(diǎn)布置在整體提升過程中各吊點(diǎn)所承受的荷載主要來源于結(jié)構(gòu)的自重。然而其體形的不對稱使得提升力的分布并不均勻，另外提升過程中可能產(chǎn)生的不同步現(xiàn)象也會使得各點(diǎn)處提升力發(fā)生改變。因此,在進(jìn)行吊點(diǎn)處提升力的方t算時(shí)考慮了以下 4種工況：1)各點(diǎn)平穩(wěn)提升

33、，無相對位移； 2)3、6兩個(gè)吊 點(diǎn)比其他吊點(diǎn)快 30mm ;3)2、5兩個(gè)吊點(diǎn)比其他吊點(diǎn)快 30mm ;4)1 ,4兩個(gè)吊點(diǎn)比其他吊點(diǎn)快 30mm。經(jīng)計(jì)算比較，將各吊點(diǎn)處在4種工況下所需的最大提升力列人表1中(由于需要考慮提升設(shè)備在啟動和制動時(shí)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動力影響，表1中的數(shù)值均乘以了 1. 5的動力系數(shù))。* I各品點(diǎn)處所需的厘大提升力吊點(diǎn)號旅大骷升力產(chǎn)七速短升打第17504)21 65。3131 P3?4)4翼5第Q3)6_ 1 575為提升過程中同步性的控制在采用整體提升施工技術(shù)時(shí)，如果各吊點(diǎn)間的高差控制不當(dāng)，可能會導(dǎo)致吊點(diǎn)周圍局部構(gòu)件內(nèi)力 變大、變號，局部失穩(wěn)，更有甚者會造成吊點(diǎn)斷裂

34、。因此，同步性的控制是結(jié)構(gòu)整體提升過程中一 項(xiàng)十分關(guān)鍵的技術(shù)。 本工程采用液壓同步提升技術(shù)，運(yùn)用布置于每個(gè)提升吊點(diǎn)之下的激光測距儀實(shí)時(shí)測量提升過程中的主結(jié)構(gòu)高度，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給主控計(jì)算機(jī)，從而將各個(gè)提升吊點(diǎn)的相對位置反映出來。隨后，主控計(jì)算機(jī)根據(jù)各個(gè)吊點(diǎn)當(dāng)前的高度差，依照一定的控制算法控制閥門油 量，從而實(shí)現(xiàn)提升吊點(diǎn)位置同步。另外，為了加強(qiáng)整個(gè)提升過程的安全性，按照實(shí)際情況進(jìn)行了多 工況吊點(diǎn)不同步驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、整體穩(wěn)定和構(gòu)件的局部穩(wěn)定均滿足要求。提升鋼粱的布置與設(shè)計(jì)為了將鋼連廊提升到發(fā)計(jì)位置，必須在主樓結(jié)構(gòu)混凝土框架柱頂部設(shè)置提升梁以作為千斤頂?shù)墓ぷ髌脚_，并把由千斤頂傳

35、來的力傳遞到主樓結(jié)構(gòu)上。在進(jìn)行提升鋼粱的設(shè)計(jì)時(shí)，采用如圖4所示的外伸梁計(jì)算模型。Q為各吊點(diǎn)所需的最大提升力，經(jīng)計(jì)算得到各吊梁承受的最大彎矩及剪力值如表2所示，進(jìn)而對提升梁截面尺寸進(jìn)行選取并將結(jié)果列入表3中。由于提升鋼梁搭設(shè)在主樓的框架柱頂，為防止混凝土柱發(fā)生局部破壞，需要在柱頂設(shè)置預(yù)埋件。從圖4中可以看出，兩個(gè)混凝土柱頂一個(gè)受壓，一個(gè)受拉。在受壓柱頂?shù)念A(yù)埋件可以按照規(guī)范的構(gòu)造要求進(jìn)行設(shè)置；而受批柱頂除設(shè)置相應(yīng)的預(yù)埋件外，還采用了扁擔(dān)梁結(jié)構(gòu)以保證提升的安全性。預(yù)埋件形式如圖5所示；扁擔(dān)梁形式如圖6所示。施工工況驗(yàn)算從施工方案中可以看出，鋼連廊在提升過程中的結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計(jì)階段采用的計(jì)算模型之間是有

36、一定差異的，這種差異主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：1）結(jié)構(gòu)支承位置不同。在鋼連廊的提升階段，整個(gè)結(jié)構(gòu)是以設(shè)定的6個(gè)吊點(diǎn)為支承點(diǎn)的，無論是支承的數(shù)量還是位置都與計(jì)算模型中的不同；2）為了滿足施工要求，首先將連廊縱向兩側(cè)的一些構(gòu)件事先安裝到設(shè)計(jì)位置，因此，需要整體提升的結(jié)構(gòu) 跨度要比計(jì)算模型中的小 3）為了安放下吊點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)的局部位置設(shè)置了提升用桁架，這使得提升過程中結(jié)構(gòu)局部的桿件數(shù)量要比計(jì)算模型中多。這些差異會使得在設(shè)計(jì)階段處于安全狀態(tài)的構(gòu)件在施工過程中可能發(fā)生強(qiáng)度或穩(wěn)定破壞，因此進(jìn)行施工工況的驗(yàn)算就顯得十分重要。按照施工中的具體情況，重新建立施工計(jì)算模型，經(jīng)計(jì)算分析可知，在吊點(diǎn)周圍的局部構(gòu)件內(nèi)力稍有

37、增大，但其仍然 能夠滿足規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度和穩(wěn)定要求，無需改變構(gòu)件尺寸。表2冬吊果求娶的最大彎餌，聘力吊點(diǎn)令相應(yīng)孫粱承受的最大薊力/kN相應(yīng)吊處承受的 最大駕毋kN，m)11 4234 957, 522 1883 66832 887 68。41 5124 43451 9K92 74963 0119 J75衰3昌品點(diǎn)處果用的捏開豪做面尺寸吊栗看落式年式修號整向尺寸；8m位施幃fthabhA/mn?W/mcKa1 20Qtw320212084 4303Q624 1S3.6it r21 3co2W320242。84 4和30 64 2 53.SJ L36CO240320U24116 912$3 OM 2

38、20.6i 141 X2W320242984 49030 624 153.5. 1JSSCO2W320Z42068 480IS 000 637.161 SCO210例2324130 1125】6“ X78.3出6 后擔(dān)桀作法結(jié)論該工程為大跨度、重噸位結(jié)構(gòu)的液壓同步整體提升，提升單體規(guī)模及提升高度都屬國內(nèi)領(lǐng)先。在提升過程中共設(shè)置 6個(gè)吊點(diǎn)，由于吊點(diǎn)的不對稱性使得各點(diǎn)的提升力數(shù)值相差很大，給整個(gè)連廊的施工帶來了很大的難度。經(jīng)過對施工過程進(jìn)行仔細(xì)的研究與分析，認(rèn)為大跨度鋼結(jié)構(gòu)的整體提升應(yīng)該重點(diǎn)注意以下幾個(gè)問題：首先，結(jié)構(gòu)在提升過程中的受力情況與設(shè)計(jì)階段不同。這主要是由于 施工過程中設(shè)置的吊點(diǎn)位置與設(shè)計(jì)階段計(jì)算模型中的支承位置不同造成的，應(yīng)針對具體情況建立新的施工計(jì)算模型加以分析驗(yàn)算，并對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行必要的加固。其次，需根據(jù)具體情況計(jì)算各吊點(diǎn) 處的提升力。對于平面布置不對稱的結(jié)構(gòu)，由于在實(shí)際過程中各點(diǎn)的提升力分布十分不均勻，因此 不能采用將結(jié)構(gòu)的自重平均分配到各個(gè)吊點(diǎn)