基于随机异步性的大跨度钢连廊整体提升施工过程分析研究

1 工程概况

1.1 工程介绍

本工程项目总建筑面积约249168.99㎡，其中地上建筑面积为148804.11m2，地下建筑面积为100364.88m2，容积率为3.07，建筑密度为45.00%，绿地率为15.10%。本工程主要包括A1、A2、A3、A4共4栋主楼及1栋综合商业楼。其中A1楼为17层，规划高度为84m，A2、A3楼为23层，规划高度为114m，A4楼为15层，规划高度为69.9m，综合商业楼5层，规划高度24m。

本工程设计使用年限为50年，建筑结构及各类结构构件商业部分安全等级为一级，重要性系数为1.1。其余部分均为二级，重要性系数为1.0。各单体耐火设计级别为一级。如图1所示，所涉及钢连廊位于A2与A3楼之间，跨度43.7m，连廊上弦混凝土结构标高99.300m（屋面层），下弦混凝土结构标高90.450m（22层），其中22层层高4.5m，23层层高4.35m，连廊主梁轴线宽度8.400m，两侧各外挑1.25m，梁端与主楼型钢混凝土柱刚性连接。

图1 连廊竣工效果

1.2 施工步骤

（1）两侧塔楼结构部分施工，完成屋面混凝土浇筑。（2）连廊被提升段在地面拼装与加固。（3）连廊预装段安装在屋顶。（4）安装提升设备，连接提升钢绞线，固定焊接提升吊点。

在地面加固阶段，发现竖向腹杆、上弦提升节点在大跨度桁架施工过程中需要重点关注，因此本次加固措施是在每个提升节点下方安装2根竖向杆件，分担中间竖向钢柱以及提升节点的应力，从而提升桁架结构安全性。而后进行提升过程，通过液压提升千斤顶自地面缓慢、稳定提升至安装高程，再进行对接连接安装。该提升过程采用数字孪生技术，可有效减少人工调度时间成本，提升设备与结构分节如图2所示，临时加固杆件截面见表1。

图2 提升设备与结构分节示意

表1 临时加固杆件截面

2 提升模拟分析与加固措施

2.1 模型建立

针对提升段和钢绞线，在有限元软件SAP2000中建立分析模型，如图3所示，其中连廊杆件采用3D– frame单元，该单元可模拟杆件的三维弯矩、轴力、剪力以及扭矩等内力；钢绞线采用HOOK单元进行模拟，该单元为受拉不受压单元，与钢绞线受力特征一致。

图3 整体提升分析模型

2.2 整体提升阶段荷载取值

根据施工方案，在提升过程中无人员进入提升段内进行操作，因而仅需考虑永久荷载 G _{k 和风荷载 w k 。 根据GB51162—2016《重型结构和设备整体提升技术规范》规定，荷载组合如下：} S _d =1.2 G _k +1.0 w _k 。 施工风荷载，按GB50755—2012《钢结构工程施工规范》和GB?50009—2012《建筑结构荷载规范》规定的50年一遇风压和按GB51162—2016《重型结构和设备整体提升技术规范》规定的8级风取较大值为基本风压0.3kN/m ² ，风压高度变化系数按照100m，C类，取值1.50，阵风系数取值1.69。

荷载动力系数按GB50755—2012《钢结构工程施工规范》取1.2。根据施工单位提供的数据，提升速度 v _z =5~6m/h≈1.6mm/s，提升中各吊点最大不同步偏离为25mm。对应设计提升吊点1为匀速提升，其位移–时间曲线如图4所示。（1）同步提升分析，即全部吊点均与吊点1完全同步，进行匀速提升动态分析。（2）随机不同步提升分析，其他吊点与吊点1采用随机偏离，进行随机的动态提升。

图4 吊点位移–时间曲线

2.3 整体提升阶段结果分析

2.3.1 同步提升分析

同步提升工况下，钢连廊提升段应力包络值分布如图5所示，连廊结构最大应力为85MPa，满足Q345钢完全弹性容许应力[ σ ]=0.7× f =203MPa要求，其中 f 为钢材设计强度，根据GB50017—2017《钢结构设 计标准》，对40~63mm的Q345钢材， f =290MPa，该工况下提升段的强度安全系数为3.45。同步提升工况下，各提升点吊索的拉力值 F _T =872.8kN。

图5  同步提升工况下连廊提升段应力包络值分布示意

2.3.2 不同步提升分析

不同步提升工况下，钢连廊提升段应力包络值分布如图6所示，连廊结构最大应力为130MPa，满足Q345钢完全弹性容许应力[ σ ]=0.7× f =203MPa要求，其中 f 为钢材设计强度，根据GB50017—2017《钢结构设计标准》，对40~63mm的Q345钢材， f =290MPa，该工况下提升段的强度安全系数为2.2。

图6 不同步提升工况下连廊提升段应力包络值分布示意

不同步提升工况下，各提升点吊索拉力最大值为 F _T =1214.0kN。本项目提升钢绞线采用1720MPa等级公称直径15.20mm钢绞线，根据GBT5224—2014《预应力混凝土用钢绞线》其最大力 F _m =241kN。根据JGJ257—2012《索结构技术规程》，钢绞线计算时其抗力分项系数为2.0，且GB51162—2016《重型结构和设备整体提升技术规范》规定，在计算吊点等脆性连接部位时，应除以附加抗力分项系数1.2，即单根钢绞线承载力为[ F _T1 ]= F _m /( γ _R γ _{R _2} )=85.4kN，则每个吊点的钢绞线数量应为 n = F _T /[ F _T1 ]=14.2，故取 n =15根。

由于不同步提升工况下提升段的内力状态较同步提升工况下更不利，直接以不同步提升分析结果进行安全性校核，其内力与承载力的比值分布如图7所示。在提升阶段杆件最大内力与承载力的比值为0.48，对应最小安全系数为2.07，全部杆件均满足GB50017—2017《钢结构设计标准》要求。

图7 提升段内力与承载力比值分布示意

2.3.3 变形监测限值

选择图8所示的跨中与两侧临时杆对应位置的端点为监测点，进行挠度和端点下垂计算。经计算，提升过程中挠度最大值为13.10mm，端部下垂最大值为3.91mm。考虑提升中的其他随机因素，建议挠度监测限值为15mm，端部下垂最大值为5mm。

图8 变形监测点示意

3 结论

（1）本施工方案连廊提升段经加固后满足安全性要求。（2）各提升吊点应设置15根1720MPa等级公称直径15.20mm钢绞线。（3）建议挠度监测限值为15mm，端部下垂最大值为5mm，并适当进行预起拱加工。（4）实际施工中，节点的不均匀提升，即节点提升的随机异步性对结构整体安全性影响较大，大跨度桁架提升随机异步性的变化规律仍需深入研究。