張雙鈴，黃云飛

（廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 廣州510620）

0 前言

從20 世紀(jì)90年代以來，大跨度鋼管桁架結(jié)構(gòu)由于具有結(jié)構(gòu)自重輕、受力性能好、結(jié)構(gòu)跨度大、可工廠化加工、現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度快、造價(jià)低、結(jié)構(gòu)安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，而逐漸在高速公路收費(fèi)站項(xiàng)目的建設(shè)中得到大量運(yùn)用［1，2］。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，早期建設(shè)的高速公路部分設(shè)施已經(jīng)難以滿足地方發(fā)展的需求，需要進(jìn)行升級(jí)改造，這些設(shè)施由于經(jīng)過多年的使用，結(jié)構(gòu)性能有所下降，在對(duì)這些既有結(jié)構(gòu)的改造過程中面臨著諸多問題［3］。目前同步頂升施工技術(shù)在大體型場(chǎng)館、車站大廳、禮堂劇院等大型公共建筑大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工中運(yùn)用較為廣泛［4-6］，而在既有大跨度鋼管桁架的改造施工方面相關(guān)應(yīng)用還不多。本文以貴港市新六互通高速公路口收費(fèi)站大跨度鋼管桁架頂棚頂升改造項(xiàng)目為例，介紹該大跨度既有鋼桁架頂棚同步頂升改造技術(shù)的特點(diǎn)及施工過程，同步頂升施工技術(shù)在該項(xiàng)目中的成功應(yīng)用為同類項(xiàng)目的實(shí)施提供借鑒。

1 工程概況

作為貴港市窗口之一的高速公路興六互通貴港收費(fèi)站，隨著一級(jí)連線交通提升改造工程的實(shí)施，其收費(fèi)站凈高已難以滿足要求，需對(duì)既有收費(fèi)站鋼管桁架頂棚進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)整體提升3 m的改造。該收費(fèi)站鋼管桁架頂棚整體造型為中間高兩頭低呈對(duì)稱分布，整個(gè)頂棚長(zhǎng)90 m，寬37 m，桁架高1.6 m，桁架間距為2.25 m，支承柱間距為52 m，整個(gè)建筑高度為25 m，鋼管桁架頂棚通過8 組32 條斜拉索懸掛于4 根大型鋼立柱上，同時(shí)鋼立柱兼做拉索主塔，承載鋼管桁架頂棚整體結(jié)構(gòu)自重，整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)總重650 t。根據(jù)要求，在提升施工過程中需確保收費(fèi)站部分車道的正常使用，同時(shí)避免鋼管桁架頂棚正常使用狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)過大變化，使頂棚產(chǎn)生不可恢復(fù)性變形，影響既有結(jié)構(gòu)的安全性，為此選用整體液壓同步頂升方案（見圖1）。

圖1 提升后收費(fèi)站效果圖Fig.1 After Lifting the Toll Station Renderings

2 項(xiàng)目實(shí)施的難點(diǎn)

對(duì)鋼管桁架頂棚進(jìn)行頂升施工前，需要將原主支承結(jié)構(gòu)的4 根大型鋼柱與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分離，分離后才能進(jìn)行下一步施工。此項(xiàng)目在實(shí)施過程中主要有以下難點(diǎn)：

⑴鋼管桁架頂棚體積大、噸位高，是已使用多年的既有結(jié)構(gòu)，頂棚主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能變化情況評(píng)估困難［7］，頂升施工時(shí)需避免改變鋼管桁架頂棚結(jié)構(gòu)著力點(diǎn)，使頂棚結(jié)構(gòu)正常使用工況受到改變，頂升施工難度大；

⑵鋼管桁架頂棚在施工期間需要確保收費(fèi)站部分車道的使用不受影響，頂棚結(jié)構(gòu)重心高，結(jié)構(gòu)支承立柱與基礎(chǔ)分離時(shí)，易出現(xiàn)不均勻或結(jié)構(gòu)傾覆等不利工況，施工過程中對(duì)安全控制的要求高［8］；

⑶頂升施工時(shí)涉及多組千斤頂多點(diǎn)位同步頂升，同步控制不當(dāng)時(shí)易造成頂棚傾斜，引起頂棚結(jié)構(gòu)受力不均出現(xiàn)不可恢復(fù)性變形，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生傾覆造成重大安全事故，協(xié)同頂升控制要求高［9，10］；

⑷頂棚頂升到位后需對(duì)原4 根大型支承鋼柱進(jìn)行加長(zhǎng)施工，并與原基礎(chǔ)預(yù)埋螺栓連接，對(duì)接精度要求高。

針對(duì)以上實(shí)施難點(diǎn)，鋼管桁架頂棚頂升施工前有必要針對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)加固，以及設(shè)置相應(yīng)的限位控制措施，以滿足頂升過程中的安全及精度控制要求。

3 頂升方案的設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)思路

施工前需將原4 根大型支承鋼柱與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分離，為避免分離施工時(shí)頂棚結(jié)構(gòu)整體重心出現(xiàn)過大變化，通過驗(yàn)算復(fù)核并結(jié)合側(cè)向限位支架的設(shè)置要求，將分離切割面設(shè)定在大型支承鋼立柱基礎(chǔ)面以上5 m的位置。切割分離面以上部為整體頂升部分，分離面以下部分除基礎(chǔ)外，原4 根大型截?cái)嗟闹С袖撝柽M(jìn)行拆除并重新加工（考慮頂升期間立柱的角度及長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化），待頂升到位后將新加工接長(zhǎng)后的立柱與上部鋼柱對(duì)接。

考慮到鋼頂棚頂升過程的安全性及精度控制要求，頂升前需對(duì)鋼頂棚進(jìn)行必要的加固，并設(shè)置一定的限位措施。頂棚結(jié)構(gòu)加固需在立柱分離面以上200 mm處的橫向支承立柱間，增設(shè)橫向拉結(jié)箱型鋼梁，以抵消立柱與基礎(chǔ)分離時(shí)，柱底約束消失造成結(jié)構(gòu)削弱的影響，同時(shí)在橫向箱型鋼梁兩端2 m 位置與鋼立柱間增加H 型鋼斜撐，斜撐與立柱相連接使橫向箱型鋼梁、H 型鋼斜撐與立柱形成有機(jī)整體，提高頂棚結(jié)構(gòu)的整體性。頂升施工時(shí)橫向箱型鋼梁兼做頂升著力點(diǎn)，避免了因改變?cè)撹旒茼斉锝Y(jié)構(gòu)著力點(diǎn)而造成的不利影響，同時(shí)在頂升完成后用于加固的橫向箱型鋼梁、H 型鋼斜撐將不予拆除，使其成為主體結(jié)構(gòu)的一部分，有利于提高原頂棚結(jié)構(gòu)的整體性能。加固設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 整體結(jié)構(gòu)加固示意圖Fig.2 Overall Structure Reinforcement

3.2 頂升支架設(shè)計(jì)

3.2.1 頂升支架設(shè)置

頂升支架采用格構(gòu)式型鋼支架，支架主結(jié)構(gòu)采用截面為H300×300×10×15 規(guī)格的Q345B 級(jí)H 型鋼加工，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支架的規(guī)格為2 400 mm×2 400 mm×2 400 mm，上部設(shè)置一條規(guī)格為B600×800×20×30 千斤頂支承橫梁。最下節(jié)頂升支架結(jié)構(gòu)底部設(shè)置有高強(qiáng)鋼板錨固件，可通過高強(qiáng)螺栓與下部混凝土基礎(chǔ)進(jìn)行錨固連接，頂升支架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度需滿足頂升施工要求。

3.2.2 頂升支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

為確保頂升支架在頂升施工中架體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等性能指標(biāo)滿足施工要求，對(duì)頂升支架結(jié)構(gòu)采用SAP2000 結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行架體結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)算。計(jì)算分別以《重型結(jié)構(gòu)和設(shè)備整體提升技術(shù)規(guī)范：GB 51162-2016》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50017-2017》、《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范：GB 50205-2001》、《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范：GB 50661-2011》等相關(guān)規(guī)范為依據(jù)。計(jì)算條件為：①以支座地面剛性連接為邊界條件；②支架頂升梁與支架梁交點(diǎn)Z 向設(shè)置800 kN 集中荷載；③提升過程驗(yàn)算的荷載組合強(qiáng)度：1.35×Dead，支座反力及變形：1×Dead。通過校核計(jì)算，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.55 時(shí)滿足頂升需求。頂升支架結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 頂升支架結(jié)構(gòu)示意及應(yīng)力比驗(yàn)算結(jié)果Fig.3 Lifting Bracket Structure and Stress Ratio Check Result

3.3 側(cè)擋限位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 側(cè)擋限位結(jié)構(gòu)設(shè)置

為控制頂升施工過程中鋼管桁架頂棚支承立柱縱橫向出現(xiàn)的位置偏移，頂升施工前需要分別在每一根支承鋼立柱的縱向與橫向設(shè)置側(cè)擋限位支架，側(cè)擋限位支架采用H400×H400×400×13×21 型鋼加工制作，為確保側(cè)擋限位支架與支承鋼立柱有足夠的搭接，其支架搭接高度不宜小于提升高度的3 倍，每個(gè)立柱處設(shè)置4 副側(cè)擋，如圖4 所示。

圖4 側(cè)擋限位結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Side Block Limit Structure Diagram

3.3.2 側(cè)擋限位支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

在同步頂升施工過程中，鋼管桁架頂棚的結(jié)構(gòu)重心會(huì)隨著頂升行程的增大隨之上移，其最不利工況出現(xiàn)在橫向側(cè)擋結(jié)構(gòu)頂升的初始和頂升結(jié)束2個(gè)階段，且縱向側(cè)擋同時(shí)承受荷載作用。驗(yàn)算時(shí)采用SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件, 分別對(duì)這2 種不利工況下側(cè)擋限位支架結(jié)構(gòu)桿件進(jìn)行分析驗(yàn)算，結(jié)合原鋼管桁架頂棚的設(shè)計(jì)荷載工況，同步頂升過程中橫向限位荷載按120 kN考慮，縱向限位風(fēng)荷載按30 kN 考慮。并以頂升始、末2 種最不利荷載工況下，縱橫雙向同時(shí)存在側(cè)翻且作用于同一框架的情況進(jìn)行計(jì)算，通過分析計(jì)算得到在頂升開始時(shí)結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力比為0.57，在頂升結(jié)束時(shí)結(jié)構(gòu)最不利狀態(tài)下桿件最大應(yīng)力比為0.54，側(cè)擋限位支架結(jié)構(gòu)滿足整個(gè)頂升過程中最不利工況要求。具體驗(yàn)算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 最不利工況應(yīng)力比驗(yàn)算結(jié)果Fig.5 The Most Unfavorable Working Condition Stress Ratio Check Result

4 同步頂升施工

4.1 同步頂升施工流程

根據(jù)頂升設(shè)計(jì)方案，鋼管桁架頂棚結(jié)構(gòu)頂升時(shí)，在橫向拉結(jié)箱型鋼梁上共設(shè)置4 處頂升位置，各頂升位置分別配備1 臺(tái)TJJ-2000 型液壓千斤頂，頂升能力為200 t，頂升行程為250 mm，千斤頂由頂升支架支撐進(jìn)行交替頂升。頂升施工流程如圖6 所示。

圖6 頂升施工流程Fig.6 Lifting Construction Flow Chart

4.2 同步頂升控制

4.2.1 同步控制原理

為確保結(jié)構(gòu)在提升過程的頂棚結(jié)構(gòu)整體安全，頂升施工采用“頂升點(diǎn)油壓均衡，結(jié)構(gòu)姿態(tài)調(diào)整，位移同步控制”的同步提升控制方案，利用YT-1 型智能化計(jì)算機(jī)同步控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，該系統(tǒng)可以根據(jù)控制策略和特定算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的提升姿態(tài)和荷載情況的實(shí)時(shí)控制。在提升過程中，通過控制泵站調(diào)節(jié)使得同一電機(jī)的各個(gè)頂點(diǎn)受載情況基本均勻，保證各個(gè)頂升點(diǎn)在提升過程中能夠保持一定的同步性，同時(shí)在鋼管桁架頂棚結(jié)構(gòu)頂升位置設(shè)置傳感器，通過傳感器收集頂升過程結(jié)構(gòu)的姿態(tài)信息，并回饋到計(jì)算機(jī)同步控制系統(tǒng)中，通過反饋的信息觀察各頂升點(diǎn)的同步狀況，當(dāng)存在頂升點(diǎn)同步不均，且最大值高低差達(dá)到預(yù)警值20 mm 時(shí)，需要及時(shí)調(diào)平，確保頂升過程的安全穩(wěn)定。

4.2.2 同步頂升施工

頂升施工主要采用YT-1 型智能化計(jì)算機(jī)同步控制系統(tǒng)進(jìn)行頂升同步控制，頂升施工準(zhǔn)備就緒后，通過計(jì)算機(jī)同步控制系統(tǒng)對(duì)各頂點(diǎn)千斤頂同時(shí)發(fā)出加壓指令，并通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控頂棚結(jié)構(gòu)頂升變化狀態(tài)。當(dāng)千斤頂頂升至最大行程時(shí)在臨時(shí)頂升支架上設(shè)置對(duì)應(yīng)高度的鋼墊板，然后將千斤頂卸載縮缸，使頂棚荷載完全轉(zhuǎn)移到臨時(shí)支架上，并對(duì)應(yīng)在頂升千斤頂下設(shè)置相應(yīng)行程厚度的鋼墊板完成一個(gè)行程。當(dāng)頂升高度超過1 m時(shí)，在頂升油缸下面墊1 000 mm×1 000 mm的箱型梁，箱型梁的作用同理墊板；繼續(xù)重復(fù)前面頂升過程，頂升1個(gè)油缸行程后即添加墊板，轉(zhuǎn)移荷載在墊板上。當(dāng)頂升添加墊板高度大于1 m 時(shí)，添加1 000 mm×1 000 mm 箱型梁。每次油缸縮缸完成增加墊板30 cm，墊板超過1 m則增設(shè)墊梁，頂升油缸、墊板交替承載，如此往復(fù)同步頂升、同步監(jiān)測(cè)、同步平衡矯正，直至將結(jié)構(gòu)頂升到位。

鋼管桁架頂棚結(jié)構(gòu)頂升到位后，還需要對(duì)4個(gè)支承立柱進(jìn)行駁接施工，由于駁接施工需要一定的時(shí)間，為避免千斤頂長(zhǎng)期加壓受力而出現(xiàn)不確定性安全隱患，需要將頂升支架進(jìn)行必要的向上延伸，并將結(jié)構(gòu)荷載完全轉(zhuǎn)移至頂升支架上。通過采用該液壓同步頂升施工技術(shù)，頂升施工過程中從檢測(cè)數(shù)據(jù)反應(yīng)出各頂升點(diǎn)之間的最大高差均控制在5 mm 以內(nèi)，有效地避免了在頂升過程中頂升點(diǎn)高差超限所產(chǎn)生的安全隱患，確保了工程的順利實(shí)施。

5 結(jié)語

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化水平的提高，類似的高速公路收費(fèi)站改造工程也必然增多，通過對(duì)該提升改造工程的成功實(shí)踐，表明了該提升改造方案的設(shè)計(jì)思路，對(duì)頂棚結(jié)構(gòu)的加固、頂升支架及一些限位措施的的設(shè)置都是比較科學(xué)合理的，同時(shí)施工中采用了智能化信息法施工，利用智能控制系統(tǒng)對(duì)頂升加壓，頂升同步控制進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效地控制鋼管桁架頂棚整體平衡頂升，避免了施工中造成既有頂棚在正常使用狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力工況出現(xiàn)超限變化引起的安全隱患，確保了施工期間收費(fèi)站部分車輛道的正常通行，施工精度高。本工程的順利實(shí)施為貴港市城市形象的提升做出貢獻(xiàn)，同時(shí)也為后續(xù)同類大型既有鋼桁架結(jié)構(gòu)的改造提升提供了一定的工程借鑒和參考。