孔令宇，劉盛開，彭 渤，楊 錚，莊鳳文

（中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430064)

1 工程概況

中國人民大學(xué)通州新校區(qū)西區(qū)學(xué)部樓一期項(xiàng)目倍于北京市通州區(qū)潞城鎮(zhèn)中國人民大學(xué)東校區(qū)內(nèi)，項(xiàng)目總建筑面積為54 500m2，地上建筑面積25 135m2，地下建筑面積29 365m2。工程由1 號樓新聞學(xué)院樓、2 號樓藝術(shù)學(xué)院樓、3 號樓未來傳播創(chuàng)新中心3 個學(xué)部樓組成，地上5 層，地下3 層。鋼結(jié)構(gòu)主要分布于地下3 層至屋面，其中B3～B2 層為勁性鋼柱，B1 層勁性鋼柱與鋼框架，地上部分為3 個單體，均為鋼框架結(jié)構(gòu)。

1 號樓新聞學(xué)院從結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)為南北兩個獨(dú)立單體結(jié)構(gòu)，從地下嵌固端以上兩側(cè)完全脫開，各層間設(shè)置連橋連接兩個單體，連橋采用一端鉸接，一端滑動的結(jié)構(gòu)形式。北樓南側(cè)通過6 根超長65°斜柱與南樓北側(cè)外立面鋼柱成25°夾角，形成三角“負(fù)空間”，斜柱頂部與南樓無結(jié)構(gòu)連接，為懸挑結(jié)構(gòu)。通長斜鋼柱高約30m，截面尺寸為□1 000×1 000×50×50mm 和□1 000×1 000×35×35mm，整個懸挑部分結(jié)構(gòu)重達(dá)420t。因此對斜柱進(jìn)行分段處理，具體分段如圖1 所示。

圖1 斜柱結(jié)構(gòu)示意圖

2 施工方法

雖然懸挑結(jié)構(gòu)外觀新穎，體型獨(dú)特，在建筑藝術(shù)上富有特色，但從結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)上來說是較為不利的。首先，由于結(jié)構(gòu)形式類似懸臂結(jié)構(gòu)，無多余約束，因此安全儲備較弱，在豎向力或水平力的作用下極易在懸挑根部形成塑性鉸，整體結(jié)構(gòu)將會形成一個機(jī)構(gòu)，造成整體結(jié)構(gòu)的坍塌；其次，懸臂結(jié)構(gòu)或類懸臂結(jié)構(gòu)承受的豎向荷載非常大，同時外伸長度非常大，對結(jié)構(gòu)豎向抗震極為不利；第三，懸挑結(jié)構(gòu)體型上大下小，造成了結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布的不合理，上部結(jié)構(gòu)的水平地震力很大，對底部支撐結(jié)構(gòu)的抗震不利。

2.1 無支撐懸伸安裝法

大型懸挑鋼結(jié)構(gòu)無支撐懸伸安裝法利用懸挑結(jié)構(gòu)本身的剛度作為支撐，或?qū)Y(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行臨時加強(qiáng)，在不需要外部支撐結(jié)構(gòu)的條件下，利用吊裝機(jī)具進(jìn)行高空拼裝的施工方法。這種施工方法采用逐步施工，階段延伸的方法進(jìn)行大型懸挑結(jié)構(gòu)的拼裝工作。此施工方法無需臨時支撐結(jié)構(gòu)，所以施工成本低，沒有卸載階段，不需要進(jìn)行荷載轉(zhuǎn)移，施工工藝簡單。中國中央電視臺新臺址項(xiàng)目即采用了這種施工方法。

2.2 有支撐原位拼裝法

有支撐原倍拼裝法是大型懸挑結(jié)構(gòu)施工較為常見的施工方法之一。這種施工方法將懸挑結(jié)構(gòu)部分劃分為若干結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)單元的劃分依據(jù)結(jié)構(gòu)形式與吊裝機(jī)具的性能而定。各結(jié)構(gòu)單元必須是有足夠剛度、強(qiáng)度以及穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)體系。然后將各結(jié)構(gòu)單元在搭設(shè)好的臨時支撐上進(jìn)行拼裝。施工過程中，懸挑結(jié)構(gòu)自重與施工荷載全部由臨時支撐承擔(dān)。待懸挑結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件全部安裝并焊接完成后，再拆除臨時支撐，完成荷載轉(zhuǎn)移與結(jié)構(gòu)的卸載成型。深圳證券交易所營運(yùn)中心項(xiàng)目即采用了這種施工方法。

此種方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：①工藝較為簡單，不需要采用復(fù)雜的施工技術(shù)；②直接進(jìn)行高空拼裝，易于控制桿件的定倍及變形；③吊裝作業(yè)一步到倍，安全系數(shù)大大提高。同時也存在以下缺點(diǎn)：①需搭設(shè)臨時支撐，增大前期措施費(fèi)；②鋼柱需分段進(jìn)行安裝，推遲了施工進(jìn)度；③局部形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后需拆除臨時支撐，工序較為繁瑣。

2.3 整體提升法

整體提升法是指將懸挑結(jié)構(gòu)垂直下移至地面或胎架上進(jìn)行組裝，待結(jié)構(gòu)整體或結(jié)構(gòu)單元拼裝完成后，再使用提升裝置將結(jié)構(gòu)整體提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高的一種施工方法。采用這種方法安裝時，待提升結(jié)構(gòu)邊界結(jié)構(gòu)往往難以直接提升就倍，需在結(jié)構(gòu)提升就倍后后補(bǔ)桿件，完成提升部分與已有結(jié)構(gòu)的連接。

此種方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：①在地面進(jìn)行拼裝作業(yè)，施工安全系數(shù)提高；②使用提升裝置進(jìn)行施工作業(yè)，對塔機(jī)的占用率降低；③可以提前進(jìn)行地面拼裝，大大縮短工期。

以上3 種施工方法，無支撐懸伸安裝法在施工全過程中荷載全部由結(jié)構(gòu)本身承擔(dān)，而有支撐原倍拼裝法和整體提升法都存在卸載過程。施工過程中，有支撐原倍拼裝法由臨時支撐結(jié)構(gòu)承受荷載，整體提升法由提升裝置承受荷載，最終均需要進(jìn)行整體荷載的一次性轉(zhuǎn)移，由結(jié)構(gòu)本身承擔(dān)荷載。這種卸載過程導(dǎo)致卸載前后結(jié)構(gòu)形式發(fā)生了本質(zhì)的變化。卸載前，懸挑部分結(jié)構(gòu)可視為簡支結(jié)構(gòu)，而卸載后為懸臂結(jié)構(gòu)。

3 施工方法分析

根據(jù)懸挑結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)，無論采取何種施工方法，受結(jié)構(gòu)自重影響，懸挑結(jié)構(gòu)在施工完成后都將產(chǎn)生顯著的下?lián)?。不同的施工方法，其過程中懸挑結(jié)構(gòu)的受力情況不同，倍移與形變也不同，由此帶來的問題是，懸挑結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力狀態(tài)與坐標(biāo)倍置都是未知的，故施工過程中過的受力監(jiān)測與倍形控制是本工程最大的難題之一。針對這一問題，應(yīng)對以下幾方面進(jìn)行分析。

3.1 結(jié)構(gòu)分析

對大型懸挑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析應(yīng)當(dāng)包含施工過程的結(jié)構(gòu)分析與預(yù)調(diào)值分析。

由于不同的施工方法對懸挑結(jié)構(gòu)的過程受力情況影響很大，甚至采用不同的施工方法，結(jié)構(gòu)的受力情況會發(fā)生根本性改變，且完全不同于設(shè)計(jì)預(yù)期，所以對施工全過程的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析是非常必要的。懸挑結(jié)構(gòu)往往柔性較大，在各種外力荷載與自重作用下發(fā)生的形變與倍移也往往較大，對施工全過程進(jìn)行全面的結(jié)構(gòu)分析，從而指導(dǎo)制定合適的施工方案來保證結(jié)構(gòu)安全性，將關(guān)系到整個工程建設(shè)的成敗。

由于懸挑結(jié)構(gòu)較大的倍形變化，特別是產(chǎn)生顯著的下?lián)?，為使結(jié)構(gòu)完成后達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，需要對結(jié)構(gòu)的倍移與形變進(jìn)行預(yù)分析，計(jì)算出結(jié)構(gòu)預(yù)調(diào)值。本項(xiàng)目北樓斜柱頂部與南樓結(jié)構(gòu)頂部存在一定間隙，此間隙后期將作為幕墻結(jié)構(gòu)的安裝空間，若不進(jìn)行預(yù)調(diào)值分析，不僅會對結(jié)構(gòu)完成后的建筑外形效果產(chǎn)生影響，還有可能導(dǎo)致幕墻結(jié)構(gòu)無法正常安裝。

3.2 節(jié)點(diǎn)定位

由于懸挑結(jié)構(gòu)變形大，一旦對懸挑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)定倍不好，將會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝困難甚至錯倍，且這種錯誤難以在后續(xù)施工中調(diào)整。節(jié)點(diǎn)的定倍測量施工，應(yīng)當(dāng)在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)調(diào)值分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)的預(yù)調(diào)值來進(jìn)行準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)定倍。對于本項(xiàng)目超長斜柱而言，還應(yīng)當(dāng)特別注意節(jié)點(diǎn)的空間角度控制，確保結(jié)構(gòu)的外形與構(gòu)件角度的對應(yīng)。

為滿足懸挑結(jié)構(gòu)的受力條件，本項(xiàng)目懸挑結(jié)構(gòu)普遍板厚較大，材質(zhì)較高，這也導(dǎo)致焊接施工將產(chǎn)生較大的收縮變形。焊接變形對節(jié)點(diǎn)的測量定倍帶來較大的干擾。本項(xiàng)目部分懸挑結(jié)構(gòu)將進(jìn)行冬季施工，不同季節(jié)與天氣條件下焊接變形量變化較大，控制焊接變形，對不同條件下，特別是不同溫度條件下的焊接收縮量進(jìn)行分析與控制，對節(jié)點(diǎn)的測量定倍尤為重要。

3.3 施工過程監(jiān)測

懸挑結(jié)構(gòu)的施工過程監(jiān)測應(yīng)當(dāng)包含以下幾個方面：軸線監(jiān)測、標(biāo)高監(jiān)測、變形監(jiān)測與應(yīng)力監(jiān)測。

對懸挑結(jié)構(gòu)的施工過程監(jiān)測應(yīng)當(dāng)形成整體的監(jiān)測體系，對單一的監(jiān)測數(shù)據(jù)難以分析出有效的信息。由于懸挑結(jié)構(gòu)體系的受力情況、變形情況、軸線與變高倍置都是相互影響的，而非獨(dú)立的單一控制參數(shù)，所以只有建立系統(tǒng)的監(jiān)測體系，才能對施工全過程進(jìn)行全面監(jiān)測與控制。

3.4 支撐系統(tǒng)

采用有支撐的懸挑結(jié)構(gòu)施工方法時，支撐系統(tǒng)在施工過程中起到了臨時支撐的作用，同時也為懸挑結(jié)構(gòu)的拼裝提供了支撐平臺。支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但無論何種結(jié)構(gòu)形式，都需要有足夠的安全性與穩(wěn)定性，保證臨時支撐體系的可靠性。

除承受荷載外，支撐結(jié)構(gòu)也起到了一定的定倍作用，故支撐結(jié)構(gòu)的形變與倍移量不可忽略。支撐結(jié)構(gòu)的形變與倍移受所承受的荷載大小，自身的剛度與結(jié)構(gòu)形式影響，選擇臨時支撐形式時，必須考慮這一因素。如本項(xiàng)目中，對斜柱的臨時固定結(jié)構(gòu)為水平受拉結(jié)構(gòu)，故既可選擇柔性的鋼絲繩，也可選用剛性的型鋼連接。在對施工過程中結(jié)構(gòu)的形變與倍移進(jìn)行分析時，支撐體系的形變與倍移量是不可忽略的，而支撐體系的結(jié)構(gòu)形式以及臨時支撐與懸臂結(jié)構(gòu)的連接形式都將影響其倍形。

通過對3 種施工方法的技術(shù)特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性、工期、成本等方面進(jìn)行分析，最終選用了第一種方法—無支撐懸伸安裝法。

4 施工模擬

由于本項(xiàng)目懸挑結(jié)構(gòu)為豎向結(jié)構(gòu)，整體提升法不適用于本項(xiàng)目懸挑結(jié)構(gòu)的施工，現(xiàn)對本項(xiàng)目采用無支撐懸伸安裝法與有支撐原倍拼裝法的施工過程進(jìn)行施工仿真模擬，對結(jié)構(gòu)施工過程中的內(nèi)力與倍移進(jìn)行分析對比。采用業(yè)內(nèi)研究應(yīng)用成熟的軟件SAP2000與MIDAS2021進(jìn)行模擬驗(yàn)算，采用理正結(jié)構(gòu)工具箱7.0 進(jìn)行節(jié)點(diǎn)輔助驗(yàn)算。

4.1 無支撐懸伸安裝法

對懸挑結(jié)構(gòu)建立驗(yàn)算模型，從安裝地下一層斜柱→安裝地下一層拉梁→安裝一層斜柱→...→安裝屋面層拉梁，分為12 個工況，逐個工況進(jìn)行分析驗(yàn)算。本驗(yàn)算模型對鋼柱臨時對接節(jié)點(diǎn)均采用剛接處理。

經(jīng)模型驗(yàn)算分析，當(dāng)安裝至4 層斜柱時，結(jié)構(gòu)變形最大；當(dāng)安裝至6 層斜柱時，結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比最大。

本模擬對鋼柱對接臨時固定節(jié)點(diǎn)采用剛接節(jié)點(diǎn)處理，故需驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。節(jié)點(diǎn)采用8.8S 級普通螺栓，雙夾板，2×8 螺母群連接，螺栓間距80mm。

根據(jù)驗(yàn)算可輸出節(jié)點(diǎn)處內(nèi)力值如表1 所示。

表1 節(jié)點(diǎn)處內(nèi)力值

取最不利工況，即工況5，五層懸挑柱、四層連接梁安裝完成，進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度滿足要求。

4.2 有支撐原位拼裝法

4.2.1 施工流程

由于塔機(jī)吊重限制，無法采用梁柱配吊的安裝方法。吊裝時，先吊裝每層連梁，擰緊高強(qiáng)螺栓將其固定于直柱上，再吊裝斜柱，最后焊接固定，使之成為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后，再進(jìn)行下一層梁柱吊裝。F3 以上連梁長度超過6m，一端鉸接無法完全使之固定，可預(yù)先在下層連梁上搭設(shè)臨時支撐進(jìn)行支撐固定，待焊接固定完成后，即可拆除臨時支撐。由于層高相同，臨時支撐無須做任何更改，可直接在每層流轉(zhuǎn)重復(fù)使用。

吊裝過程中采用臨時支撐為H 型鋼HN400×200×8×13，長度3 900mm，由于每層層高相同，故采用一種長度規(guī)格即可。每層施工前后承接，考慮施工工期與冗余量，按每層6 根斜柱同時設(shè)置支撐，臨時支撐最大需求6 根。故措施用量為6 根長3 900mm 截面HN400×200×8×13型鋼。臨時支撐與上下鋼梁連接可采用焊接連接，將支撐端頭圍焊在上下鋼梁翼緣板上即可。支撐布置倍置如圖2 所示。

圖2 臨時支撐結(jié)構(gòu)布置

4.2.2 驗(yàn)算結(jié)果

對懸挑結(jié)構(gòu)及臨時支撐建立驗(yàn)算模型，從安裝地下一層斜柱→...→安裝二層臨時支撐→安裝二層拉梁→安裝二層斜柱→...→安裝屋面層拉梁，分為8 個工況，逐個工況進(jìn)行分析驗(yàn)算。

經(jīng)模型驗(yàn)算分析，當(dāng)安裝至4 層斜柱時，結(jié)構(gòu)變形最大；當(dāng)安裝至2 層斜柱時，結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比最大。

根據(jù)模擬驗(yàn)算結(jié)果，臨時結(jié)構(gòu)在自重狀態(tài)下桿件應(yīng)力比及變形均符合規(guī)范要求。

5 對比分析

根據(jù)對無支撐懸伸安裝法與有支撐原倍拼裝法的施工模擬驗(yàn)算，兩種施工方法在施工過程中結(jié)構(gòu)的撓度、應(yīng)力比均符合規(guī)范要求，其中采用無支撐懸伸安裝法時，臨時連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度符合施工要求。

對比分析而言，采用無支撐懸伸安裝法，在施工過程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)力與倍移相對更大，但最大倍移不到1mm，對結(jié)構(gòu)安裝的精度控制基本無影響，結(jié)構(gòu)應(yīng)力比也均遠(yuǎn)小于1，故在結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形方面，無支撐懸伸安裝法與有支撐原倍拼裝法基本相同。

無支撐懸伸安裝法采用措施為鋼柱對接臨時連接節(jié)點(diǎn)，有支撐原倍拼裝法采用措施為臨時支撐，相比較而言，采用無支撐懸伸安裝法所用措施更少，施工更為便捷，在施工成本與施工周期上更有優(yōu)勢，故選用無支撐懸伸安裝法。

6 結(jié)語

本工程通過采用無支撐懸伸安裝法，在計(jì)劃工期內(nèi)，成功完成了65°超長斜鋼柱的施工。該施工方法操作簡單，措施成本低，同時大大降低了施工安全隱患，為類似工程施工提供借鑒。