多层钢结构连廊整体提升施工的模拟研究*

高雷雷 史秋侠 柳志华 符青浦

1. 中冶天工上海十三冶建设有限公司 上海 201900；2. 上海建工七建集团有限公司 上海 200050；3. 上海市青浦区建筑管理所 上海 201700

1 工程概况

上海金虹桥国际中心工程占地总面积35 494 m2，位于虹桥功能拓展区的中心地带，是上海商务商贸副中心。该工程主体结构由南塔楼、北塔楼及连廊3 部分组成，形成“凯旋门”式结构。办公塔楼地上29 层，总高度143.7 m，总建筑面积146 233 m2（图1）。

钢结构连廊位于22～29层，共8 层，高度为100.9～134.6 m，尺寸为42 m×24.7 m。连廊结构形式基本一致，采用H型钢梁及钢筋桁架楼板组合结构，连廊各层中间无竖向结构，是独特的多层片状连体形式。每层连廊钢结构质量超200 t，8 层钢结构连廊总质量约1 700 t。

2 连廊提升方案确定

本工程属于超高层建筑的钢结构连廊范畴，具有如下特点：

（a）钢构件质量大，对设备要求高；

图1 整体效果图

（b）结构悬空，高度较高，常规的支撑体系不适用。

在超高层建筑中使用塔式起重机最大起重质量为10～30 t，不能满足连廊钢构件吊装要求。从成本上看，仅为了占工程量比例很小的钢结构连廊配置大型的塔吊是得不偿失的。对于跨度大、构件重的连体层钢结构，整体提升是一种比较有效、安全的施工方法。结构在地面拼装，然后利用液压千斤顶将整个钢结构连体层提升到设计位置，完成钢结构的安装。由于绝大部分工作都在有条件的平台上进行，在施工安全上比较有保障。

利用双向支撑系杆将单层片状结构连成单元，将8 层连廊依次划分成4 个提升单元，利用一套设备分4 次进行提升。在地面拼装、提升过程中，系杆均能起到稳定结构体系的作用，连廊安装完成后拆除系杆。

3 吊点布置与设计

采用液压提升设备提升钢构件，需在待提升构件的正上方一定高度设置专用的提升吊点，通过钢绞线与设置在提升构件上的下吊点连接来提升构件[1]。提升牛腿的设置可依靠主塔楼劲性钢柱，根据其结构特点可在N～K/19～22轴线劲性柱上设置提升上吊点，用于放置液压提升器。本工程提升吊点布置如图2。

图2 提升吊点布置

由于2 个被提升的钢结构连廊在同一个垂直面上，所以必须合理设置提升牛腿防止发生碰撞。为此，提升吊点设计成扁担形式，以使钢绞线让开提升主梁（图3）。此种设计方式避免后3 次提升的钢结构连廊产生斜吊工况，减少索具受力因倾斜增加荷载，降低安全隐患。

图3 吊点示意

运用大型有限元程序MIDAS对连廊提升单元进行实体建模分析，计算最大提升反力。

3.1 提升反力计算

通过对4 个单元的提升反力进行比较，确定最大反力（图4），为吊点模拟分析提供依据。

3.2 吊点模拟分析

以下吊点为例，运用ANSYS软件进行结构模拟验算，采用shell63板单元模拟结构的钢板按照实际尺寸定义不同的板厚。根据下吊点几何尺寸，建立结构模型。其余物理参数如下：拉压弹性模量E=2.06×1011Pa，泊松比=0.3，密度ρ=7.85×1 000 kg/m3。

图4 模拟吊点反力（单位：kN）

对托梁两边荷载按最大提升反力施加，以面荷载形式施加于受力底面。同时约束原结构3 根支撑杆下部、工字钢端部的6 个自由度。

3.3 计算结果

按照上述模型荷载及边界条件进行计算，下吊点结构的应力及变形如图5所示。

图5 吊点模拟结果

由图5可知，下吊点结构的最大应力为120.7 MPa，最大变形为0.87 mm。结构强度和刚度均满足要求。

4 提升工况模拟

以第4单元为例进行提升工况模拟分析，选用了MIDAS/GEN V 7.3版本作为有限元设计软件。计算模型采用空间三维实尺模型，杆件选用2 个节点、6 个自由度的frame单元，该单元可以考虑拉（压）、弯、剪、扭4 种内力的共同作用。

4.1 地面拼装工况[2]

2 层连廊通过系杆形成提升单元，此工况系杆受压。

在恒载作用下，悬挑位置跨中的变形较大。由图6、图7可知，最大变形值为－9 mm、结构跨度20 m，满足规范要求。结构杆件最大应力比值为0.67，结构有较大的大安全储备，设计安全可靠。

图6 恒载下变形云图

图7 恒载下应力云图

4.2 提升工况

拼装完毕后进行整体提升，此工况系杆受拉[3]。由图8、图9可知，最大变形值为－16 mm、结构跨度20 m，满足规范要求。结构杆件最大应力比值为0.7，结构有较大的大安全储备，设计安全可靠。

图8 恒载下变形云图

5 实施效果

采用“应力—变形—提升”闭环测控技术进行监测，通过网络数据集中传输至中央控制系统，确保提升过程安全可靠。

图9 恒载下应力云图

5.1 吊点监测

提升吊点变形测量如图10所示。最大变形出现在19～22轴线，变形值约为0.8 mm，与模拟分析数值基本一致。

图10 吊点变形

5.2 提升单元监测

对全部钢结构连廊提升过程的变形数据进行收集整理（图11）。第4单元变形值约为13 mm，变形参数与模拟分析结果基本一致。

图11 提升单元变形

6 结语

通过有限元分析软件，对金虹桥国际中心工程钢结构连廊提升吊点及拼装、提升过程进行模拟分析，为施工工艺控制提供了有力支撑，达到了预期效果。同时为大型复杂结构整体提升施工开拓了新的思路，提供了成功实例。