重型结构液压提升系统设计实证研究

孔海峰 刘建中 刘海峰 王 艾

1. 江苏建科建设监理有限公司 南京 210008； 2. 中新苏州工业园区置地有限公司 苏州 215000；3. 中国华西企业股份有限公司 上海 201615

1 研究背景

重型结构液压同步提升施工技术是我国近年来逐步提出、形成、发展和完善起来的一种新型机电液一体化施工技术，在建筑工程中主要应用于超大、超高、超重等特大型构件的吊装和水平移运。由于安装效率高、高空作业少、经济效果突出，该项技术已经在较多的工程中得到了应用，取得了一定的技术和经济效果。但是，由于大部分应用工程结构复杂，工况特殊，加之钢结构整体提升技术的不成熟，行业至今也没有形成相应的技术标准，技术和实践上仍有许多问题需要进一步探索。

随着近年来施工技术的快速发展，重型结构液压同步提升施工技术在工程实践中大量应用，如苏州中银大厦中庭钢结构连廊，提升质量480 t，提升高度18 m；深圳东海商务中心钢结构连廊，提升质量700 t，提升高度176 m；成都海洋天堂连廊，提升质量5 800 t，提升高度107 m；南京新城大厦二期钢结构连廊，提升质量520 t，提升高度62.2 m等等。提升质量从百余吨到上千吨，较大的甚至达到万吨以上，如国家图书馆钢结构的整体提升质量达万吨[1]，提升高度15 ～176 m不等。由于液压提升面临的质量、跨度巨大，任何一个微小的考虑不周、荷载不当、计算失误引起个别构件的失效往往会产生连锁反应导致系统失败，形成重大质量安全事故。

2 研究现状及存在问题

经过近几年的工程实践，液压同步提升施工技术已经得到了初步的论证和总结，上海制定了《重型结构（设备）整体提升技术规程》（DG/TJ 08-2056—2009），在荷载及作用、被提升结构分析和验算、提升结构分析和验算、提升过程控制等进行了较为详细的系统总结[2]，但整体仍局限于较粗线条和概念性要求，难以指导具体工程实践。陈凌轩等利用计算机仿真技术对重型结构提升过程进行了仿真分析[3]，沈锦添利用计算机建模采用ANSYS软件对重型构件提升过程各个阶段进行了具体分析[4]。

虽然有了上述一定的研究成果，但是，对提升系统受力状态的分析和模拟没有系统研究。大部分研究基本借用了相关规范中结构可靠度设计和荷载取值方法，将提升荷载简化为重力荷载，利用荷载分项系数进行简化运算。沈锦添计算时将被提升钢屋架重力荷载分项系数取值为1.35，大部分研究者直接按恒载设定被提升结构荷载，并直接按固定荷载取分项系数为1.2[5,6]。

规范DG/TJ 08-2056—2009提出可变荷载效应控制的基本组合表达式如下：

式中：S(ω)——结构效应函数；

γG——永久荷载分项系数，对结构不利时取1.2，对结构有利时取0.9；

Gk——永久荷载标准值（一般为提升支承结构及提升用设备重）；

QGk——被提升结构（设备）质量的标准值；

ωk——不同阶段单位迎风面积上的水平风荷载标准值；

QLk——平台活载的标准值；

Qi——除上述可变载荷外，其余第i个可变荷载标准值，i=4～n；

ψci——可变荷载Qi的组合值系数，一般取0.7；

γi——可变荷载Qi的分项系数，一般为1.4，仅温度作用取1.0；

R(ω)——结构抗力函数；

γR——结构抗力的标准值；

fk——材料强度分项系数；

αk——几何参数标准值。

虽然目前大量采用了各种有限元模拟结构计算软件与方法，但荷载取值的不规范和计算模型的不确定，必然导致计算结果的差异，并关系到方案的经济效果和安全适用性。

3 实验验证

为了验证荷载作用效果，获得经济、安全的重型结构提升结构计算数据模型，结合某项目中庭连廊钢结构提升工程，决定利用其中一榀桁架作为实验提升对象检验设计成果。该实验桁架质量约为104 t，提升高度16.45 m。提升范围没有其他建构筑物，两侧结构施工已超过提升面3个楼层，具备设置额外安全装置的条件[7]。

提升单位是一家长期专业承包重型结构提升施工的专业队伍，参与和实施了较多大型工程钢结构提升工程，有丰富的液压同步提升施工经验。

提升公司按照常规设计方法设计完成了提升方案，共设置2组吊点，每组吊点反力标准值520 kN。每组吊点配置1台YS-SJ-75型液压提升器，额定提升能力为750 kN。提升时考虑恒载系数（按提升公司经验数据）1.35，动载系数1.05。提升器、临时吊具以及钢绞线等按照1.0 t考虑，提升最大反力设计值F，则：F=736 kN，计算简图如图1所示。

图1 提升平台计算示意

以此为基础，分别计算和复核提升平台梁、斜撑、拉杆、预埋件等，其中，拉杆选用规格为150 mm×150 mm×7 mm×70 mm的H型钢，材质Q345B，与计算平面的夹角为β=15°，侧向支撑选用规格为150 mm×150 mm×7 mm×70 mm的H型钢，材质Q345B，按照设计模型和荷载，构件内力验算均安全可靠。提升系统设计如图2所示。

图2 提升立面示意

为了了解在结构提升过程中的荷载变化情况，在两侧钢绞线分别设置表面应力传感器，实时监控应力变化情况。同时，在提升结构上部结构+34.25 m处设置了附加安全装置。

正式提升前，施工单位组织专业提升公司制定了详细的施工组织设计规划，配备专用集群同步控制计算机平台，系统调试完成分级加载，提升脱离地面150 mm后离地检查，各项荷载、变形均在设计预计范围。

静止12 h后检查提升设备的状态、提升支架的变形、钢架挠度，各项均未发现异常。在正式提升开始至70 min，提升高度约5.5 m时，东侧观测位发现侧向一根支撑快速变形，拉杆出现扭曲现象，随时可能发生支撑钢架失稳，应急安全装置受力后变形才逐步稳定。监测数据显示，整个提升过程提升钢绞线受力均超过被提升结构和其他附加装置质量。

通过实验说明，这种简化的设计方法存在较大的安全隐患，如果没有其他安全措施，有可能引起重大安全事故。

4 实验数据整理与分析

通过实验数据分析，提升操作没有明显违规现象，钢绞线应力状况显示，提升荷载基本保持不变，约等于提升荷载标准值，远小于荷载设计值。提升结构从侧向结构开始破坏，经检查，材料无明显缺陷，发生破坏只有可能是荷载超过了材料极限承载力。

侧向支撑规格为150 mm×150 mm×7 mm×70 mm的H型钢，材质Q345B，其截面特性：A=39.10 cm2，净截面积比取0.9。其中，H=2 494 mm，L=2 531 mm，θ=45°。

方案中中侧向支撑计算简图如图3所示。

图3 侧向支撑计算简示意

侧向支撑拉力设计值：T2=125 kN，σ=T2/Aw=66 MPa＜f=310 MPa。

虽然方案计算时没有考虑长细比和压杆承载力降低系数，但即使考虑压杆承载力降低系数，经测算，按φx=0.9，φy=0.8，η=0.7计算，在计算荷载作用下，强度验算、平面内稳定验算、平面外稳定验算仍然是安全的。可以肯定问题主要在于计算模型没有反映结构真实的受力状态。静置状态提升结构受力安全以及提升过程屈服破坏反映出提升过程中提升结构受力状态与结构简化计算模型并不一致。

大部分情况下，在重型结构提升过程中，主要为了克服被提升结构竖向荷载，侧向结构处于辅助状态，其受力相对垂直支撑结构受力极小，设计时往往按构造考虑。但实际提升过程中，由于提升千斤顶规律性动作、阵风、提升过程的不同步等均可能导致被提升结构和构件小范围的晃动，由于这些被提升构件荷载的巨大，其微小的受力方向变化均可能产生较大的水平分量，由于设计过程没有考虑这一分量，其结果往往导致相应受力构件破坏[7]。

考虑提升过程不同受力状态，充分考虑提升过程每一动作的作用和影响，其中按被提升结构2%的重心偏离，重新进行系统设计，提升装置、钢绞线等均没有发生变化，但侧向支撑充分考虑提升结构偏心荷载，验算平面内外稳定性，最终选用规格为400 mm×300 mm×20 mm×20 mm的H型钢，再次提升确认安全可靠。

5 结语

1）采用荷载分项系数设计方法计算和设计提升系统选择钢绞线、提示器等没有任何实际意义和理论基础，被提升结构及其附加装置荷载是明确已知的，无故乘以1.2～1.4的放大系数目的不明确，也不能解决任何问题。设计者需要解决的是对已知的荷载如何在各提升点进行分配，只要充分考虑被提升结构变形情况、同步控制的水平、提升点布置的位置和数量等各方面影响，系统就是安全的。目前，由于基于有限单位分析的计算机软件普及，这项工作难度并不大，而且更有实际意义。

2）简化的支撑系统设计模型存在较大风险。简化模型将钢绞线、千斤顶传递来的提升荷载默认为垂直向下，并试图通过某一个放大的修正系数来调整。实验证明，即使按照已知项目荷载分项系数取值的1.4考虑，系统仍然存在失稳问题。虽然被提升结构的重力是一定的，但是，因被提升结构变形、安装误差、吊点的微小变化、被提升构件的晃动等均可能产生一定的水平分量。由于被提升结构质量的巨大，这些相对垂直荷载较小的水平分量对计算和确定支撑系统各个构件来说都是巨大的。这些支撑构件主要破坏形式不是理想的平面内破坏，其破坏形式基本为平面外失稳。

3）在进行液压整体提升系统设计时，应当依据施工各个时点、各种工况系统的不同受力状态、荷载传递途径进行模拟设计。在起吊、被提升结构变形、同步、提升、下落等不同阶段，各个提升点荷载大小、方向均存在差异，在被提升结构各种极限状态，如拼装误差造成的重心偏移、拼装位置偏差造成的提升荷载方向改变、提升过程产生的纵向和横向摆动等同样将引起系统受力状态的差异，只有全面分析了这些差异，所得到的设计结果才是安全可靠的。