大跨度悬挑钢结构连廊吊装施工的模拟分析

张文琅

中铁五局集团建筑工程有限责任公司 贵州 贵阳 550002

1 工程概况

某工程地上钢结构由2栋塔楼以及中间大跨度悬挑钢结构连廊组成（图1），塔楼逐层悬挑，最大悬挑长度达18.9 m，结构共7层，总高度31 m，采用钢框架-中心支撑结构形式，其中斜撑钢构件主要集中在6层及以上的悬挑部位，6层以下部分悬挑及连廊中间位置也有斜撑分布，斜撑的主要截面形式包括箱形和H形。钢结构主要由钢柱、钢梁、钢斜撑组成，钢柱与主梁主要为刚接节点，钢斜撑与钢柱为刚接节点，主梁与次梁主要为铰接节点，其中刚接节点为一级焊缝；钢结构主要截面形式有H型钢、变截面H型钢、箱型钢以及十字型钢，材质主要采用Q345B和Q390B。在6层以上采用钢结构连廊连接2座塔楼，连廊跨度达33.6 m，最大悬挑长度达16.0 m，连廊施工存在大跨度、长悬挑的特点，结合现场吊装作业面小的情况，给现场连廊吊装施工带来很大的难题[1-4]。

图1 结构模型示意

2 方案比选

针对本工程钢结构连廊跨度大、悬挑长、吨位大、斜撑多以及现场施工具体情况等特点，结合以往施工经验以及国内外大跨度钢结构安装工程实例，进行了多方案的比较、分析。

2.1 整体吊装

1）特点：将结构在地面拼装成整体后，采用起重设备吊装至设计位置。

2）优点：地面拼接可有效保证焊接质量及几何尺寸。3）缺点：需超大型起重设备，费用昂贵。

2.2 高空散拼

1）特点：结构在设计标高一次拼接完成。

2）优点：可用较小起重设备。

3）缺点：现场高空作业量大，需要大量支架材料。

2.3 分片吊装

1）特点：地面进行部分拼接，高空吊装就位。

2）优点：高空拼接作业量及现场支架使用量减少。

3）缺点：需要采用专门设计的临时支撑，采用较大的起重设备。

2.4 方案确定

通过分析比较，考虑到现场施工条件比较窄，建筑背面无法停放吊车，只能在建筑正面进行吊装的情况，决定采用分片吊装方案，即在地面将连廊主梁焊接后进行分片吊装，在连廊主梁中段设置临时支撑进行受力。吊装过程中，结构的空间定位测量以及吊装完成后临时支撑卸载是关键，因此，需要对整个吊装及卸载过程进行施工模拟，以便指导现场施工。

3 现场施工

3.1 机械选型

连廊单根主框梁质量达7.5 t，最远的主框梁吊装半径达45 m，根据汽车吊吊重性能分析，决定采用塔楼主体吊装的QGC130型号130 t履带吊，以满足现场的连廊吊装要求，另采用1台25 t汽车吊进行构件的卸货及近端钢连廊次梁吊装。

3.2 吊装流程

根据结构形式，在每根钢连廊的中段下方设置临时支撑，作为吊装过程中钢梁自重受力的支撑点，避免钢框梁发生过大挠度和变形。钢结构连廊现场施工按照以下步骤进行：先吊装6层最靠里的2根主框梁以及之间的次梁，接着吊装7层最靠里的主框梁及次梁，接着吊装6层从里往外的第3根主框梁及次梁，然后吊装屋面层最靠里的2根主框梁及次梁，如此循环，确保上一层的主框梁比下一层少1～2根，不影响起重机械的吊装操作。在钢梁吊装过程中，穿插安排钢筋桁架楼承板安装工作，值得注意的是，为保证临时支撑卸载后楼承板混凝土不会产生裂缝，6层及以上楼板混凝土浇筑在临时支撑卸载后进行。

结构安装完成后，暂不浇筑6层及以上楼面混凝土，25组临时支撑架同步进行卸载，支撑架卸载后方可进行6层及以上楼面混凝土浇筑。

3.3 临时支撑施工

本工程钢结构连廊区域设置7组四肢格构式临时支撑架，包括主框梁下方4组和连廊悬挑区域3组，其中布置于6层钢连廊主框梁下方的临时支撑架高度约26.0 m，布置于钢连廊悬挑区域的临时支撑架高度约28.8 m。根据支撑架承受荷载，对支撑架设计如下：支撑架平面尺寸2.0 m×2.0 m，顶部节间采用H200 mm×200 mm×8 mm×12 mm（Q235B）型钢作为平台，采用B120 mm×6 mm、B120 mm×5 mm（Q235B）矩管加强（图2）。

图2 临时支撑架顶部结构布置

为了保证临时支撑架的侧向稳定，在上部钢结构未就位前，在临时支撑架四周拉设缆风绳进行临时固定。在上部钢结构就位前，不可拆除缆风绳。

整体同步进行卸载，卸载时每个支撑架派2名工人进行操作，通过通信设备，由现场项目管理人员统一指挥，保证在大致同步的条件下进行卸载。

4 连廊吊装施工模拟分析

本工程钢结构采用分片吊装，对结构施工过程进行计算机仿真模拟分析，采用通用有限元分析软件Midas Gen 2014进行建模分析验算。验算过程中结构自重修正系数取1.3。在边界、单元、节点、支撑架等设置中，支座、支撑架以及各个连接节点，根据施工分步中采取的措施，严格按照图纸以及施工过程进行模拟分析。

根据已经制订的施工过程，首先按照普通钢构吊装完成2座塔楼，再按照如下顺序吊装塔楼悬挑部分和连廊结构：

1）阶段1：设置主框梁临时支撑，依次吊装6层、7层最远端主框梁及相连次梁。

2）阶段2：吊装6层第3根主框梁、屋面层最远端主框梁及相连次梁。

3）阶段3：依次吊装完成6层至屋面层连廊主框梁及相连次梁的吊装。

4）阶段4：按照主框梁的顺序吊装连廊悬挑区域梁及斜撑，并对梁、斜撑的焊接质量进行检查。

5）阶段5：采取同步措施，拆除连廊区域临时支撑。

通过施工阶段分析计算，连廊在各吊装施工阶段位移、应力结果见表1。

表1 连廊吊装各阶段分析结果

通过上述分析结果表明，在连廊吊装过程中、未拆除临时支撑前，结构最大竖向位移为6.5 mm，水平位移均很小；构件最大组合应力53.0 MPa、最大剪应力5.0 MPa，小于钢材设计强度，最大应力出现在悬挑部位临时支撑处杆件上，位置合理（图3）。

在连廊吊装过程完成、拆除临时支撑后，结构最大竖向位移为16.9 mm，水平位移均很小；构件最大组合应力43.5 MPa、最大剪应力4.6 MPa，小于钢材设计强度，最大应力出现在连廊跨中处杆件上，位置合理（图4）。

根据施工模拟分析计算结果，连廊吊装过程中最大的竖向变形量为16.9 mm，小于设计最大允许下挠值L/400=21 mm，变形满足要求。最大组合应力53.0 MPa、最大剪应力5.0 MPa，小于钢材强度设计值，满足要求。通过施工模拟计算结果，说明连廊吊装施工过程安全。

图3 连廊结构吊装完成时的变形及应力云图

图4 临时支撑拆除后的变形及应力云图

5 结语

在钢连廊吊装及卸载过程中，通过对钢结构连廊的变形进行观测，可以发现，在连廊安装完成后、卸载前，最大变形实测值为7.5 mm，发生在连廊悬挑部位，较施工模拟值6.5 mm稍大，但符合标准要求；卸载完成后，最大变形实测值为18.2 mm，发生在连廊悬挑部位，较施工模拟值16.9 mm稍大，但亦满足标准要求。

通过对施工模拟的分析计算，验证了方案的合理性，为施工时钢结构的受力和变形提供了可靠依据，确保了钢结构施工的安全与质量，同时也为类似钢结构工程提供了借鉴。