树状柱结构自平衡提升安装方案分析

余少乐 雷 克 陈新喜 陈海洲 孙晓阳 张学伟

中国建筑第八工程局有限公司 上海 201204

1 工程概况

南京牛首山文化旅游区一期——佛顶宫屋盖结构建筑面积约20 000 m2（图1）。屋盖为单层网壳结构，呈不规则曲面形式，最大跨度130.0 m，最大高度56.3 m；屋盖西侧沿外边线支撑于下部山坡上，中间及东侧全部敞开，仅设处4根树状支撑结构，屋盖东侧下方建有椭圆混凝土结构，西侧有山体，操作空间狭小（图2）。

图1 牛首山佛顶宫整体效果图

图2 牛首山佛顶宫屋盖树状支撑示意

2 树状柱结构形式

图3 南、北大树示意

2.1 树干结构形式

该工程树状结构施工的现场条件比较特殊：树状柱下方地面为大地下室顶板，板厚200 mm，已经施工完成，不适合作为树干部分底部固定位置。因此树杆底部穿过楼板固定在地下室底部。南大树从152 m标高至176 m标高，总高度24 m，质量约150 t，其中地下室顶板混凝土平台标高164 m，因此平台以上高12 m。管内灌装C40混凝土至164 m标高处。北大树从145.25 m标高至176 m标高，总高度30.75 m，质量约180 t，其中混凝土平台标高164 m，因此平台以上高12 m。管内灌装C40混凝土至164 m标高（图4、图5）。

2.2 树枝结构形式

为了配合建筑外观要求，每处支撑结构由12根八边形变截面钢结构柱构成。单个树枝最大质量71.14 t，长52.66 m，为南大树7-A树枝，最小质量树枝为北大树13-C，质量为15.47 t（图6）。

图4 树干结构尺寸

图5 树干基础示意

图6 南、北树状柱树枝示意

3 树枝运输拼装

受限于现场场地情况，树状柱从加工厂按批次运送至现场。由于最大树枝长度达到52 m，因此树枝分节运送到现场后再拼装。

3.1 树枝运输

根据现场安装情况逐步运输树枝至施工现场，其中南大树树枝运输顺序为：10→11→12→9→8→2→3→4→5→6→1→7；北大树树枝运输顺序为：18→17→16→15→14→20→21→22→23→24→19→13。树枝主杆均为12 m/节，平均单节质量15 t，运输采用13 m箱式拖车运输，单次运输量不大于30 t。构件运送至现场后由东门进入，至安装现场的现有靠近山坡道路由北侧进入安装现场，行车路线主要沿现场预先设定的路线行进。

3.2 树枝拼装

树枝分段进场后，现场设置焊接拼装胎架，胎架高1 m，采用140 mm×14 mm角钢作为支腿，宽100 mm、厚20 mm钢板条作为担杠，宽度1.2 m，支撑架平均10 m一道，按最长树枝设置拼装胎架。12 m树枝段通过25 t吊车吊装至胎架上平放，在邻接树枝上焊接2条定位耳板，将邻接树枝吊放至下一处位置，定位耳板卡住上一节树枝顶部，接缝下部采用千斤顶调整2节树枝平整度，最终逐层焊接。树枝焊接采用原位环形焊接，焊条采用大西洋焊丝，二氧化碳保护焊进行焊接（图7）。

图7 树枝拼装示意

4 自平衡提升法安装方案

4.1 大型钢结构常用安装方案

南、北大树总质量达到1 000 t，单根树枝最大质量达到70 t，作为大型钢结构工程，在确定其安装方案前本文收集了国内大型钢结构常用的安装方法[1-4]。归纳主要可分为以下7种：高空散拼法、高空滑移法、分条或分块安装法、整体吊装法、整体提升法、整体顶升法、折叠展开法。

4.2 自平衡提升法

牛首山树状柱的施工周期紧张，而且现场条件比较特殊，存在的具体情况如下：

1）树状柱下方地面为大地下室顶板，已经施工完成，且作为消防通道只允许上不超过75 t汽车吊，大型机械设备不能进入场地。

2）树状柱和周边建筑及山体都很靠近，部分树枝难以平躺。

3）树状柱投影面积较大，树枝位置较高，搭设满堂脚手架费时费工。

综上以上3点，地面和空中限制条件较多，常规的提升方法不适用于本工程。因此针对本工程提出了自平衡提升法。自平衡提升法是指同步提升或者不同步提升一对或多根树枝，在提升架设置一定数量的拉索平衡提升过程中的力，使得整个提升体系的力能自平衡。第1步，在地面胎架上拼装一组树枝，安装提升塔架和提升设备；第2步，用轻型吊车将树枝吊起，使树枝一端与提升吊点相连，另一端通过销轴形式与树干相连以便于根部转动；第3步，启动提升设备，使树枝绕着根部的铰点旋转，旋转到位后将树枝根部与树干对接；第4步，树干节点焊接完成并满足要求后，在树枝下部采用支撑架支撑，并卸载提升设备。这就完成了一组树枝的提升，其余各组树枝也按照此流程提升（图8）。自平衡提升法能够适应各种大型树状结构，但在制订方案时，需根据树状结构的几何特征和现场条件灵活选定提升单元组和提升机械。

图8 自平衡提升法流程

4.3 自平衡提升方案比选

自平衡提升法可以采用不同的方案实施，下面讨论3种方案：同步自平衡提升方案、不同步自平衡提升方案、不同步带配重自平衡提升方案。针对最大质量的南大树7-A树枝，采用3D3S空间结构分析软件，建立3种方案的整体分析模型，寻找最优方案（图9）。

图9 有限元分析模型

1）同步自平衡提升方案。同步自平衡提升方案是指同时提升一组中的2个树枝的方案。在提升过程中，树枝作为机构运动，提升索索力是不断变化的（图10）。从图10中可以看出，最大索力发生在树枝起吊就位阶段，为1 209.99 kN。然而此时A索和B索的索力差异较大，左右不平衡力由塔架和缆风绳来承受，缆风绳最大索力1 089.4 kN。

图10 同步提升方案提升索索力

2）不同步自平衡提升方案。不同步自平衡提升方案是指先提升质量较大的一根树枝，另一根作为配重通过2道拉索相连，其中一道和底部树干相连，另一道和顶部提升塔架相连，形成一个传力体系分担塔架的不平衡力。从树枝起吊就位阶段和质量较大的树枝提升到位阶段的索力值（图11）可以看出，提升索最大索力仍为1 209.99 kN不变，但起吊就位阶段A索与B索的索力之差由原先的991.44 kN减小为252.05 kN，减小74.6%。提升到位阶段A索与B索的索力之差由原先的421.26 kN减小为3.37 kN，减小99.2%。缆风绳的索力由原先的1 089.4 kN减小为587.1 kN，减小46.1%。

图11 不同步提升方案提升索索力

3）不同步带配重自平衡提升方案。由于缆风绳的受力仍然达到587.1 kN，因此缆风绳需要保证固定的稳固性。由于本工程是在地下室顶板上施工，顶板不能提供足够的锚固点，缆风绳需要锚固到地下室柱子或者基础底部。从上面的分析可以看出，小树枝作为配重和下部背索构成的传力体系能够明显减小2根提升索的受力不平衡，而且能够有效减小缆风绳的受力。因此，结合现场的条件和进度要求，提出了不同步带配重的自平衡提升方案。不同步带配重提升方案是指利用小型设备将和要提升的大树枝对应的小树枝及两侧的2个小树枝提升到设计位置，然后利用3根小树枝作为配重，每根树枝通过2道拉索分别和塔架顶点和树干底部相连，形成一个整体受力体系。从树枝起吊就位阶段和较重树枝提升到位阶段的索力（图12）可以看出，提升索最大索力仍为1 209.99 kN不变，但是缆风绳在此方案中只是作为结构的第2道防线，多加的2个配重和对应的拉索替代了原来缆风绳的作用。

图12 不同步带配重提升方案提升索索力

将上述3种方案计算结果列于表1。从表1可以看出，相比较同步提升方案，不同步提升方案能够有效地减小缆风绳的受力，减小塔顶位移。不同步带配重提升方案相对不同步提升方案而言，缆风绳作为第2道防线，在提升过程中参与受力程度较少，B索的索力在起吊就位阶段和起吊到位阶段相比不同步提升方案分别减小了36.5%和43.4%，不同步带配重提升方案由于采用了3根背索，最大背索的拉力只有386.882 kN，比同步提升方案背索的索力减小了72.5%，塔架顶点的位移也比不同步提升方案小，安全系数更高。因此选用不同步带配重提升方案进行施工。

表1 3种不同方案计算结果对比

5 结语

南京牛首山树状柱的施工周期紧张而且现场条件比较特殊，地面和空中限制条件较多，最大树枝长度达到52 m，对树枝采用分节运送到现场后再拼装。原地拼装的树状柱由于本次施工的特殊性，常规的安装方案不适用于本工程，针对本工程的特点提出了自平衡提升法。在自平衡提升法中比较了3种方案：同步提升法、不同步提升法、不同步带配重提升法。通过对3种不同方案的比选，为本工程选择了最优方案，即不同步带配重提升方案。相比较其他2种方案，不同步带配重方案安全系数更高，操作可行性更大。