大跨度钢结构场馆悬挂结构施工技术研究

徐 驰（上海市机械施工集团有限公司， 上海 200072）

在大跨度钢结构城市场馆建筑领域，悬挂钢结构的安装历来是施工领域的重大难题。悬挂结构通常设置于主体结构外围，以满足下部空间需求或营造特殊外立面建筑形式。悬挂结构在结构形式上通常设置顶部钢桁架，并通过吊柱或拉杆悬挂下方的楼层结构。若吊柱或拉杆具有一定的倾斜角度，则其结构受力体系更加复杂，施工精度要求更高。

1 项目概况

上海图书馆东馆项目位于上海市浦东新区花木城市副中心，同上海展览馆东馆、中国银联大厦相望。项目规划用地面积约 3.96 万 m2，总建筑面积 11.40 万 m2，其中地上面积 7.80 万 m2，地下建筑面积 3.60 万 m2。主要由 1 栋 7 层高 50 m 塔楼、1 层高 8 m 裙房以及整体地下室组成。上部结构主楼为 16.8 m×16.8 m 规则柱网，外围一圈悬挑尺寸最大为 16.8 m，位于屋顶层，悬挑尺寸往下逐层递减，结构总高度 49.5 m，核心区域采用框架＋剪力墙筒体结构，悬挑区域采用“悬挂结构”。

2 结构特点

本项目的结构设计复杂，为了满足新颖的建筑外观设计要求，外围的悬挂钢结构施工难度大，技术含量高。主体结构采用框架-核心筒结构形式，4 个核心筒之内的范围为非悬挑区域，4 个核心筒之外的范围为悬挑区域。非悬挑区域楼面荷载的传力路径是自上而下的：楼板→次梁→框架梁→框架柱/核心筒。悬挑区域楼面荷载的传力路径是自下而上的：楼板→次梁→框架梁→吊杆→屋顶桁架→框架柱/核心筒。

悬挑区域采用“悬挂结构”，采用全钢结构。在屋顶设置上翻钢桁架，并通过吊柱悬挂下面楼层荷载，下面各层均采用单向实腹钢梁结构，吊柱与楼面钢梁铰接连接。悬挂吊柱的材质均为 Q420C，采用直径为 250 mm 和 290 mm 建筑 UU 吊柱。

3 工程重点及难点

（1）本工程钢结构施工面积非常广、体量大，钢结构用量约为 2.4 万 t，而且工期短，施工工期只有短短的 6 个月。这也是大跨度城市场馆钢结构施工中的“通病”。

（2）本工程中的钢结构节点复杂，加劲肋密集。为了保证大跨度钢结构场馆的使用性能和实践，常常都需要采取大量高强度级别的钢材，常见的有 Q390、Q420、Q460等，而且板厚大（最大板厚达到 100 mm）。因为钢材的等级提升，其可焊性能会降低且焊缝的质量等级要求高，焊接的条件较差，所以焊接难度很大。

（3）屋顶桁架层及外围的悬挂结构在结构受力体系中非常复杂。在钢结构施工的过程中，需要满足设计方对相关结构的受力要求，且悬挂结构及悬挑的桁架均需在安装的过程中考虑预起拱。为了保障结构的稳定性，在安装屋顶层悬挑桁架及悬挂结构时需要设置临时支撑系统，既要保障支撑系统满足受力要求，还需要防止混凝土结构出现损坏的情况。

4 施工总体部署

总体部署原则为：在尽可能利用现场的施工机械的情况下进行钢结构的吊装作业，工序安排上统筹考虑，与相关单位的施工顺序合理搭接。在整体的资源保证上比选优化、均衡配置，施工管理上全面协调、积极配合。

考虑现场的实际工况及结构的特殊受力要求，框架结构采用了动臂吊车施工作业。在悬挑桁架及悬挂结构中采用了分段吊装作业配合临时支撑系统的作业方案。在屋顶层结构完成后继续下方的悬挂结构施工；主楼非悬挑区域钢结构施工完成后，开始悬挑区域钢结构施工。下方的楼层开始利用上一层主楼结构斜拉下层悬挂结构，屋顶层悬挑桁架施工时利用下层主楼结构设置斜撑，桁架分段安装，悬挂结构吊柱待悬挑桁架施工完成后，从顶层逐层安装至底层；吊装安装完成后再自上而下逐层卸载。

4.1 总体安装流程

非悬挑区域采用“自下而上，先柱后梁”的施工技术路线，即传统的框架结构施工技术路线。屋顶层钢结构分为三部分：屋顶层主楼区域（除核心筒）钢构件、屋顶层核心筒区域的钢构件和屋顶层悬挑区域的钢构件。整个屋顶层由主次桁架以及联系梁组成。使用塔吊进行钢结构吊装。屋顶层桁架施工平面流程及顺序如下。

（1）安装核心筒内的主桁架。

（2）安装数字轴线主桁架及对应边桁架。

（3）安装字母轴线上主桁架及对应边桁架。

（4）安装核心筒上方剩余桁架 。

悬挑区域采用“自下而上逐层施工，自上而下逐层拆除临时斜拉杆”的施工技术路线。在顶层悬挑桁架利用临时支撑系统分段安装完成后，开始进行悬挂吊柱的安装，逐层“自上而下”安装至底层，在吊柱本体上设置应变片监控吊柱的受力和变形情况，确保吊柱全过程只受到拉应力。实施步骤如下。

（1）根据每层的预起拱值，计算出层间的吊柱理论长度。

（2）在地面利用调整工具把吊柱调节成理论长度进行安装。

（3）安装楼层的斜拉撑及吊柱，安装完成后继续上一层的斜拉撑及吊柱安装。

（4）如通过吊柱上的应变片监测到压应力，则需要停止该部位的施工并查明原因方可继续下一步施工。

（5）每层吊柱安装完成后需要监测悬挑结构的起拱值，确保满足设计要求。

4.2 现场总体焊接顺序

根据本工程的结构特点及悬挂吊柱的受力要求，在焊接时采取整体对称焊接，以减少焊接产生的应力变形。焊接过程中要进行全面的结构标高、垂直度及水平度的监控，保证结构的预起拱值达到设计要求。焊接的顺序为先焊接核心筒；然后依次焊接核心筒周围的非悬挑区域；等非悬挑区域焊接完成后，再进行悬挑区域的构件焊接；最后进行悬挂吊柱的相关节点焊接。

4.3 施工模拟分析

本工程的结构复杂，为了保证安装进度及施工过程中的安全，利用 Midas/Gen 软件（是一种有关结构设计有限元分析软件，采用高效分析算法，可为复杂的大型结构的建模和分析提供出色的设施和生产力）进行施工全过程模拟分析。主要分析悬挂结构在施工过程中的受力状态变化规律，分析临时支撑系统卸载前后的结构变形及悬挂吊柱的受力状态。利用施工全过程的模拟分析确定临时支撑措施的拆除顺序及流程。

根据施工技术路线，建立关键施工阶段计算模型。共分为 19 个施工阶段，从 ST-1 至 ST-19，如表1 所示。

表1 施工阶段一览表

对主体结构进行施工全过程跟踪分析。分析得到的施工阶段下的结构整体应力分布及挠度分布，如表2 所示。

表2 施工全过程跟踪分析结果表

结构成型过程中，在自重荷载作用下，杆件应力最大值为 202.9 N/mm2，最大应力出现在临时斜拉杆上。当吊杆安装完成，临时斜拉杆逐层拆除后，杆件应力最大值为 141.6 N/mm2，最大应力出现在主体结构楼面梁上。在浇注楼面混凝土后，主体结构杆件最大应力达到 173.0 N/mm2。在结构成型过程中，随着临时斜拉杆逐层拆除，主体结构的挠度不断增加，在浇注楼面混凝土前，结构最大挠度为 96.0 mm，在浇注楼面混凝土后，结构最大挠度为 126.7 mm。均满足设计和结构稳定性的要求。

5 结 语

结合本工程结构的特点和实际的工况，对支撑体系的稳定性和受力情况进行计算，形成稳定的支撑体系。悬挂结构通过先进的建造设备和施工工艺，施工过程中采用分阶段的施工全过程模拟分析，科学合理地定制了悬挂结构的安装顺序，保证了钢结构关键施工过程中的安全可靠性和安装准确性，达到了设计和相关规范的要求。