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大跨度钢结构整体提升关键问题分析来源：人大经济论坛论文库 作者：林宛平 时间：2015-05-22
大跨度钢结构整体提升关键问题分析
摘要：大跨度结构整体提升是指结构在地面整体拼装成型，依靠竖向结构顶部作为提升承力点，采用柔性钢绞线作为提升承重索，通过专门的液压千斤顶作为动力装置将提升结构高空提升就位的施工成型方式。由于提升钢绞线长度不受限制，因此可实现结构的超高空、长距离提升施工。而液压千斤顶的引入也使得提升设备不仅起重能力强并可实现连续不间断提升。因结构的拼装都是在地面或低空进行，无需大型吊装设备，避免了高空作业，可显著减少支撑用量，因此施工效率高且降低了施工成本，是一项绿色建造技术。目前，该技术广泛应用于大跨度空间结构以及高层建筑中大跨度钢结构连廊的建造中，本文从结构提升阶段的受力机理出发对提升中的关键问题，如提升阶段力学特点、与结构一次成型的差异及如何进行杆件调整与变形补偿、非完整结构提升过程的稳定处理、合理的提升力的确定以及提升过程控制、刚性结构提升控制等进行系统的研究与分析，再结合施工的效率、经济性等因素给出相应的应对措施。关键词：大跨度钢结构；整体提升；分析
引言
整体提升一般提升重量大、高度高，通过少量吊点实现结构竖向运动，且提升过程中提升钢绞线不仅是结构的牵引装置又是承载系统，不同于结构滑移等在固定轨道上运行，因此提升过程中的安全性至关重要。目前国内对整体提升进行了较为深入的研究，但大都集中于对某一工程的应用型研究，且主要是针对施工工艺技术的研究；而针对提升过程不同阶段的力学性能进行深入细致的研究较少，本文就对其进行了分析研究。
一、整体提升关键问题分析
1、完整的结构提升实施方式分析
当采用整体提升施工时总希望结构与一次成型状态下的差别尽量小，若能进行完整的结构提升则就位后就无需焊接工作。由结构提升阶段的受力特点，提升钢绞线对结构只提供竖向约束，提升过程中结构处于简支状态，因此，只有一次成型时与支座或竖向支撑结构为简支连接的提升结构才有可能实现完整的结构提升。提升过程结构力学模型见图1。
当提升结构直接放置于竖向支撑结构上时，结构跨度大于提升平面空间尺寸，提升结构将与原竖向支撑结构相碰，显然无法采用直接提升的施工方式。此时，可先将提升结构在平面位置上斜向分榀拼装，然后再进行提升，当提升到位后再转体滑移就位（见图2）。该方式适用于跨度较小，多榀独立的结构。对连体结构采用牛腿支撑时，可采用在牛腿侧面提升，竖向提升到位后再水平滑移就位的施工方式（见图3）。
2、合理的结构分解与合龙方式及提升点的选取原则分析
提升结构与支撑结构连接形式见图4。当提升结构与竖向支撑结构为刚接连接时，提升前必须先对提升结构支座处的杆件进行分解；工程中有些结构虽为铰接连接，但不具备转体提升条件时也需先对提升结构支座处的杆件进行分解。为实现提升要求，要在竖向支撑结构的顶端设置提升架，提升架的向外悬挑量是本问题的关键，其对竖向支撑结构的附加偏心弯矩、提升架的用钢量、提升结构的拆解位置与局部加固量影响较大。当高层建筑中的连体结构与竖向主体结构刚接时，一般竖向主体结构刚度大，提升阶段因提升架悬挑提升力偏心而引起的附加弯矩小于连体结构成型状态下的端部弯矩，因此提升偏心附加弯矩对竖向结构影响不大，但悬挑越大，提升架的用量越大，提升结构的加固量可能减少。例如对桁架结构，若提升架悬挑过少则难以直接将提升点设置于桁架的节点处，而需对提升结构进行临时加固，见图5（a）。因此，提升方案实施时应根据悬挑提升架的用量及被提升结构的加固量、施工的便捷度等因素来综合确定提升结构的分解位置。连体结构与竖向支撑结构铰接的情况见图5（c）。提升架的过大悬挑将对竖向主体结构产生过大的偏心弯矩，对竖向主体结构受力极为不利，因此工程中一般通过尽量减少提升架的悬挑长度以减小提升附加弯矩。提升结构的分解位置、分解段大小不仅要考虑提升阶段，同时也关系到提升结构的后期合龙施工。结构的合龙形式分为预留合龙缝和预留合龙段两种方式（见图6）。对于采用预留合龙缝，其后期焊接量少，但对提升结构拼装、竖向主体结构上的预埋件位置与提升精度要求高，当分解位置处为单梁式连接，可采用该方式；而分解位置处杆件较多时，例如桁架结构，一般采用预留合龙段的方式，有利于后期合龙施工的顺利进行。
对于提升结构与竖向支撑结构为刚接的情形，合龙前后受力截然不同，因此合龙时机的选取至关重要。工程中应根据设计阶段所考虑的结构一次受力下的设计温差选取合理的合龙时机。结构提升阶段提升力主要克服结构自重，与一次受力基本相同，因此提升点的选取应尽量与原结构支撑点保持一致。对于空间网格结构，由于建筑面积大，单点提升力可能过大，有时采用增加临时提升点的解决方式，此时应尽量避免因新增提升点而引起的杆件内力变号的情况。
3、结构杆件的调整与整体变形补偿
根据提升阶段的力学特点，当提升结构与竖向主体结构之间为简支连接时，两者前后差异小；当提升结构与竖向主体结构之间为刚接时，两者内力、变形等差异很大，应对结构前后受力状态分别进行分析。提升结构使用阶段的支座固支与提升阶段支座简支对提升结构的内力差异巨大，因此需对提升结构按提升阶段的结构自重与附加荷载对杆件进行内力验算与调整，常采用适当增大跨中截面，因结构自重作用已经发生，可适当减小支座截面的方式。实际工程中，为减少两者差异，应尽量减小提升阶段荷载。工程实践表明，对大跨度楼盖结构，因提升阶段仅有钢结构自重，其楼板、屋面板尚未施工，各类建筑装修以及活荷载尚未作用，此时结构自重较小，提升结构两个阶段的受力差异一般不大；而对大跨度屋盖的连体结构，常采用轻屋面，其结构自重占总荷载比例大，提升前后结构内力差异一般较大，应复核调整相应的结构杆件截面。结构固支与简支挠度差异很大，尤其是对大跨度钢结构，应对结构在施工阶段进行预起拱的处理措施以减少两阶段的变形差异。 4、提升过程中结构稳定性保证措施
为充分利用建筑空间，在高层建筑连体中常采用平面桁架平行放置的布置的方式，桁架之间通过次梁连接然后再浇筑混凝土楼板以保证结构的整体性。因提升结构在提升阶段混凝土楼板尚未浇筑，平行桁架的面外稳定性无法保证，通常在结构受压上弦布置临时水平支撑形成上弦平面桁架以确保结构提升阶段的稳定性，如图7所示。在大跨度钢结构中，常采用多榀平面桁架平行布置或在边部设置大跨度桁架的布置方式。受施工现场条件限制，施工时常为单榀提升，因结构跨度大，提升时同样存在着结构平面外稳定的问题，此时可采用在桁架外增设临时加强桁架的稳定措施。临时桁架可设计成通过螺栓与主桁架相连接的构造方式以便于后期拆除与重复利用，如图8所示。
5、提升力的确定与提升过程控制选取方式
（1）提升力的确定
在对结构进行承载力极限状态设计时，一般引入结构重要性系数和荷载分项系数以确保结构的安全性。与设计阶段不同，在提升阶段若仅简单引入荷载分项系数与动力系数要确保提升过程的安全性显然是不够的。因为提升施工是动态过程，在该过程中提升结构各提升点的竖向运动与理论分析之间总存在着差异，而提升点的运动误差可能对提升力影响很大，尤其对刚性结构。图9为某刚性对称桥面的四点提升，因结构刚度大，理想静力平衡情况下，显然各点的提升力均为G/4，但若在提升过程中B点上方的千斤顶作用行程比其他三点稍慢，则由结构平衡与对称性，该点提升力立即接近零，而相邻点的提升力则变为理想提升下的两倍，如图9（b）所示。因此，用普通的静力平衡条件求提升结构的提
升力存在较大的安全隐患。
（1）提升过程控制方式的确定
在提升过程中，为确保结构的安全性应根据上述分析结果对提升力严格控制或严格控制提升不同步引起的位移误差。如果结构出平面刚度很大，则一般以力为控制，这样可以确保结构的安全性；对刚度较小结构应以位移作为控制方式。图9为刚性结构，较小的不平衡位移引起较大的提升力变化，对提升力控制更容易。图7为两平行桁架，因两榀桁架受提升力受不均衡位移的影响很小，在提升过程以位移作为控制条件。
6、刚性结构提升技术
由上节的分析可知，对刚性结构应以力为控制。当结构刚度很大时，则提升力的变化幅度很大，这对设备的要求很高，同时也使得提升架、连接节点的设计不经济。工程中有时通过提高设备精度对提升误差进行控制，而过高的精度要求会导致提升速度过慢，效率低，且设备的高要求也并非所有工程均能达到，所以如果能对刚性结构进行调整，无论安全上还是经济上均十分有利。
7、提升过程中千斤顶故障锚固回缩影响
在整体提升过程中通过安全锚确保当千斤顶某元件发生故障时提升的安全性。因安全锚的作用是通过钢绞线带动夹片回缩锚固实现，提升过程中若某一点出现问题有锚固回缩，而其他提升点千斤顶无此动作，因此会引起各提升点提升千斤顶的不同步。当同提升点有两台或两台以上千斤顶时，该不同步可能会对相邻千斤顶产生较大影响；当提升点只有一台千斤顶时，由2.5节分析对刚性结构提升且提升钢绞线较短时对相邻点影响较大，工程设计时应予以考虑。
参考文献：
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