基于Midas的網架整體頂升施工關鍵技術

曾曉軍，宋 曉

（廣州工程總承包集團有限公司 廣州 510310）

0 引言

網架結構是廠房類建筑屋頂常采用的機構形式，傳統的高空散拼及網架抬吊方式受場地條件的制約，具有一定的局限性［1］。網架結構采用“汽車吊散拼裝裝整體頂升單元，然后整體頂升，最后周邊區域散件單元安裝”的工藝［2］，降低高空作業范圍和風險，施工效率得到提升。

廣州某研發基地擴建項目的碰撞試驗室屋面為單層鋼網架結構（見圖1），是包含螺栓球節點和焊接球節點的組合結構，網架尺寸為48.5 m×51.8 m，20 個支座支承在下部混凝土獨立柱的柱頂埋板上，網架上弦球標高為12.2 m、下弦球為8.4 m。網架結構和部分預先安裝好的檁條總重量合計150 t。

圖1 網架結構有限元模型Fig.1 Finite Element Model of Grid Structure

1 現場拼裝及準備工作

1.1 現場拼裝

網架拼裝場地布置于網架設計位置的正下方混凝土地面，根據施工進度運輸及布置拼裝胎架，以完成網架拼裝。網架頂升單元拼裝前，技術人員根據圖紙設計尺寸，在混凝土地面上放出網架基本單元軸線和定位控制線，方便安裝過程定位控制和安裝偏差處理。網架拼裝內容包括網架結構拼裝與焊接、上弦檁條、上弦節點支托裝配與焊接［3-4］。

1.2 頂升點的設置

頂升采用液壓同步頂升技術，事先選擇好合適的頂升點位。頂升點在平面的位置選擇需要綜合考慮網架各區域的重量，盡可能減少網架成型后的受力體系狀態［5］，在頂升工況進行時，網架桿件的應力比和撓曲變形均需滿足《鋼結構設計標準：GB 50017—2017》要求。本項目根據網架的平面尺寸和結構形式，在計算的基礎上共布置6個點用于同步頂升（見圖2）。

圖2 鋼網架頂升點布置（黑色實心圓圈）Fig.2 Layout of Lifting Points of Steel Grid（Black Solid Circle）

1.3 獨立柱柱頭設置

網架周邊一圈的桿件（主要是上弦桿和腹桿）與混凝土立柱頂端支座附近存在豎向位置的沖突（即散裝單元）頂升前不能拼裝。在中部主要范圍內的網架頂升在預定標高后，采用汽車吊和人工配合的方式安裝周邊一圈散拼的桿件單元。同時由于網架腹桿與混凝土獨立柱柱頭存在位置的沖突，采取變截面的柱頭形式（見圖3）。

圖3 獨立柱柱頭設置大樣Fig.3 Detail of Independent Column Head Setting （mm）

2 架整體頂升

2.1 頂升架的設置

頂升架主體為螺栓球格構柱，每個標準節尺寸為1.2 m×1.2 m×1.2 m，螺栓球格構柱的優點是可化整為零，運輸方便，在網架拼裝完成后，可通過人力將桿件及球運至頂升點附近；安裝靈活方便，不需要吊車等大型設備，可操作性高；頂點為四角錐，體積小，不受網架腹桿等影響。

為保證頂升點端部支座的穩定性和支撐力的有效傳遞，在頂升架頂端布置十字形托架（見圖4），通過托架與上弦螺栓球節點連接。

圖4 網架托架軸側視圖Fig.4 Side View of Grid Bracket Shaft

頂升架下部節點不僅起到支撐頂升架及網架荷載的作用平臺，非常重要。

頂升部位為400 mm 厚鋼筋混凝土地面，首先將地面清理干凈，再放置油缸底座（見圖5），尺寸為1.5 m×1.5 m。

圖5 頂升架底座Fig.5 Lifting Frame Base

2.2 網架頂升工況仿真分析與桿件替換

為了保證頂升點附近桿件在頂升過程中原設計圖紙桿件不因應力比過大發生扭曲變形，采用Midas Gen進行網架頂升施工工況仿真模擬分析［6］，并找到應力比超過0.9的桿件（見圖6）。

圖6 網架應力比分布Fig.6 Stress Ratio Distribution of Grid Structure

進行桿件截面替換后，重新驗算桿件應力比［7］（見表1），確保了頂升過程中的質量和安全。

表1 替換桿件前后應力比Tab.1 Stress Ratio before and after Replacement of Membe

2.3 頂升架有限元分析

建立的頂升架有限元分析模型，頂部最大支反力為312 kN；頂升工況進行的過程中，頂升架桁架單元應力比最大值為0.49（見圖7），滿足《鋼結構設計標準：GB 50017—2017》要求。

2.4 網架整體頂升流程

在網架在地面拼裝完成后，進行檢查和驗收將6 個液壓千斤頂放置在安裝好的頂升底座上，液壓千斤頂與頂升底座的連接為螺栓連接。在拼裝好頂節的頂升架相關構件后，調節高度使頂升底座密貼在上弦球的底部，即具備進行頂升條件［8-9］。

先將網架頂升至離開地面支點0.15 m，并停機靜置12 h，在靜置過程中，對地面沉降、支架桿件變形、垂直度等內容進行排查并整改。

在靜置不少于12 h 且檢查無異常時，頂升工況正式進行，初期按照每頂升20 cm 靜置5 min 的方式，在頂升托架距離支座點大于1.2 m 后停止油缸加壓，將下一個標準節安裝在端頭頂升節段的正下方，頂升架體在千斤頂回油后支撐在底部基座上，繼續頂升并循環此工序。按照每次頂升高度1.2 m 來控制，總計頂升約10次。

2.5 網架頂升過程注意事項

頂升工序進行的初期，按照每頂升20 cm 的高度控制進行網架的常規檢測，如果6 個頂升點相互之間高差控制在1 cm 以內時，按每頂升60 cm 高度后進行一次常規檢測［9］。

網架在整體頂升時，必須保證同步，液壓油缸的控制系統必須由專人進行操作，以保證6 個油缸的頂升速度一樣。

在6個頂升點位置采用鋼絲繩配套手拉葫蘆的方式，將網架與頂升架體相連，鋼絲繩上端與下弦球節點緊緊箍住，保證頂升架與網架緊密連接的整體性，鋼絲繩按各個方向同時拉直緊固的方式，確保網架整體受力均勻并不產生形變［10］。

2.6 質量驗收

頂升施工過程中，對網架結構進行實時監測：

⑴現場網架安裝的允許偏差滿足要求，長邊方向長度為L/2 000（±25.9 mm），相鄰支座高差小于L單跨/150（±54 mm）且不大于15 mm。

⑵頂升過程中的撓度值，在頂升過程中和網架就位卸載后分別測量網架結構的撓度，結果表明撓度值小于設計值要求。

3 結語

本工程中網架采用整體液壓頂升技術進行安裝，具有如下明顯的優點：

⑴網架結構的拼裝（包括弦桿、螺栓球、焊接球、部分檁條）在網架到位最終狀態的正下方安裝，材料可以均勻攤布在場地上，實現平面流水平行作業。

⑵網架除外圍桿件采用空中散拼外，中部大面積采用整體頂升，降低了高空作業風險，保證了工期。

網架同步頂升和卸載，采用6 臺千斤頂同步控制荷載和位移，保證了頂升穩定性。

⑶獨立柱頂部圓形端頭采用變截面方式施工，避免了外圍桿件與支座的位置沖突。

⑷通過采用有限元分析軟件，對網架頂升工況進行仿真分析，更換應力比超限的桿件，確保頂升施工的安全性。