屋面大跨度钢桁架同步顶升施工技术

唐志勃 穆立春 苏 钢

山东德建集团有限公司 山东 德州 253036

随着我国经济的快速发展，家用轿车走进了千家万户。为能够提供较大的停车空间，建筑及其周边地下空间大都建设成了停车场。而地下停车场顶盖不允许大吨位吊车进行作业，从而造成了有些建筑施工场地比较局促，屋面钢结构骨架只能通过小型吊车或塔吊将散件吊运至屋顶进行拼装成整体，然后通过同步顶升方案使之就位[1-7]。

本文以某县城一座中学图书综合楼屋顶的大吨位钢桁架安装为例，详细介绍该大跨度、大质量空间桁架通过在屋顶拼装完成后再进行整体同步顶升的技术特点、施工过程及分析重点。该技术在本项目上成功应用所积累的经验，可为以后同类项目的施工提供参考。

1 工程概况

某县城第一中学新建图书综合楼，地下1层，地上主要为6层钢筋混凝土框架结构，主体建筑物呈“回”字形结构，东西两侧建筑地上8层，屋面标高36.6 m，南北两侧主屋面结构标高28.2 m。在南北两侧的建筑屋面处有4根800 mm×800 mm的钢筋混凝土柱，柱顶标高34.0 m，柱间距东西向42 m，南北向11 m，每侧建筑物柱顶上安装一个空间桁架的钢构架，钢构架外包铝板装饰（图1）。钢构架长52.8 m，宽15.4 m，高2.6 m，质量160 t。钢桁架是将材料散装吊到屋面之后进行组装制作的。钢桁架的安装分3段进行，从混凝土柱到两侧建筑物之间部分质量不足20 t，采用汽车吊先行吊装就位。因地下空间顶板不允许大吨位吊车站位，故中间部分42 m跨、质量112 t的钢构架采用液压同步顶升的方法提升就位。

图1 图书综合楼正立面效果图

2 项目实施难点

图书综合楼及外延部分地下均设计为地下停车场。经设计单位复核后，中间桁架部分因质量和跨度均较大，且地下停车场顶板不允许采用重型履带式起重机进行单机起吊或双机抬吊，而中庭内起重机也无法驶入，故无法采用四机抬吊的方式安装屋顶钢桁架。为保证施工工期，从经济性、安全性等多方面综合考虑，该项目决定对中间部分的钢桁架实施多台千斤顶同步顶升的施工方案。

该项目在实施过程中存在以下难点：

1）顶升部分的跨度大、吨位大，而且在标高28.2 m的屋面进行，顶升高度6 m。顶升支架不能设置在屋面板和屋面梁上，只能设置在下部有限的4根框架柱顶，端部需要有一部分较大跨度的悬挑。

2）顶升过程中，在顶升支架顶部，钢桁架四面均存在悬挑现象，而支架不便设置能保证其垂直度的侧向支撑来加固处理，因此顶升支架的边界施工模拟相对比较复杂。

3）千斤顶自身行程较短，不能将桁架一次顶升到位，需要通过顶升、临时固定、回油等多次循环才能将桁架顶升到位。因此，千斤顶卸载时的临时固定也相对比较困难。

4）顶升作业施工时由多台千斤顶采用多点位同步顶升，顶升支架的侧面临时固定螺孔加工精度低、初始标高不平整以及同步控制系统不精确等，均极易造成钢桁架顶升支架受力不均而倾斜失稳，严重时甚至发生倒塌事故。因此，本项目对顶升作业的协同控制要求高。

针对以上难题，钢桁架在顶升作业施工之前应先确定顶升支架的结构形式，避开桁架双向交叉节点。然后，对顶升支架底部应进行找平固化处理，以满足顶升施工过程中的安全及精度控制要求（图2）。

3 同步整体顶升的优势

采用同步控制系统控制油泵站和多台千斤顶对结构进行顶升作业已经是非常成熟的技术。结合本工程的特点，采用同步整体顶升技术具备以下优势：

1）屋顶平面整体拼装优势：不必在设计标高处进行高空散件拼装，而是在平整的屋面结构层上进行整体组装；各杆件的焊接均在楼面胎架上进行，全面保证了拼装的质量，使安装进度及工程节奏受到高效控制，有效提高了钢桁架的工程质量；高空作业量减少，可以节省大量的人力、物力和财力，使安全风险程度降到最低[4]；有效降低了工程安装成本。

2）施工工期优势：由于在屋顶平面上进行整体拼装，故极大地缩短了拼装、焊接时间，安装周期缩短，加快了工程施工进度。

3）技术优势：同步整体顶升作业关键技术成熟，尤其是对整体顶升过程的控制，使钢桁架在同步顶升时各顶升点受力均衡，可以防止钢桁架各杆件在顶升过程中因受力不均而变形，保障钢桁架的安装过程安全可靠。

4）成本优势：利用散件进行空中拼装时需搭设满堂脚手架，并且需要长时间占用吊车；而采用同步整体顶升技术进行施工时，顶升支架安装在屋面层混凝土框架柱顶上，能极大降低工程安装成本，并能保证屋面混凝土结构的安全。

4 施工方案确定

4.1 整体思路

因场地条件限制，钢桁架必须在屋面上进行拼装。布置好胎架后联系设计院进行钢筋混凝土屋面结构的复核工作，确认满足条件后，将散件分批次吊装到屋面进行钢桁架的加工组装。

钢桁架在屋顶分3段拼装，从桁架支撑柱到两侧建筑物之间的短跨部分采用自行式吊车吊装就位，并从支撑柱向柱间方向甩出一个节间长度，以避开桁架上弦负弯矩最大的位置。跨度42 m的中间段做成上弦32 m、下弦37 m的预留斜向接槎（图3）并采用同步顶升工艺进行施工。在保证安全的情况下，顶升结构采用四柱顶升法，顶升支架下端固定在下层混凝土框架柱顶。顶升支架采用2片钢桁架式柱肢组成格构柱，在钢桁架屋面整体拼装时预留胎架高度范围内，将2片桁架式柱肢用角钢缀条连接成整体。随着钢桁架的不断顶升，不断增加缀条将顶升支架拼装成格构柱，直至将钢桁架顶升到设计标高。顶升到设计标高后，将2层支座与顶升支架通过插销销紧，撤除千斤顶，即可对3段钢桁架进行组装焊接。

图3 顶升支架设置示意

根据被顶升钢桁架的长度、高度和质量，考虑采用4台高度600 mm、行程500 mm、顶升载荷1 000 kN的液压千斤顶，1台能够满足为4台千斤顶同时供油的油泵，另外配备1台备用千斤顶。通过查看钢桁架设计施工图可知，钢桁架外侧上下弦杆与下部结构的2条轴线重合，故可以将顶升支架设置在下层框架顶，顶升点设置在钢桁架下弦底部，可以有效减小顶升支架的计算长度，增加顶升支架的稳定承载力。

4.2 顶升支架的设计

顶升支架的高度为钢桁架下独立柱与支座高度之和，总高度为34.0 m＋0.2 m－28.2 m＝6.0 m。顶升支架采用正方形断面的钢格构柱，设计截面为600 mm×600 mm，竖向分肢采用100 mm×4 mm钢方管，缀条采用50 mm×5 mm角钢，通过节点板将缀条与分肢连接。顶升支架在设计时按下端固定、上端自由考虑，则顶升支架的计算长度为2倍实际高度。格构柱的截面回转半径为253.06 mm，计算得长细比λ＝47.4＜150，满足GB 50017—2017《钢结构设计标准》中受压杆件的长细比规定。

在千斤顶顶升、回油的过程中，为保证钢桁架始终处于安全状态，设计2个支座将千斤顶连接在一起，千斤顶的顶升端固定在上支座的下表面，固定端固定在下支座上表面。上下支座采用100 mm×4 mm方钢管焊接成外尺寸810 mm×810 mm的方框，内部焊接1根长800 mm的HW200 mm×200 mm×8 mm×12 mm钢梁，方框侧面开圆形螺栓孔，可以与顶升支架分肢上的等间距螺栓孔通过螺栓或销钉固定。顶升时，用销钉将下支座固定在顶升支架上，上支座与顶升支架脱离。当千斤顶达到顶升行程时，用销钉将上支座固定在顶升支架上，拔掉下支座与顶升支架的销钉，使下支座与顶升支架脱开。千斤顶回油卸载时，千斤顶带动下支座同时回位（图4）。顶升支架及支座的钢材材质均为Q235B，销钉采用Q345B钢棒制作，钢管上所有连接螺栓孔均采用专用机器冲孔。

为确保顶升支架和支座在施工过程中满足要求，采用Midas Gen软件对支架进行建模，分析其整体稳定性、分肢稳定性、各缀条的强度及稳定性。从模型中提取支座支撑梁端部内力，然后根据GB 50017—2017《钢结构设计标准》复核销钉的抗剪承载力、螺栓孔的局部承压承载力，根据计算结果选择相应型号的销钉和配套螺栓孔。

因屋面不允许钻孔，故在施工时采用顶升支架底部坐浆的方法进行整平处理。计算时假定支座沿竖向刚度无穷大，2个水平方向采用钢与混凝土之间的摩擦因数μ＝0.4作为水平刚度，限制平动而释放转动。顶升作业时采用4台千斤顶同时顶升，为保证顶升时支架的安全，上部荷载考虑自重工况和10年一遇的基本风压同时存在，计算自重荷载时取1.2的不均匀系数、1.35的荷载组合分项系数以及1.1的动力系数。经计算（图5），顶升支架和支座各部分均能满足规范要求。

4.3 钢桁架顶升过程分析

图4 顶升支架及支座

图5 顶升支架计算结果

钢桁架在顶升施工过程中，顶升点位置与设计的支座位置相比发生了较大的变化，而且顶升点也不在桁架节点位置。为确保钢桁架结构在施工时能够满足要求，应对钢桁架进行施工过程模拟分析，对不满足的杆件应进行加固处理。计算时将桁架与千斤顶顶升支座的接触点作为支座，支座的边界条件假定竖向刚度无穷大，水平方向的刚度取钢材之间的摩擦因数μ＝0.3。计算过程中桁架弦杆与腹杆管径的比值及杆件长度与管径的比值均满足GB 50017—2017《钢结构设计标准》中管桁架的相关规定，腹杆两端均按铰接进行设计。从计算结果（图6）可以看出，桁架的最大应力出现在千斤顶顶升点处，最大应力为57.1 MPa，小于305 MPa的许用应力，施工验算满足要求。

图6 钢桁架顶升施工验算

4.4 顶升施工

顶升设备采用4台100 t双作用法兰自锁式液压千斤顶，1台油泵工作站以及1台YT-1型同步控制系统作为同步操作控制平台，通过计算机控制相关数据，给每台千斤顶按设定值进行供油，统一发布控制指令，再同步进行分级加载顶升施工。顶升作业施工过程分为试顶升和正式顶升2步。

1）试提升。通过试提升可以对钢桁架、千斤顶、油泵站进行系统观察和监测，验证施工工况与计算机模拟工况及设计条件是否相符，保证整体顶升过程的安全。在试顶升阶段分7级进行加载，分别为设计值的20%、40%、60%、75%、90%、95%和100%，每级加载完毕，均应暂停并对上下支座托梁、销钉及螺栓孔在加载前后的变形情况进行检查，确保正常后，继续进行下一级加载。各分级加载完毕后，钢桁架离开屋顶拼装胎架，上升达到2个顶升支架上螺栓孔间距，即200 mm，停留24 h，全面检查各设备运行及结构体系的情况。各项指标均符合要求后，方可进行正式顶升。

2）正式提升。在正式提升阶段分4级进行加载，分别为设计值的30%、60%、85%和100%，施工步骤与试顶升相同。每顶升一步千斤顶行程，替换一下插销在上下支座的位置，直到将钢桁架整体顶升到设计标高后，将上支座与顶升支架用销钉插紧即可撤掉顶升设备。然后，搭设操作平台，并对危险区域铺设安全防护网，将主桁架对口焊接。为保证焊接质量，在焊接过程中应采取必要的防风和防雨措施。

5 结语

本工程钢桁架跨度大、质量重，又受场地条件限制，只能在屋面上进行分段拼装，然后再通过分段提升后完成整体拼装，对同步顶升方案中的顶升点位置、顶升过程的垂直度、悬挑段的竖向变形等控制要求都比较高。为充分保证最后拼装的整体质量，施工前先进行顶升支架的强度和整体稳定性的计算，对钢桁架在指定顶升点进行符合实际的模拟分析。在施工过程中按照设计要求，对焊接精度逐项进行严格检查，对垂直度和水平位移进行严密监控，对顶升设备提前标定并进行试顶升等相关工作。项目成功融合了整体同步顶升施工工艺的先进性，使整个过程顺利完工，并在经济与工期方面均取得了明显的成效，为以后类似工程的施工积累了宝贵的经验。