杨 飞 郭延义

1. 上海建工二建集团有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技术研究中心 上海 200080

1 工程概况

南航上海虹桥基地商业办公楼为地上10层、地下2层的L形建筑物，地上结构按照功能区和使用要求将L形建筑物分成2个结构平面形状简单、规则的一字形单元塔楼，并在3层、5层、7层采用单独连廊连接，8、9、10层及屋面层整体连接，连接部分采用钢结构（图1）。

图1 工程钢结构区域位置示意

本工程钢结构平面形状为梯形（图2），跨度为20.30～27.65 m，投影面积535 m2，结构形式为顶层桁架下吊柱悬挂第8、9层钢结构（图3），主构件采用700 mm×350 mm×35 mm×40 mm、500 mm×350 mm×30 mm×30 mm规格的焊接组合箱型构件，次梁及连系梁采用500 mm×300 mm×14 mm×21 mm、400 mm×200 mm×8 mm×13 mm规格的焊接H型钢，连接支座采用600 mm×400 mm×35 mm×35 mm的H型钢劲性柱留设预留段的形式，主节点为刚性焊接连接，次节点为M20的10.9级高强螺栓铰接点，对接焊缝均为坡口熔透焊，为一级焊缝质量等级。8层～屋面层钢结构安装高度28.35～40.35 m，质量约为460 t；3、5、7层钢连廊的质量约为110 t[1-2]。

图2 钢结构平面示意

2 工程特点、难点分析

1）钢结构跨度较大：钢结构最大跨度达到27.65 m，钢结构平面呈不规则的梯形，挠度控制和拼装难度相对较大。

2）安装高度高：钢结构最大安装高度达40.35 m，对吊具、设备及机械的选用，施工现场的安全设施和措施提出了更高的要求。

3）场地空间条件限制：工程钢结构区域下方为已完的扩展式地下室结构，安装吊车具有吨位限制的要求，周边施工便道区域或临时场地离钢结构安装区域较远，吊装施工难度大。

图3 钢结构立面示意

4）钢结构及受力复杂：工程钢结构8层～屋面层主梁采用2层空间桁架式大型箱形截面组合式钢梁吊柱悬挂8、9层钢结构，3、5、7层为单独的钢连廊结构，钢梁尺寸及单个构件吨位比较大。

5）工期紧：项目施工合同中约定的结构阶段的节点工期短，对资源的投入、钢结构安装部署等协调组织和管理提出了更高的要求。

3 施工方案

3.1 安装方案的选用

本项目商业办公楼钢结构最大安装高度为40.35 m，如采用将钢构件吊运至承重脚手架上进行高空组装，现场的脚手搭设、高空施工作业量大，搭设安全、工期的控制等均不能保证，拼装或吊运机械设备也难以满足吊装要求且不经济。综上所述，本工程采用在工厂加工制作分段钢构件，运至安装投影面正下方车库顶板上，先将8层～屋面层钢构件预先拼装成整体，然后利用液压整体同步提升技术将拼装成整体的钢结构进行提升并安装，3、5、7层钢连廊则采用串吊方式一起提升，此安装方案既能提高作业效率，缩短工期，又确保了安装质量和施工过程的安全。

3.2 构件的拼装

本工程首先将8层～屋面层的钢构件置于投影面正下方的地下车库顶板上，利用汽车吊预先拼装为整体钢结构，拼装时采用由远及近、分层分轴线阶梯式的方式，将各分段钢构件按照设计图纸依次吊运拼装成整体。3、5、7层钢连廊则在钢结构区域一侧的吊车覆盖区域分别拼装，待拼装成型的8层～屋面层整体钢结构先行提升到一定高度后，将3、5、7层拼装成型的钢连廊在下方拼叠后串吊并一起提升（图4）。

图4 8层～屋面层整体钢结构拼装后提升现场

3.3 液压提升器、吊点的布置

根据本工程钢结构平面形状和结构特点，利用主楼的8根结构劲性柱顶端预埋牛腿作为各提升支架的基础，整个平面共设置8个吊点（图5），每个吊点配置1台以柔性钢绞线作为承重索具的YS-SJ型穿心式液压提升器。在8层～屋面层整体钢结构的屋面层钢梁上部吊点位置处焊接提升用临时吊具并设置锚板，利用经计算与提升总荷载相匹配的钢绞线，将临时吊具与提升支座上作为上吊点的提升器连接。由于拼装后的整体钢结构立柱距离吊点比较远，为减小钢结构提升过程中跨度方向钢梁的挠度变形，采取在吊点处设置临时加固竖向杆件和加劲板的措施，以满足提升时整体钢结构变形的要求。

3.4 提升支架的设计

在主楼结构劲性柱顶端预埋牛腿上设置提升支架（图6），提升支架前斜撑规格为B300 mm×16 mm，后立柱、斜撑和牛腿加固杆规格为HW300 mm×300 mm×10 mm×15 mm，提升梁规格为B400 mm×300 mm×16 mm，构件钢材材质为Q345B。提升支架各杆件间及支架与牛腿连接采用焊接，焊缝等级为二级，焊接形式为坡口全熔透焊。提升器固定在提升梁上，为保证提升支架的侧向稳定性，在提升支架侧边高度方向设置斜向的水平加固杆，规格为H150 mm×150 mm×7 mm×10 mm，材料材质为Q235B。

图5 钢结构吊点平面布置

图6 提升支架设计

3.5 受力模型分析

钢结构提升过程采用Midas GEN V836有限元程序仿真分析。其中DL为结构构件自重和楼层板重。参照GB 51162—2016《重型结构和设备整体提升技术规范》，应力比取基本荷载组合，变形取标准荷载组合。

本工程钢结构提升过程中主要有2种典型工况，工况1为8层～屋面层整体钢结构提升时，含加固杆最大提升荷载共4 508 kN，结构最大应力比为0.44＜1（吊点处上弦杆件），加固杆杆件最大应力比为0.59＜1，被提升结构杆件应力比均小于1，满足要求；结构最大综合变形11 mm，主桁架最大竖向变形11 mm。主桁架跨度27 648 mm，竖向变形为跨度的1/2 513＜1/400，满足规范要求（图7）。

图7 工况1应力分布和变形分析示意

工况2为3、5、7层钢连廊与8层～屋面层整体钢结构串吊共同提升时，最大提升荷载为5 149 kN，结构最大应力比为0.61＜1（吊点处上弦杆件），加固杆杆件最大应力比为0.74＜1，被提升结构杆件应力比均小于1，满足要求。结构最大综合变形23 mm（3层钢梁处），主桁架最大竖向变形16 mm。主桁架跨度27 648 mm，竖向变形为跨度的1/1 728＜1/400，满足规范要求（图8）。

图8 工况2应力分布和变形分析示意

提升支架最大竖向荷载标准值900 kN，水平风荷载20 kN，结构最大应力比为0.80（前斜撑），最大剪应力比为0.68（提升梁），杆件应力比均小于1，满足要求；最大综合变形为8 mm，顶部水平位移最大为6 mm（考虑风荷载作用），最大竖向位移5 mm，支架高度取1 800 mm，水平位移与支架高度之比为1/300＜1/120；最小屈曲系数为11＞1，满足要求（图9）。

3.6 提升施工

3.6.1 提升流程

利用液压同步提升系统将8层～屋面层的整体钢结构提升单元提升到一定高度后暂停提升，下方3、5、7层钢连廊在下方叠拼成型，再采用串吊方式一起提升。待提升系统将下方3层钢连廊从下往上分层依次提升至设计标高并与预装段牛腿对接后，再继续将8层～屋面层的整体钢结构提升单元提升至屋面设计标高安装位置就位，与预埋钢牛腿对接安装。具体施工流程如下：

1）在结构劲性柱顶层预埋牛腿上设置提升支架8组；在提升支架上安装并固定液压提升器，同时安装液压泵源、管路系统和传感器等其他同步提升系统设备。

2）在钢结构安装位置投影面正下方－0.05 m的车库顶板上，将8层～屋面层拼装成整体钢结构提升单元，在吊点对应位置安装临时吊具、临时竖向加固杆等。

3）安装钢绞线将吊具与支架上的液压提升器连接，启动液压提升控制系统进行调试，检查提升系统各部件的动作、转向和灵敏性等技术状态，经调试检查正常后的液压提升控制系统进行空载试车。

4）经调试和空载试车确认无误后的液压提升控制系统，按照设计或施工方案的荷载要求，以20%、40%、60%、80%、100%的顺序分级加载，直到钢结构提升单元脱离拼装支架时暂停提升，将钢结构提升单元调整至水平姿态后继续提升至离地约150 mm悬停并静置12 h。

5）悬停期间对钢结构提升单元、主体结构关键点、提升支架和液压同步提升系统的性能等进行全面检查和检测，检验合格后方可正式提升。

6）将提升单元正式提升至离地3.5 m，下方拼装7层钢连廊，用钢丝绳将钢结构整体提升单元与拼装后的7层钢连廊连接；继续向上提升3.5 m，地面拼装5层钢连廊，用钢丝绳将拼装后的5层钢连廊和7层钢连廊连接；继续向上提升3.5 m，地面拼装3层钢连廊，用钢丝绳将拼装后的3层钢连廊和5层钢连廊连接。

7）提升至3层钢连廊设计标高，完成3层钢连廊与预埋牛腿的安装对接；继续提升至5层钢连廊设计标高，完成5层钢连廊与预埋牛腿的安装对接；继续提升至7层钢连廊设计标高，完成7层钢连廊与预埋牛腿的安装对接。

8）继续提升8层～屋面层整体钢结构提升单元至接近屋面设计标高后暂停提升，对提升单元的标高和平面位置进行校对和调整后，继续低速提升至设计标高后停止提升，采用计算机控制系统“微调、点动”功能将提升单元调整至满足设计安装要求后进行临时固定，并锁住提升器。

9）将就位并固定后的8层～屋面层整体钢结构提升单元的各对接梁，与对应位置的预埋牛腿进行焊接安装，完成结构转换。

10）完成结构转换的钢结构提升单元按规定检测合格后，分批分级顺序卸载各吊点，完成钢结构荷载的转换并达到设计状态。拆除液压提升设备、提升支架和临时加固杆，钢结构提升及安装作业完成。

3.6.2 提升过程受力分析

提升过程中的最不利状态为工况2，即3、5、7层钢连廊与8层～屋面层整体钢结构串吊并共同提升时，该工况下吊点受力最大，各提升支架所承受的荷载最大。

采用Midas有限元软件进行分析，此工况下最大荷载为D06吊点的759.7 kN，最小荷载为D05吊点的544.3 kN。用吊点反力作为集中荷载施加到各吊点，验算混凝土框架结构的受力及变形。有限元分析结果表明（图10），两侧框架结构在提升过程中产生最大侧向位移为10.61 mm，在建筑物3H/10 000的范围之内，满足要求，框架结构与提升支架连接点处最大位移发生在提升架处，为23.61 mm。混凝土框架结构应力比值均在0.24以下，满足规范要求。

图9 提升支架受力变形分析示意

图10 提升吊点受力示意

3.6.3 液压提升系统控制要点

大型钢结构安装采用液压整体提升技术时，做到了经济合理、技术先进、保证质量。在整个提升过程中，液压提升控制系统应注意以下控制要点：

1）提升控制系统配置的多台液压提升器型号规格、提升速度和提升能力等技术参数应保持一致，且与各吊点的提升荷载相匹配，满足规范规定的安全系数。

2）液压整体提升系统应采用计算机进行控制，并采用网络实现与传感器信号互联，以保证将各提升点动作和位移的同步性控制在±20 mm以内，实现荷载的均衡控制。

3）计算机控制的液压提升系统安装完成后，必须对各部件、设备进行调试、空载试车和负载试验，满足设计的工况要求并经验收后方可进行正式提升作业。

4）提升作业加载和卸载时应分批分级进行，在加载过程中，应对钢结构提升单元、提升支架等进行观测，无异常情况方可继续加载。卸载时需验算结构的不同步效应以确定合理的卸载顺序。

5）当钢结构提升单元达到设计位置后，应进行临时固定，并按设计要求进行结构的转换，当有多个部位需要转换时，应按顺序对关键部位先行转换。

3.7 安全措施

1）大型钢结构的整体提升，应根据现场施工工况编制专项施工方案，当提升荷载大于规定时，编制的方案需要经过组织专家论证通过后方可实施。施工作业时必须严格按照施工方案的作业流程进行实施。

2）液压提升设备、提升支架进场时，必须提供设备使用说明书、产品合格证等技术资料，并按照规范规定要求进行检测和进场验收，合格后方可使用，确保提升吊装安全。

3）应根据气象预报选择在温度、风力等各项气象指标符合规定要求的时段进行提升，当风速超限制时，应采取防风措施，6级以上大风和雨雪天气不得进行提升作业。

4）正式提升前，采用离地悬停一定高度的方式进行试提升，悬停期间需对钢结构提升单元、主体结构关键点、提升支架和液压同步提升系统的性能等进行全面检查和检测，检验合格后方可正式提升。

5）提升作业时，需在提升支架、钢梁连接处搭设稳固的过道或操作平台，以备在设备检修调试、提升状态检查和焊接施工时提供安全的登高作业防护设施。

6）提升作业过程中，必须派专人对提升通道进行连续观测。当提升通道出现障碍物时应停止提升，采取措施清除障碍物后方可继续提升。

7）提升过程中，应对各提升点的高差、荷载进行实时监测，当荷载和高差超差时，应进行调整或停止提升，查清原因，排除故障后方可恢复提升。

8）做好突然停电、意外事故、恶劣天气时停机，以及提升过程中可能发生故障的提升设备及控制系统的各种应急处置预案和措施。提升过程中不断加强安全巡视并做好各种安全信息反馈[3-4]。

4 结语

本工程商业办公楼大型大跨度异形桁架式钢结构采用液压整体提升技术，提升设备和控制系统自动化程度高，操作方便灵活。通过对设计、安装方案的优化，使得大量拼装焊接工作在地下室顶板上完成，减少了高空作业的工作量，提高了大型钢结构拼装精度和安装质量，提高了作业效率，缩短了工期，确保了施工过程的安全，同时也取得了良好的经济效益。