广陵体操馆项目位于扬州市广陵区秦邮路与人民路之间，健民路北侧，高家河以南，主要包括体操馆和办公楼等，总建筑面积为76 396.60 m2(图1)。

图1 项目效果

办公楼采用钢框架结构体系，顶部为单层钢构架层。体操馆下部采用钢框架结构，屋盖采用钢管桁架结构体系，其中，钢框架结构共分为三层，楼面采用钢筋桁架式楼承板。屋盖结构由两榀主桁架、两榀柱间联系桁架和8榀次桁架、两榀单片封边桁架及屋面交叉撑、刚性系杆组成。在体操馆四个角部楼梯间部位设置钢柱框架形成格构柱，用以支撑上部钢桁架屋盖。屋盖x向采用四边形钢管桁架、两端搁置在格构框筒体立柱侧边，钢管桁架跨度约为61 m、最大截面为6.15 m×5.0 m；y向采用平面钢管桁架，平面桁架高度为2.5 m(图2)。

图2 钢结构轴测图

本工程施工场地紧张，仅在结构的南北两侧各布置有一条狭窄的施工道路，大型施工机械的作业空间受限，同时又存在施工工期紧的特点。因此，如何选取经济、合理、高效的安装方案是项目实施的重点。根据结构的受力特点及场地条件(图3)，选取了三个施工方案进行比选。

图3 钢结构平面布置

方案一：塔吊散件吊装。主桁架单榀中桁架质量为107.63 t，跨度达61.2 m。若采用塔吊安装，由于塔吊自身的起吊能力限制，为了满足塔吊的起吊性能，桁架分段较多，为此需搭设大量临时支撑架和拼装胎架进行高空散拼，安装精度低、施工难度大、工期长、经济性差，同时密布支撑架对下部3层楼面钢筋桁架楼承板影响较大，存在较大安全隐患，方案可行性低。

方案二：大型机械分段吊装。若采用大型移动机械(汽车吊/履带吊)在场外进行吊装，由于主桁架先于次桁架安装，在主桁架安装完毕后安装次桁架时会出现机械卡杆问题，同时也存在吊机型号过大，桁架分段小，临时支撑多等一系列问题，导致经济性和安全性差，方案可行性低。若采用吊装机械上3层楼面进行分段吊装作业，由于大型机械对楼板楼板承载能力要求较高，安全性较差，方案可行性低。

方案三：楼面拼装，整体液压提升。首先，拼装可以在3层楼面上进行，解决了施工现场场地狭小问题；同时拼装胎架可以灵活布置于3层楼面主钢梁处，确保楼面受力安全性；其次，施工焊接基本都在楼面进行，高空焊接仅对接口及补杆处，对焊接质量控制有利，同时也确保了施工的安全性；最后，是拼装采用现场原有塔吊，同时节约了支撑架量，整体经济性好。

综合以上情况，考虑到屋盖结构为平面结构，外形较为规则，同时下部3层楼面可以作为屋面桁架结构的拼装场地，从技术可行性、经济性、质量保证、施工安全等方面对施工方案进行比选，最终选定方案三即采取整体提升的方式进行屋面桁架安装。

屋面提升整体思路为结构采用3层楼面拼装，利用设置在格构柱顶的提升架及液压提升器，将拼装完成的屋面管桁架结构整体提升至设计标高，最后完成结构的合龙结构提升流程如图4所示。

a—楼面拼装; b—试提升；c—提升到位; d—补杆完成安装。图4 结构提升流程

其中，为了减小管桁架结构在拼装过程中对3层楼面的不利影响，所有的拼装胎架均设置与钢框架主梁正上方，并通过预埋埋件的形式进行可靠传力。

主桁架连接的8根柱顶各设置一副提升架和液压提升器，同时在主桁架端部设置牛腿，在结构提升到位后进行结构对接和补杆。

考虑施工便利性及整体受力性，屋面结构主檩条和马道随主结构同步提升。

提升方案的第一步首先是结构的整体拼装，这是提升方案可以实施的基础。采用MIDAS软件进行复核验算，计算模型如图5所示。拼装过程中，拼装胎架均设置在钢梁的上方，因此，需重点对3层楼面标高位置的钢梁的承载力进行复核。

图5 拼装胎架支撑反力计算模型

首先，根据拼装胎架的位置，求出各个拼装位置点的支撑反力如图6所示，计算中仅考虑结构自重，包括主檩条和马道的重量，按照1.3的自重放大系数；然后，将以上支反力作为活荷载LL施加到三层楼面对应的钢梁上，验算时，基本组合按照1.2DL+1.4LL，标准组合按照1.0DL+1.0LL考虑，其中DL为结构的自重。

图6 拼装胎架支撑反力 kN

图7 基本组合3层楼面梁组合应力 MPa

通过图7分析可知，在拼装过程中，三层楼面梁的竖向变形最大值为9.22 mm，楼面梁的最大组合应力为90.51 MPa，均能满足相关规范要求。这为后续屋面桁架提升创造了先决条件。

根据屋面桁架提升分块的情况在结构顶部共设置8个提升节点，本工程采用穿心式液压千斤顶作为提升器，提升设备的使用负荷能力应将额定负荷能力乘以折减系数0.5～0.6确定。每组吊点配置1台YS-SJ型液压提升器，共计8台。提升点位布置如图8所示，结构上吊点布置如图9所示。

图8 结构吊点平面位置布置

图9 结构上吊点布置

采用大型有限元分析软件MIDAS进行提升架的建模计算分析以确保结构在提升过程中的安全性，分析的荷载主要有：

1)恒荷载D1：为结构自重，由计算软件自动计算；

2)传递至提升架的荷载D2：提升架处的竖向荷载，按照同步提升状态下对应反力的1.2倍(即不同步状态下的最大反力)施加。

设计荷载组合为1.2×(D1+D2)；标准荷载组合为1.0×(D1+D2)。

分析计算结果可知，提升架的最大应力比为0.81<1.0，满足GB 50017—2017《钢结构设计标准》规范要求。提升状态下，提升架的最大竖向变形约8 mm，满足规范要求。

钢结构提升单元在3层楼面拼装完成，在屋面结构层(标高+33.693 m)处，利用格构柱设置提升平台(上吊点)，在钢结构提升单元的上弦与上吊点对应位置处安装提升临时吊具(下吊点)，上下吊点间通过专用底锚和专用钢绞线连接。利用液压同步提升系统将钢结构提升单元整体提升至设计安装位置，并与预装段牛腿等连接，完成安装。

考虑到提升结构平面规则以及后续施工便利性将马道及上部檩条作为结构一部分一起提升。提升过程中荷载为结构杆件的自重，考虑马道及主檩条的重量(约占管桁架结构重量的30%)，将管桁架部分的材料密度增大30%，同时考虑节点板等1.05的自重放大系数。根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，对提升施工中的结构强度和刚度，分别采用基本组合(考虑1.1倍的提升施工动力系数，荷载分项系数取为1.2)和标准组合进行验算。

为了保证提升位置杆件在提升过程中的受力安全，在提升端增加临时加固杆件，加固杆件的规格均为φ219×10，Q345B。钢屋盖加固杆件及提升点布置如图10所示。

a—加固杆件；b—提升布置点。图10 钢屋盖加固杆件及提升点布置(8个提升点)

2.5.1提升过程中结构的应力变化

提升过程中结构在x、y、z三个方向下的变形情况如图11、图12所示。通过计算可知，提升过程中，屋盖结构的竖向最大变形为-42.9 mm，x水平最大位移为-5.8 mm。

图11 竖向位移云图 mm

图12x向位移云图 mm

2.5.2提升过程中结构的应力变化

提升过程中结构杆件的应力比如图13、图14所示：

图13 原结构杆件的应力比云图

图14 临时加固杆件的应力比云图

通过分析可知，在提升过程中，提升区域的原结构杆件的最大应力比为0.40，临时加固杆件的最大应力比0.61，均能满足GB 50017—2017要求。

提升施工一般而言有两种控制准则：力控制、位移控制。其中，力控制是以油压表上的压力传感器为测量基准，通过在提升施工操作系统中对每个提升点设置提升力上限的方式，保证单个提升点提升力不会超出设定目标，一般而言，该上限值为同步提升状态下反力值的1.2倍。

位移控制则是结合提升器上的位移传感器+实际测量数据，通过在提升施工操作系统中设定各提升点之间的最大位移差的方式，保证各提升吊点的提升速度的均匀性。现代提升施工均采用力控制+位移控制的双控法，以保证提升施工的均匀性和同步性。

不同步分析通过调整提升吊点处强制位移，以强制位移引起的提升反力为1.2倍同步提升反力值和强制位移不超过50 mm为双控标准。通过分析，各个吊点均以力控制为主(提升点处的反力值按照同步提升反力值的1.2倍施加，提升点的位移未达到50 mm)，选取整体提升模型进行各个提升吊点的不同步提升状态的计算分析。

荷载组合为：1.1恒载+1.1活载；其中恒载为自重荷载，活载为1.2倍的同步提升反力,1.1为提升过程的动力系数。各个提升点的不同步反力值如表1所示。

结构在施加不同步提升力后结构最大应力比如表2所示。

表1 不同步提升反力kN

表2 结构最大应力比

由表2可知，不同步提升过程杆件管桁架原结构杆件最大应力比为0.29<1.0，临时加固杆件的最大应力比为0.61<1.0，满足要求。

本文结合现场施工条件、结构形式、安全、经济等方面对施工方案的选择进行了详解，特别是对于有特殊要求的楼面拼装分析、整体提升仿真模拟分析、提升节点设计等方面进行了阐述，可为今后类似提升工程的方案设计提供借鉴和参考。

来源：马洁烽, 高健, 陈亮, 等. 广陵区体操馆管桁架屋面结构整体提升关键技术研究[J]. 钢结构, 2019, 34(10): 73-77.

doi: 10.13206/j.gjg201910014