大型钢结构施工中的力学原理-整体提升法

整体提升法的介绍及应用

随着我国经济建设的快速发展，各类工程建设项目规模日益扩大，重大工程项目包括高耸结构、大跨结构、超高层结构以及一些复杂异形结构等日益增多。这些工程的共同特点是施工规模大、范围广、周期长、过程复杂。如此复杂的结构势必给工程施工带来更大的挑战，在土木工程建设规模迅速发展的同时，建筑施工中事故不断增多，严重影响人民的生命财产安全及工程建设速度。工程事故产生的原因是多方面的．其中很多事故是源于设计者与施工企业对施工方法或施工过程对结构的影响估计不足。事实表明大型复杂建筑物从开始施工建设到投入使用，再到若干年后进入老化维修阶段的整个生命周期过程中，施工阶段因结构的不完整性、材料性质的时变性、所受荷载的复杂性以及结构抗力的不成熟性，结构的平均风险率最高，失效概率最大。特别对大型复杂钢结构工程而言，由于其结构复杂，施工方法繁琐及钢构件本身易失稳的特性决定了其在施工阶段的风险率要比普通混凝土结构更高。

常用的施工方法

高空散装法

高空散装或满堂脚手原位拼装法高空散装法是指结构小拼单元或散件直接在设计位置进行拼装的方法，施工时有满堂脚手架和悬挑法两种，前者广泛用于网架和网壳的施工，尤其适宜螺栓球节点网架的施工；后者国外施工多用，并曾用于混凝土薄壳的施工。高空散装法属于满堂脚手架原位拼装方法，单件重量轻，垂直运输无需大型起重设备，工序简单；但是需要架设脚手架，周期长、费用高，高空作业量大，精度难以控制，辅助材料多，费用高。

地面吊装法

吊装法分为分段吊装法和整体吊装法。分段吊装法是指将结构根据自身形式分成块状单元，分别由起重机械吊装至高空设计位置就位．然后再拼装成整体的安装方法。此方法的特点是大部分焊接、拼装工作在地面进行，有利于控制施工质量并可省去大量拼装作支架，但结构分段后需要考虑临时加固措施，后拼杆件、单元接头处仍然需要搭设拼装胎架。国家大剧院采用的安装方法是工厂分段制作，场外立体预拼，单件综合安装。整体吊装法则是把整个结构在地面拼装完毕，采用一台或多台吊机整体吊装至设计位置的安装方法，东海大桥桥头堡、哈尔滨国际会展中心张弦桁架的

安装施工即采用的整体吊装方法。

高空滑移法

高空滑移法是指将整个结构分为几个条状的结构单元在事先设置的轨道上滑移到设计位置拼接成整体的安装方法，此条状单元可以是在地面拼装后吊装至拼装胎架上，也可以分段,小拼单元甚至散件在高空拼装胎架上拼成滑移单元。根据滑移过程方式的不同，可以分为单片滑移法和累积滑移法。国家体育馆钢结构屋盖采用了地面分段组装、分段吊装、高空整榀拼装、纵向桁架横向带索累积滑移的施工方法。高空滑移施工祛的重点在于高空拼装平台的选择，滑移轨道的设置，牵引力的计算及同步控制的精度等问题。

整体提升法（后面详细介绍）

悬臂分段施工法

悬臂安装法是利用已安装好的结构作为后续结构安装的工作面，顺序逐步安装的方法，如漳州后石电厂圆形煤场网壳即采用的悬臂分段安装法。悬臂拼装法一般用在钢斜拉桥的施工中，通常主梁节段在工厂预制，然后在现场逐节对称拼装，拼装时需要注意已成粱段和安装粱段相对高差的控制，确保主梁线形与设计一致。上海卢浦大桥水上部分拱肋即采用斜拉扣索法悬臂拼装进行施工。

以上是常用的几种施工方法的简单介绍，下面就整体提升法作一个较为详细的介绍。

整体提升法概念：

钢结构整体提升安装技术是指钢结构在地面或适当的部位组装成整体或整个单元，采用多台提升机械提升安装至设计位置的特种安装工艺。应用该项技术，可以显著减少结构安装时的高空作业，有利于提高质量控制，作业安全和施工效率。提升机械可以是卷扬机组，也可以是液压提升（顶升）设备。

整体提升法发展：

早在二十世纪五十年代国外便采用整体吊装法对大跨度空间钢结构进行了施工并取得成功，积累了一些经验，但由于技术保密等原因，一直没有公开的技术资料。国内学者对于整体吊装施工

方法及施工控制的研究早期主要集中在桥梁工程的相关领域。而对大跨度空间钢结构的相应研究则较少。由于大跨度空间钢结构在整体吊装施工过程中表现出的力学问题和桥梁工程有较大的差异，使得对于桥梁工程领域的研究不能被借用，从而导致我国对于大跨度空间钢结构整体吊装施工方法的研究相对滞后。

建筑钢结构采用整体提升安装技术在国内始于20世纪70年代，比较典型的工程实例如上海文化广场钢网架屋盖，上海万人体育馆钢网架屋盖的整体提升安装；原上海青海路电视塔的整体起扳安装等。这些工程均采用卷扬机群提供整体安装的动力。

随着技术的发展，到了20世纪90年代，我国才开始对大型钢结构整体吊装施工技术进行研究，并先后应用于上海东方明珠广播电视塔钢天线桅杆超高空整体提升、北京西客站主站房１８００ｔ钢门楼整体提升，ＭＦＧＡ会展中心钢结构屋盖整体吊装等一系列重大建设工程。虽然施工最终获得了成功，但其中存在的技术性、经济性等问题并未得到很好解决。因此，迫切需要针对结构在实际施工过程遇到的具体问题提出系统性的解决方案。计算机控制，钢绞线承重，集群液压千斤顶提供动力的整体提升技术取代卷扬机，开始在机场航站楼，大型机库，体育会展场馆，超高层建筑等钢结构施工中得到广泛的运用。2001年完成的河南南阳鸭河口电厂干煤棚网架采用了国内首创的折叠展开提升安装工艺，丰富了整体提升技术；2002年完成的深圳使命市民中心焊接球网架钢屋盖采用了低位拼装，两次整体提升的施工工艺，提升重量为2650T，提升高度为46M；2003年完成的广州新白云机场五机位维修库是当时亚洲规模最大的机库，提升重量为4650T，提升高度为26M；2006年完成的国家图书馆二期钢结构整体提升工程提升重量达到了10388T；2007年完成了重达1万T，面积达4万㎡的世界上面积最大，跨度最大，重量最大的首都机场A380飞机维修库钢屋盖整体提升工程。在上海世博会场馆建筑中，这一新技术也得到了应用。

整体提升法技术简介：

目前大多数采用由计算机控制的液压千斤顶集群作业的成套设备。该设备一般由承重，执行和控制等部分组成，以立柱和钢绞线等为承重部件，以液压千斤顶为执行部件，以电气和计算机系统为控制部件。立柱作为承载千斤顶组的基础，承担所有被提升结构和机具的重量；钢绞线作为提升索具，与千斤顶的夹片锚具配合传递提升力，实现提升过程中结构件的上升（下降）和锁定；液压千斤顶由液压泵站提供动力，通过油缸的升缩和上下锚具的交替置换，实现提升动作；电气和计算机系统根据各类位置和荷载传感器的信号，结合同步（异步）或荷载控制的要求，下达各类作业命令。由计算机控制的液压千斤顶集群作业设备进行钢结构整体提升作业，具有组合灵活，控制精细，自动化程度高等优点，并可实现特大型结构和超重结构的整体提升。

整体提升施工方法的基本步骤为：首先在地面拼装好钢屋盖的各级桁架及其内部必要的支撑体系，然后以安装在各钢柱顶部的提升支架作为支座，在其上布设穿心式千斤顶并通过钢绞线将钢屋盖整体提升，最后待钢屋盖整体提升到设计位置时再超提升一定高度，然后逐点落位并与支柱的钢牛腿连接。