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1.超高层悬挑钢桁架结构加固技术研究与应用
作者：徐滨,阴泰越,齐翰,冯磊
作者单位：北京建工投资发展有限责任公司;北京市第三建筑工程有限公司;北京建工集团有限责任公司;中国京冶工程技术有限公司
关键词：悬挑桁架拆除;增大截面法;悬挑桁架加固
摘 要：盘古大观 A 座写字楼为异形复杂超高层改造项目，其顶部 30 m 悬挑钢桁架结构需按改造需求 进行拆除。此部分悬挑桁架位于超高空临空状态，拆除施工难度大、安全风险高，对此设计了一种高空悬挂 移动式整体封闭防护结构，解决了悬挑桁架防护及拆除的安全防护需求。但该体系重约 600 t，超过了原结 构的承载能力，故对原结构承载能力进行复核，对承载能力不足的构件和节点采用了增大截面法进行加固补 强设计。根据施工现场实际情况，严格按照施工顺序进行施工、严格按照焊接工艺进行带应力焊接、严格按 照吊装及安全措施进行安装，确保施工过程安全并满足设计意图。悬挑钢桁架的加固，保证了悬挑钢桁架拆 除过程的安全，为后续类似施工提供了可借鉴的经验。
在城市更新的异形复杂超高层改造项目中，超高 空悬挑桁架拆除施工难度大、安全风险高，通常需要 提前构造一套安全防护体系，但构造防护体系会给主 体结构增加荷载，需要重点复核原结构的承载能力是 否满足要求。盘古大观 A 座写字楼因改造需求，顶 部 30 m 悬挑桁架需进行拆除。此部分桁架位于超高 空临空状态，基于此设计了一种高空悬挂移动式整体 封闭防护结构体系用于悬挑桁架的拆除。但该体系重 约 600 t，超过了原结构的承载能力，因此需对原结 构进行承载能力复核，并对承载能力不足的构件和节 点进行加固。
1 工程概况
盘古大观 A 座写字楼位于北京市朝阳区北四 环中路 27 号，距离 2008 年奥运会主会场鸟巢约 600 m，距水立方约 200 m，2010 年 1 月投入使用。 该写字楼为超高层建筑地上 39 层，地下 5 层，地面 以上建筑高 191.65 m，结构基础埋深约 26 m，为钢结 构框架 + 核心筒结构体系，建筑外形复杂。
原写字楼存在结构安全隐患、设备设施老旧、显 示屏光污染等问题，遵从北京新总规，对标亚奥板块核心区规划功能要求，对写字楼 24 层及以上进行 改造，其中 30 层以上涉及主体结构改造，包括顶部 30 m悬挑结构拆除、35层及以上原有外框柱内移2.6 m 等，改造后保持原有结构体系，结构体型更加规则均 匀，形成“城市之印”建筑造型。盘古大观改造前后 对比如图 1 所示。
原结构顶部为整体桁架形式，南北方向为 8 榀主 桁架，东西方向为 11 榀次桁架，桁架间采用钢梁、 斜撑等连接；桁架北侧出挑约 30 m，采用 3 层桁架 结构形式，最高处约 15 m，其中悬挑桁架根部采用 4 个刚性支撑和 4 个阻尼器的结构形式；桁架受力的 上下弦杆件为 H425×410×34×50 平放后上面加焊 T335×250×14×25，桁架其他杆件为 H365×370× 12×20 和 H335×255×10×16，钢材材质为 Q345C。 桁架整体重约 2 000 t，其中悬挑部位重约 1 000 t，悬 挑部分的铝板幕墙、玻璃幕墙总重约 300 t。
2 悬挑结构拆除概况
根据“城市之印”建筑造型改造需求，结构顶 部桁架及幕墙结构需全部拆除。拆除面临主体结构 21 层及以下正常运营、悬挑桁架悬空 200 m、悬挑桁 架正下方为其他建筑物、项目紧邻北四环和北辰西路 等限制，施工条件复杂、拆除难度大、危险系数高。 对此研发了一种高空悬挂移动式整体封闭防护结构体 系，即在 38 层北侧设置悬挑平台，在平台上拼装防 护结构，然后累积向北侧滑移至最外端将悬挑结构封 闭防护，从北向南逐段拆除悬挑结构并向南累积滑移 封闭结构，直至悬挑结构全部拆除。高空悬挂移动式 整体封闭防护结构如图 2 所示。
3 悬挑桁架加固设计
根据悬挑桁架拆除方案，高空悬挂移动式整体封 闭防护结构的最不利状态是封装嵌套防护框架北立面，此时需要桁架顶部施加近600 t的施工荷载。经初 步计算，原悬挑桁架在滑移框架封装完成后无法满足 承载力要求，因此需在滑移框架安装前对原结构悬挑 桁架进行加固。
本项目缺少原结构设计及施工相关信息，无法准 确判断悬挑桁架的设计意图及原施工顺序，因此无法 确定现有悬挑桁架的内力状况，尤其是悬挑根部 4 根 刚性支撑及 4 个阻尼器的内力状况。其次原有结构体 系复杂，悬挑桁架出挑长 30 m，位于 200 m 高空，拆 除工艺复杂，施工步骤多，施工安全风险高。
为了更加准确地建立施工仿真计算模型，考虑项 目没有足够的资料支撑，项目组采用多种资料查询方 法对项目相关资料进行了排查和整理。具体方法包括： 通过网络搜索与原项目有关的新闻和资料；通过知网 搜索与本项目有关的文献；通过联系项目原施工单位 和设计单位查找图纸和相关资料；通过联系原参与施 工和设计的工程师了解现场的实际情况。
通过相关资料与课题组的物理参量复测和三维几 何模型复建对比可知，该项目的物理参数和几何参数 均较明确，具备建立三维仿真模型的条件，但拆除区 的支撑条件仍不明确，主要是悬挑根部 4 根刚性支撑 及 4 个阻尼器的连接和受力情况不明。
针对以上问题，首先对关键连接部位的工况进行 组合和提炼；然后通过有限元软件 midas Gen 建立多 种连接方式下的仿真模型，通过分析结构的传力路径， 对重要杆件进行加固，并尽可能减少加固数量；最后 考虑施工的便利性，决定采用贴钢板的加固形式，将 既有构件由 H 型钢变为日字形截面，从而提高构件 的承载力使其满足受力要求。
3.1 加固设计思路
考虑 200 m 高空拆除作业条件，为保证结构实施 的安全，决定针对多种不明因素的多种组合进行施工 过程仿真计算后选取结果的包络值作为后续施工的依 据。经过现场分析发现，影响计算结果的主要是阻尼器形式（是否能过受力）、支撑安装顺序（先受力还 是后受力）以及结构安装完后先安装幕墙还是先安装 支撑等内容将可能存在的工况分为表 1 中的 9 种，并 分别进行仿真计算。每种工况进行 28 个荷载步计算， 计算模型共计 252 个。
以上 9 种工况在加固设计过程中同时考虑 2 种情 况：4 支撑提前受力 –4 阻尼不受力；4 支撑和 4 阻尼 均不受力。考虑高空悬挂移动式整体封闭防护结构置 于最外端时为悬挑桁架最不利受力状态，计算模型基 于此状态进行分析。经计算发现，根部斜腹杆及节点 承载力不足，悬挑桁架加固位置如图 3 所示。
3.2 加固设计计算
（1）加固后的 4 支撑提前受力 –4 阻尼不受力模 型：悬挑桁架竖向变形差最大的位置发生在跨中桁架 的端部，竖向变形值为 225 mm，桁架根部的竖向变 形值为 97 mm，最大相对竖向变形值为 128 mm，最 大挠跨比为 1/219，小于 1/125，杆件最大应力比为 0.899，小于 1.0，满足规范要求。4 支撑提前受力 – 4 阻尼不受力模型及应力比云图如图 4 所示。
（2）加固后的 8 支撑提前不受力模型：悬挑桁 架竖向变形差最大的位置发生在跨中桁架的端部， 竖向变形值为 271 mm，桁架根部的竖向变形值为 99 mm，最大相对竖向变形值为 172 mm，最大挠跨 比为 1/163，小于 1/125，杆件最大应力比为 0.869， 小于 1.0，满足规范要求。8 支撑提前不受力模型及 应力比云图如图 5 所示。
3.3 加固节点设计
选取桁架中最关键的节点进行有限元计算。节点 位于桁架端部支撑斜腹杆与桁架下弦交接位置。经计 算，节点处局部有应力集中，但范围较小，最大应力 为 314 MPa，小于 345 MPa，满足规范要求。关键节 点位置及应力云图如图 6 所示。
4 悬挑桁架加固施工
因悬挑桁架内部空间有限，加固构件运输和吊装 难度大，施工人员安全防护难，带应力焊接对原结构 构件承载力影响大，通过针对性施工措施，保证加固 过程安全。构件为工厂加工成散件，现场原位组拼。 整体施工顺序按照自西向东每榀依次进行。每榀桁架 的加固顺序为 1 → 8 ，如图 7 所示。
4.1 H 型钢构件加固
H 型钢构件采用上下两侧加钢板的方式进行加固 （焊接完成后截面为日字形，图 8），加固钢板按长 度分为 2 段，每段不超过 2.5 m，重量不超过 250 kg。
根据现场情况，安装顺序如下。（1）将原杆件下 弦杆底部现场打坡口，安装时先把倒放 H 型钢弦杆的 下部需要仰焊的钢板使用倒链（吊装点在上一层弦杆 或新增吊装耳板上）拉起安装，然后采取多道焊接（减 少温度应力）方式。对于没有底部钢板的位置，则直 接安装外部钢板。（2）安装待补强截面的下侧钢板， 采取多道焊接方式。（3）安装顶部钢板，此处钢板采 取预先埋设短角钢（L50×5）支撑定位的方式。
4.2 阻尼器加固
阻尼器采用外包 4 块钢板的方式加固，外包钢板 最长 3.8 m，重 500 kg。根据现场情况，安装顺序如下： 切除柱与阻尼器节点耳板角部，将原杆件下弦杆底部 现场打坡口→安装并焊接节点底部钢板→安装并焊接 节点两侧钢板→安装加固截面下侧钢板→安装加固截 面两侧钢板→安装加固截面上侧钢板，此处钢板采取 预先埋设短角钢（L50×5）支撑定位的方式→安装节 点上侧钢板→安装节点两侧外加劲板。 加固方形截面 4 条通长焊缝应先点焊固定，待拼 装完成后进行焊接，焊接时需采取多道焊接（减少温 度应力）方式。阻尼器加固如图 9 所示。
4.3 关键节点加固
节点加固形式包括加固钢板直接穿过节点、采 用加劲板沿节点环向加固、柱侧扩大口形式加固、A11 轴及 1/A11 轴柱顶加固等4种形式，
最大构件重 240 kg。新增的加劲板根据现场实测实量结果进行切 割下料。节点环向加固如图10所示。
（1）倒链吊装钢构件时，倒链上端固定在上一 层结构弦杆、钢梁或新增吊装耳板上，下端连接吊装 耳板或采用吊装带捆扎构件进行吊装安装。
（2）A11 轴及1/A11轴柱顶加固采用搭设脚手架的 方式进行，并拆除对应位置隔墙结构，脚手架位置根 据现场实际情况进行搭设。
（3）构件和节点安装及焊接时，利用已搭设的 操作脚手架、钢跳板、马道及安全网进行作业和安全 防护，每层桁架位置拉设通长安全绳。
5 结束语
（1）针对悬挑结构拆除工艺，模拟悬挑桁架受 力情况，结合结构特点，对承载能力不足的构件及节 点进行加固方案设计，确保加固施工简便，加固后结 构强度满足要求。
（2）根据加固设计制订专项加固方案，严格按 照施工顺序进行施工、严格按照焊接工艺进行带应力 焊接、严格按照吊装及安全措施进行安装，确保施工 过程安全并满足设计意图。
（3）悬挑钢桁架加固技术，保证了悬挑钢桁架 拆除过程安全，为后续类似施工提供了可借鉴经验。
