悬挂结构因具有占地面积小、底层空间大、造型新颖等特点，受到广大业主及建筑师青睐。就结构而言，通过细长吊柱代替常规钢柱，可以充分发挥钢材受拉及延展性能，同时由于外挂部分与核心筒部分存在较大的振型差异，其减震特性具有显著优势 ^[1,2,3,4]。然而悬挂结构在施工过程中具有显著的时变因素，尤其是采用倒装法时，卸载临时支撑前后会发生一次重大的结构体系转变，受施工影响较大，因此对该结构施工模拟分析不容忽视。

　　 近年来，国内外学者对悬挂结构施工过程进行系列研究。石开荣等 ^[5]在珠海仁恒滨海中心项目施工过程中，进行卸载敏感性研究;叶芳芳 ^[6]通过3D3S软件对重庆大剧院悬挂结构进行模拟分析，并对比实测数据进行二者的误差研究;江宁等 ^[7]针对悬挂结构整体提升进行研究，解决提升过程中结构稳定性控制的难题。许立山 ^[8]在CCTV主楼项目中，通过在混凝土柱中设置预应力钢筋，用来支撑悬挂结构，解决钢筋与钢结构梁柱节点交叉的难题。上述研究对象多为拉杆式悬挂结构，即通过斜拉杆传递悬挂楼层荷载，而关于顶部为大型悬挑桁架的悬挂结构的研究涉及较少。

　　 为此，本文以太原市水上运动中心终点计时塔为例，对其进行施工过程模拟，重点关注结构顶部悬挑桁架的应力与位移变化，确定安装与卸载顺序，并与实际监测数据进行对比，验证此分析方法的合理性。

　　 太原市水上运动中心位于太原市小店区小店桥以南至10号线以北，汾河太原城区段治理美化三期景观工程区域内。终点计时塔主体结构采用钢筋混凝土核心筒+钢桁架悬挂结构体系，底层架空，屋顶150t巨型钢桁架，长24m，宽12m，悬挑于混凝土核心筒上，悬挑长度达16.02m;巨型桁架外围倾斜73°悬挂14根300×25圆管钢吊柱承担下部楼板荷载。其中屋顶钢桁架与位于核心筒中的4根劲性柱焊接连接，并将位于核心筒区域的桁架下弦浇筑混凝土，加强核心筒对屋顶桁架的边界作用，建筑高度21.8m。外观呈倾斜状，平面布置如图1所示。

　　 根据项目结构特点，终点计时塔总体吊装顺序由上至下为:屋面桁架现场拼装→桁架支撑柱安装→屋面桁架整体抬吊→吊柱安装(吊柱及吊柱节点在加工厂拼装焊接完成后整体运输至现场安装)→支撑卸载→1～3层平台梁安装→4层平台梁安装→5层平台梁安装。

　　 终点计时塔顶部钢桁架拼装是整个结构中的重中之重，由于终点计时塔安装顺序为倒装，主、次桁架进入现场在胎架上拼装成整体后进行吊装，故桁架拼装精度直接影响整体钢结构安装精度。沿主桁架下弦杆主、次桁架拼接位置设置立柱，并通长设置2道横梁，确保桁架就位标高的控制。胎架高800mm，立柱采用Q235B I25，横梁采用Q235B I16。胎架安装前，底部采用混凝土找平划线。

　　 顶部桁架悬挑端长度达16.02m，故在桁架下弦设置1组支架，进行桁架辅助就位，支撑立柱采用4根Q235600×15直缝焊管，顶部横梁采用H400×200×8×13热轧H型钢，横撑及斜撑采用H300×150×6.5×9热轧型钢，横梁外侧设置挡板，每根横梁上部设置2台50t机械式千斤顶，共4台，做桁架辅助微调。

　　 终点计时塔屋面桁架吊装选用1台500t汽车式起重机，1台400t汽车式起重机同时抬吊，1～3层平台梁选用50t汽车式起重机进行吊装，4层平台梁选用1台20t卷扬机提升吊装。根据最大吊重为165t(乘以动力系数1.1后)，屋面桁架吊装过程设置8个吊点。吊耳位置如图2所示。

　　 起重机起吊桁架至0.3m左右高度时进行桁架调平，以便吊装构件顺利就位。由于桁架截面较大，起吊前的翻起过程容易产生平面内失稳(即腹杆受弯变形)，故预先采取加固措施(即用脚手管顺着桁架方向架设2道加固杆)，为保证桁架吊装平衡，在桁架下弦第1,2节点设置4根支架，并在支架顶部设置千斤顶进行桁架微调。千斤顶布置如图3所示。

　　 正式吊装前进行试吊，并做好相应的安全准备，加设保险钢丝绳，防止意外。吊车起吊时，使构件离开地面200mm后静置5min，以便认真检查承压地面、吊点位置、吊索连接等各受力部位的实际状况，确认无误后开始吊装。吊装就位后进行初步矫正，并拉设缆风绳临时固定。

　　 本工程异形构件较多，吊柱方向倾斜，节点对接难度较大，为顺利安装，节点安装精度控制成为重中之重，每个节点安装过程必须采用全站仪进行空间定位，保证节点平面位置与角度在允许偏差范围内。现场采用倒链和支顶设备进行校正调节。吊柱与混凝土核心筒连接部位设置Q235B76×4八字形临时拉结横杆，如图4所示。

　　 顶部桁架端部下弦设置4根临时支撑，导致大悬挑部位桁架结构在施工阶段的受力状态与最终设计受力状态存在很大差异，在有临时支撑状态下的桁架，其自重由端部钢柱和支撑架共同承受，拆除支撑架时，屋盖因自重产生竖向位移，杆件内力重新分布，瞬间发生较大变化。拆除过程即临时支撑卸载过程，结构体系也由施工状态过渡到设计状态。因此，选择合理的卸载顺序和方法是临时支撑卸载工作的关键。

　　 根据本工程结构特点及施工阶段分析结果，大悬挑部位按照同步、分级的卸载思路进行拆除。单次卸载高度5mm，采用螺旋千斤顶作为主要卸载工具，卸载时，按结构变形趋势，通过操作螺旋千斤顶，使结构按预定行程回落，达到卸载目的。

　　 钢梁应根据构件编号结合构件编号图逐一就位。钢梁就位后采用两点起吊、单机旋转法进行吊装，起吊时应先试吊，当构件距地面200mm后停止上升，认真检查吊点位置、吊索连接等各受力部位的实际情况，确认无误后缓慢升钩，将钢梁吊至安装标高以上，再用溜绳旋转钢梁使其对准钢柱，以便落钩就位，待所有高强螺栓全部完成初拧后方可脱钩。施工难点如下。

　　 1)结构体系复杂，结构内力受施工顺序影响较大。

　　 2)屋顶桁架悬挑长度为13.6m，净重达150t，需在悬挑端部设置临时支撑，如图5所示，支撑卸载前后，结构体系发生转变，内力重分配。

　　 3)顶部桁架制作及拼装精度控制直接影响吊柱与平台梁是否能够顺利与桁架及核心筒对接，需提前运用模拟预拼装软件进行预拼装，确保现场安装精度。

　　 本次分析采用钢结构设计软件3D3S12.0，建立三维空间有限元模型。其中主梁采用梁单元，楼板与剪力墙采用壳单元，临时支撑、次梁及吊柱采用杆单元。核心筒底部设刚性支座，桁架与劲性柱、吊柱与楼面梁刚接，楼面梁与混凝土铰接。材料主要包括强度等级C30,C40混凝土及Q345钢材，本构关系依据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版) ^[9]和GB 50017—2017《钢结构设计标准》 ^[10]。主要荷载为结构自重(分项系数1.35，组合系数1.0)及施工荷载(1.5kN/m²，分项系数1.4，组合系数0.7)。

　　 1)根据钢结构工程施工方法及施工工序对施工阶段结构的强度、稳定性和刚度进行验算。

　　 2)施工阶段的临时支撑按施工状况的荷载作用，对构件进行强度、稳定性和刚度验算。

　　 3)对临时支撑的拆除顺序和步骤进行分析和计算。

　　 4)评估安装完毕后的结构与原设计差异，以此评价安装方案的可行性。

　　 结构采用倒装法及自上而下施工，先加设临时支撑将屋顶钢桁架就位，拆除临时支撑后，依次安装楼面梁。具体模拟工况为:(1)工况1在主桁架下弦端部下方设置临时支撑，规格为600mm×15mm圆钢管，上下铰接;(2)工况2将顶部桁架吊装至设计标高处，本阶段桁架起重机撤出后，桁架下弦与混凝土劲性柱由于尚未焊接牢靠，节点定义为铰接;(3)工况3安装核心筒周围吊柱，此时桁架下弦与混凝土劲性柱由于已焊接牢靠，节点定义为刚接;(4)工况4预计桁架下弦核心筒处混凝土已达设计强度，因此本阶段拆除支撑柱;(5)工况5～6安装剩余吊柱及2层楼面梁;(6)工况7逐层安装楼面梁，直至安装完成。关键施工节点变形云图如图6所示。施工各阶段最大应力比及其部位如表1所示。

　　 由模拟分析过程可以看出，悬挂钢结构在整个施工过程中，应力及变形始终处于合理状态，除工况3与工况4这两个阶段变形与构件应力变化较大外，其余阶段构件应力与变形均较平缓。这是因为工况3～4为临时支撑拆除过程，结构体系及荷载传导方向发生转变，所以差异较大。分析结果表明:在整个施工过程中，结构构件最大应力比为0.519，挠度为1/1 032<1/400，杆件处于弹性工作状态，具有较高的安全储备，满足施工可靠性要求。

　　 悬挂结构在施工过程中，结构内力根据施工工况不同，会发生较大变化，因此需对其位移进行实时监测，保证施工尤其是卸载过程中结构的安全稳定，并且监测结果与模拟数据对比，是衡量模拟分析是否可靠的重要依据。各施工阶段对应监测次序为:桁架就位(有支架，起重机撤离)→拆除支撑(混凝土达到设计强度)→吊柱及2层平台梁安装完毕→3层平台梁安装完毕→4层平台梁安装完毕→5层平台梁安装完毕。

　　 对该结构来说，屋面桁架将悬挑部分的荷载传递至混凝土核心筒，是关乎结构体系成型的重要因素。因此，在桁架端部位移敏感区域选取6处测点进行重点监测，测点布置如图7所示，实测值与模拟值对比结果如图8所示。

　　 由图8可知，模拟值与监测值发展趋势基本相同，均随着施工进度的推进不断增大，说明模拟结果具有一定可靠性。所有测点变形的监测值均大于模拟值，相差11.5～14.7mm，且当吊柱就位、楼层平台梁安装过程中，差值不断增大。这是由于模型中混凝土核心筒底部支座为刚性支座，不会发生变形，而实际施工过程中基底会发生一定程度沉降;另外，核心筒中混凝土会发生较大收缩徐变，而屋顶桁架、吊柱及平台梁均为钢结构，收缩效应较小，加之构件生产及安装过程中的尺寸偏差，导致实测值大于模拟值。

　　 1)本工程可采用倒装法，通过合理设置及卸载临时支撑进行施工，由模拟结果可知，施工过程中构件最大应力比为0.519，挠度为1/1 032，安全储备较高，满足可靠性要求。

　　 2)通过对变形敏感点的监测可知，模拟值与监测值发展趋势大致相同，模拟值略小于实际监测值，二者总体较吻合，由此说明模拟结果合理可靠，可以作为施工依据。

　　 3)相比常规结构，大悬挑悬挂混合结构施工难度大，安装精度要求高，且采用倒装法时，在临时支撑卸载前后存在结构体系的重大转变，需结合有限元分析软件进行全阶段模拟分析后确定方案。建议将模拟变形值乘以1.2～1.4倍放大系数后，确定施工预起拱度。