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特式吊樓分體與臨時(shí)支撐施工技術(shù)

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （中國(guó)建筑工程總公司國(guó)內(nèi)工程事業(yè)部李保平 安建民 余建國(guó) 趙連偉 張旭擘）

    【摘 要】 北京新保利大廈工程是一座造型新穎、結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜多變、外裝修獨(dú)特的大型綜合性商務(wù)辦公樓，位于其正面大廳一側(cè)的懸挑式吊樓是本工程的一大特色，也是施工中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。本文從工程施工角度論述了國(guó)內(nèi)僅有、世界罕見(jiàn)的超大懸挑式鋼結(jié)構(gòu)吊樓的主要施工技術(shù)措施和方法，是對(duì)懸挑式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工實(shí)例的探索。
    【關(guān)鍵詞】 懸挑結(jié)構(gòu) 分體施工 臨時(shí)支撐體系 臨時(shí)機(jī)構(gòu) 鑄鋼組合節(jié)點(diǎn)

    一、 工程概況
    新保利大廈的外挑懸挑式鋼吊樓共8層，高度自7.1m~45.1m，懸挑長(zhǎng)度23.98m，寬30.58m，吊樓總建筑面積4439m2，吊樓總重設(shè)計(jì)值為4900t，其中鋼結(jié)構(gòu)總重1200t。吊樓主體結(jié)構(gòu)由三個(gè)剪刀撐（XHJ-1~3）結(jié)構(gòu)、與剪刀撐連接桁架梁結(jié)構(gòu)以及懸挑桁架梁結(jié)構(gòu)三個(gè)部分組成。吊樓的內(nèi)側(cè)與核心筒勁性結(jié)構(gòu)焊接連接，外側(cè)頂部的兩個(gè)上頂點(diǎn)分別與兩端錨固于22層核心筒的‘V’型預(yù)應(yīng)力主鋼索相連，吊樓外側(cè)的兩個(gè)頂點(diǎn)為多桿件特大組合鑄鋼節(jié)點(diǎn)，重約92t，主鋼索為直徑Φ260mm的組合高強(qiáng)鋼絞線。安裝完成后整個(gè)吊樓成外挑懸吊狀態(tài)。四道斜拉預(yù)應(yīng)力主鋼索承受大部分結(jié)構(gòu)荷載。

    特式吊樓的結(jié)構(gòu)特殊性帶來(lái)施工高難度。特式吊樓一側(cè)立面與3#核心筒焊接連接，其余三面及結(jié)構(gòu)底面均無(wú)連接和支撐。在頂部主鋼索張拉前吊樓及施工荷載均需通過(guò)特別設(shè)計(jì)的臨時(shí)支撐體系來(lái)承擔(dān)；安裝完成并主索張拉后，整個(gè)吊樓成懸吊狀態(tài)，吊樓的大部分承重構(gòu)件（特別豎向桿件）的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生反向變化。
    二、 主要技術(shù)方案
    1. 支撐體系的設(shè)計(jì)與分析
    根據(jù)懸挑式吊樓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，須首先進(jìn)行臨時(shí)支撐的設(shè)計(jì)與安裝，吊樓臨時(shí)支撐的計(jì)算采用美國(guó)REI公司通用有限元程序Staad.pro，剪力墻通過(guò)板單元模擬，各鋼構(gòu)件均按桿系模擬。

    經(jīng)過(guò)對(duì)施工過(guò)程的綜合分析，將吊樓施工過(guò)程取兩個(gè)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，即a.米字剪刀撐與核心筒牛腿未焊接時(shí)(米字鋼架上半部分僅起有限作用)模型。此時(shí)臨時(shí)支撐系統(tǒng)僅承受吊樓鋼結(jié)構(gòu)自重以及施工荷載；b. 米字剪刀撐與核心筒牛腿焊接完成后，開(kāi)始逐層澆筑砼樓板，此時(shí)臨時(shí)支撐系統(tǒng)除了承受吊樓鋼結(jié)構(gòu)自重以及施工荷載之外，還需承受新澆筑砼樓板荷載。然后將這兩個(gè)狀態(tài)一次加載的力相加，就可以得出臨時(shí)支撐系統(tǒng)所需承受的最大設(shè)計(jì)承載力。根據(jù)計(jì)算吊樓臨時(shí)支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)值分別為：
    A：N=2335+1506=3841 KN； B：N=3118+1851=4969 KN； C：N=2103+1275=3378 KN
    D：N=2423+1509=3932 KN
    考慮到安裝吊樓懸挑結(jié)構(gòu)部分所增加的荷載部分(1.2懸挑部分鋼結(jié)構(gòu)自重+1.4懸挑部分施工荷載1.5KN/m2)，經(jīng)計(jì)算，將以上結(jié)果調(diào)整為：
    A：N=5400 KN； B：N=5950 KN； C：N=3720 KN； D：N=3730 KN

    經(jīng)計(jì)算A~D點(diǎn)支撐柱分別采用Φ820×12、Φ820×142、Φ500×16、Φ500×16鋼管，材質(zhì)為Q345B。支撐柱自吊樓底部伸至基礎(chǔ)底板，將上部荷載通過(guò)支撐柱傳遞支結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。地下室樓板在支撐柱位置預(yù)留洞口，并按設(shè)計(jì)要求將此處鋼筋加密。鋼柱利用塔吊吊裝就位。為保證支撐柱的穩(wěn)定性，柱間增加橫梁及斜撐。
    2. 支撐柱（B、C點(diǎn)）頂標(biāo)高的確定
    通過(guò)分析計(jì)算，由于主鋼索預(yù)應(yīng)力的作用，整個(gè)吊樓在主鋼索張拉后B、C點(diǎn)將提高20～30mm。為了保證吊樓樓層結(jié)構(gòu)標(biāo)高，B、C支撐點(diǎn)按設(shè)計(jì)標(biāo)高起反拱25mm。


    在吊樓各層混凝土樓板澆筑完畢、主索張拉到一定值后，支撐柱可拆除。臨時(shí)支撐拆除后，將洞口處預(yù)留鋼筋搭接10d，焊接牢固，采用吊模將洞口用微膨脹混凝土填實(shí)。
    3. 懸挑式吊樓鋼結(jié)構(gòu)安裝
    3.1 吊樓安裝順序
    吊裝順序由下至上逐層安裝，具體安裝順序原則為：臨時(shí)支撐架安裝→操作腳手架的搭設(shè)→剪刀撐結(jié)構(gòu)安裝→剪刀撐結(jié)構(gòu)間連接桁架安裝→連接桁架上、下弦支撐安裝→壓型鋼板及栓釘安裝→懸挑結(jié)構(gòu)安裝→斜拉鋼索安裝。根據(jù)安裝順序?qū)?gòu)件進(jìn)行分段如下頁(yè)圖示。
    3.2 米字剪刀撐的安裝
    米字剪刀撐為吊樓主要受力構(gòu)件，其節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，均為進(jìn)口GR.60級(jí)熱軋型鋼。米字剪刀撐截面尺寸最大為H569×545×78×125mm，構(gòu)件單重最大達(dá)13.71t，板厚達(dá)125mm，吊裝、焊接均有較大困難。且節(jié)點(diǎn)處受力復(fù)雜，對(duì)安裝精度要求較高，因此吊裝時(shí)必須保證其安裝精度，焊接時(shí)須保證焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力最小。同時(shí)由于米字剪刀撐安裝時(shí)結(jié)構(gòu)未形成穩(wěn)定體系，因此必須使用兩臺(tái)塔吊進(jìn)行配合作業(yè)。


    4. 吊樓的焊接
    4.1 焊接工藝
    鋼結(jié)構(gòu)焊接是特式吊樓安裝工程中的另一難點(diǎn)，由于節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，板厚度大，因此合理的焊接工藝參數(shù)和焊接順序就顯得尤為重要，針對(duì)特式吊樓的節(jié)點(diǎn)的板厚、焊接位置及焊接方法、焊接設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，以確定最佳參數(shù)，保證節(jié)點(diǎn)受力需要，減小熱輸入。焊接時(shí)為防止厚板收縮引起整體變形和減少焊接殘余應(yīng)力，米字剪刀撐厚板節(jié)點(diǎn)焊接時(shí)先焊2/3，然后進(jìn)行其他構(gòu)件焊接，最后完成米字剪刀撐剩余1/3焊接。在常溫下采取這樣的焊接方法，對(duì)工效影響不大，既能夠減小結(jié)構(gòu)整體變形，同時(shí)減少了焊接節(jié)點(diǎn)的熱輸入。
    4.2 焊接順序
    豎向分三段進(jìn)行，吊樓2L～4L層吊裝完成后即進(jìn)行此段焊接，先焊2L層，形成平面剛性體系，保證“底座”的安裝精度并為上部結(jié)構(gòu)提供安裝基準(zhǔn)。然后吊裝和焊接5L～7L層段、8L～9L層段。焊接時(shí)先焊剪刀撐節(jié)點(diǎn)，后焊鋼梁，最后焊接桁架。米字撐焊接順序詳見(jiàn)下圖：

    米字撐焊接順序
    5. 非標(biāo)高強(qiáng)螺栓安裝
    吊樓頂部鋼索工作點(diǎn)為高強(qiáng)度鋼鑄件，碳當(dāng)量高，可焊性差，因此工作點(diǎn)與吊樓之間為高強(qiáng)螺栓預(yù)應(yīng)力連接。螺栓的規(guī)格為Φ36×830mm、Φ36×930mm和Φ30×800mm三種。非標(biāo)高強(qiáng)螺栓性能參數(shù)如下，等級(jí)：10.9級(jí)；材料：42CrMo；沖擊韌性：≥59J/cm 2；抗拉強(qiáng)度1040～1240MPA,硬度HRC33～39；表面處理：發(fā)黑。
    5.1 鋼鑄件與過(guò)度節(jié)的組合和就位
    安裝時(shí)先將吊樓與鋼鑄件間的過(guò)渡構(gòu)件在地面插入鋼鑄件的榫型接頭，然后把高強(qiáng)螺栓插入栓孔，并按既定順序完成初擰。利用塔吊將鋼鑄件連同過(guò)渡構(gòu)件一同吊裝就位，然后在高空完成非標(biāo)高強(qiáng)螺栓預(yù)應(yīng)力張拉和終擰。
    5.2 非標(biāo)準(zhǔn)高強(qiáng)螺栓的安裝和張拉
    Φ36非標(biāo)高強(qiáng)螺栓為鋼廠特制雙頭螺栓，但兩端螺紋長(zhǎng)度不等，螺紋較長(zhǎng)一端為張拉端。安裝時(shí)須考慮張拉設(shè)備高空作業(yè)面要求，確定螺栓張拉端朝向。
    特式吊樓鋼鑄件中M36高強(qiáng)螺栓為國(guó)內(nèi)目前首次使用，經(jīng)與設(shè)計(jì)院及國(guó)內(nèi)相關(guān)專家多次探討，確定用特制預(yù)應(yīng)力設(shè)備采用張拉法施工。根據(jù)已選定的預(yù)應(yīng)力張拉施工工藝，采用柳州VLM預(yù)應(yīng)力有限公司生產(chǎn)的全套張拉設(shè)備，整套設(shè)備包括電動(dòng)油泵、穿心式千斤頂及為本項(xiàng)目特制的其它工裝設(shè)備。M30高強(qiáng)螺栓采用大型扭矩扳手施工。
    根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)程》（JGJ82-91）中對(duì)大六角頭高強(qiáng)度螺栓施工預(yù)拉力的計(jì)算及規(guī)定結(jié)合節(jié)點(diǎn)張拉狀態(tài)后的有限元分析，M30高強(qiáng)螺栓的施工預(yù)拉力為 390kN，M36高強(qiáng)螺栓的施工預(yù)拉力為 515kN。
    在張拉過(guò)程中為保證張拉過(guò)程中的預(yù)應(yīng)力值，以控制預(yù)應(yīng)力的施加防止出現(xiàn)超張拉現(xiàn)象。在液壓穿心千斤頂使用前進(jìn)行標(biāo)定，求出其力的回歸方程，力值F(kN)與壓力值P(MPa)的直線方程：F=-0.623902+12.1296P
    施工前為驗(yàn)證施加的預(yù)拉力滿足設(shè)計(jì)要求，用現(xiàn)場(chǎng)張拉設(shè)備輔以傳感器檢測(cè)手段對(duì)其中的六個(gè)點(diǎn)用六根特制加長(zhǎng)高強(qiáng)螺栓進(jìn)行同條件下的預(yù)拉力測(cè)試。通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)校核張拉設(shè)備的回歸方程，確定最終油壓值。


    M30、M36高強(qiáng)螺栓初擰值為終擰值的50%，初擰后24h內(nèi)完成終擰。施擰順序由上至下從中間到兩邊的原則施工。
    6. 鋼鑄件組合節(jié)點(diǎn)安裝

    特式吊樓頂部鋼鑄件組合節(jié)點(diǎn)位于特式吊樓標(biāo)高44.785米處。鋼鑄件組合節(jié)點(diǎn)為三個(gè)剪刀撐結(jié)構(gòu)XHJ-1~3在外側(cè)頂部相交處。鋼鑄件與吊樓鋼結(jié)構(gòu)之間通過(guò)過(guò)渡構(gòu)件連接，過(guò)渡構(gòu)件與鋼鑄件之間為M30、M36非標(biāo)高強(qiáng)螺栓及銷軸連接，過(guò)渡構(gòu)件與吊樓鋼結(jié)構(gòu)則為焊接。鋼鑄件共有七個(gè)連接端，因此安裝階段必須保證結(jié)構(gòu)桿件、鋼鑄件就位準(zhǔn)確，才能保證所有節(jié)點(diǎn)均能有效連接。在構(gòu)件安裝前必須在鋼構(gòu)件相應(yīng)位置上精確放線。
    6.1 臨時(shí)機(jī)構(gòu)安裝
    為確保結(jié)構(gòu)的整體性，當(dāng)單個(gè)構(gòu)件柱、梁校正完畢，進(jìn)行臨時(shí)或永久固定，必須將構(gòu)件間的臨時(shí)結(jié)構(gòu)安裝好，以增強(qiáng)吊樓結(jié)構(gòu)的總體剛度，保證已安裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。
    臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如下：


    6.2 鋼鑄件安裝
    臨時(shí)結(jié)構(gòu)安裝完畢后，搭設(shè)腳手架操作平臺(tái)，進(jìn)行鋼鑄件吊裝。首先就位組合式鋼鑄件，校正其平面位置及各個(gè)方向角度，然后將七個(gè)連接端逐一連接。校正時(shí)使用塔吊、手拉葫蘆、20t千斤頂，使各個(gè)方向的安裝誤差均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。與鋼鑄件連接的所有桿件由內(nèi)至外逐個(gè)就位，安裝銷軸。最后進(jìn)行過(guò)渡構(gòu)件與吊樓鋼結(jié)構(gòu)之間的焊接。
    待鋼鑄件所有焊接及機(jī)械連接節(jié)點(diǎn)完成且主索安裝后方可拆除臨時(shí)結(jié)構(gòu)。


    7. 臨時(shí)支撐拆除條件
    7.1 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件全部焊接或機(jī)械連接完成并驗(yàn)收。
    7.2 吊樓各層混凝土樓板澆筑完成，并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。
    7.3 安裝4根主鋼索，并張拉至0.4 Fcon后吊樓和支撐脫離，此后可以隨時(shí)拆除臨時(shí)支撐。
    三、 特式吊樓安裝過(guò)程中的檢測(cè)
    1. 過(guò)程檢測(cè)
    本工程中的特式吊樓結(jié)構(gòu)形式特殊，受力復(fù)雜，吊樓整體位移及關(guān)鍵應(yīng)變監(jiān)測(cè)十分必要，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)受作用前后的性能進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以反映結(jié)構(gòu)的整體工作的狀況，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的工作性能作出正確的評(píng)估。在為本工程結(jié)構(gòu)施工期間的安全施工提供必要參考同時(shí)也為結(jié)構(gòu)在使用期間的監(jiān)控提供可靠的原始數(shù)據(jù)。

    2. 位移測(cè)量結(jié)果
    最終位移測(cè)量結(jié)果和設(shè)計(jì)計(jì)算值、安裝反起拱值一致。
    主索張拉過(guò)程吊樓位移檢測(cè)詳見(jiàn)下表：


    四、 結(jié)束語(yǔ)
    新保利大廈懸挑式吊樓鋼結(jié)構(gòu)安裝工程完成后，通過(guò)應(yīng)變和位移監(jiān)測(cè)，吊樓在鋼索張拉過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定，吊鋼索張后變形樓結(jié)構(gòu)整體在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。本工程的成功實(shí)施，對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)厚板焊接、臨時(shí)支撐體系的應(yīng)用、非標(biāo)高強(qiáng)螺栓張拉法施工及鑄鋼組合接點(diǎn)安裝都具有很大參考意義。
    1. 設(shè)計(jì)變形數(shù)據(jù)與實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)完全吻合，證明了設(shè)計(jì)計(jì)算模型是完全正確的。
    2. 構(gòu)件的加工精度直接影響現(xiàn)場(chǎng)施工，特別是組合式鋼鑄件和米字剪刀撐等復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的必須從加工到安裝全過(guò)程應(yīng)用QC方法進(jìn)行全面控制方可保證正常施工。
    3. 安裝過(guò)程中，控制安裝精度是保證變形控制的關(guān)鍵，故在安裝方案中不僅需安排合理的焊接順序，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的安裝和焊接必須精益求精才能減小焊接內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的變形。
    4. 四根主索（大直徑預(yù)應(yīng)力鋼索張拉施工技術(shù)）作為吊樓使用過(guò)程中的受力機(jī)構(gòu)，其張拉對(duì)吊樓的影響非常大。吊樓采用臨時(shí)支撐系統(tǒng)的安裝過(guò)程與其使用時(shí)的懸吊狀態(tài)受力完全相反，主索張拉過(guò)程中吊樓內(nèi)力重新分配，其施工過(guò)程的控制是關(guān)鍵所在。在主索張拉過(guò)程中，對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、位移進(jìn)行全過(guò)程的檢測(cè)，隨時(shí)掌握吊樓關(guān)鍵部位的受力狀態(tài)，對(duì)保證結(jié)構(gòu)安全具有重大意義。

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