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廣州新電視塔結構施工關鍵技術

作者：吳欣之等    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要：610m高的廣州新電視塔是世界最高的電視塔，也是一個典型的超高層建筑，具有高、扭、偏等復雜結構特征。本文對其關鍵施工技術和措施進行了分析和論述。 關鍵詞：廣州新電視塔、超高層、復雜鋼結構、施工技術
    關鍵詞：廣州新電視塔結構施工關鍵技術

    一、 廣州新電視塔簡介
    廣州新電視塔是為2010年廣州亞運會建設的廣播電視塔。位于珠江岸邊，是廣州新城市中軸線上的主要建筑物。總用地面積約 18萬m2，總建筑面積 10 萬m2，結構總高 610 m ，鋼結構總量 5.5 萬噸，7.2m平臺層 3萬m2。形體扭轉向上，形成纖纖細腰，體態優美。

    廣州新電視塔有一座454m的塔身和156m的鋼結構桅桿組成，總高610m。塔身由鋼結構外框筒和鋼筋混凝土核芯筒構成。內外框筒通過樓層結構相連，但樓層缺失一半。功能層分段分布，外框筒由24根鋼柱和46個鋼橢圓環及鋼斜撐組成，由下到上，截面由大變小，再由小變大，扭轉而成，鋼柱截面由2000mm漸變到1200mm。核芯筒結構高達448m，截面呈橢圓形，外壁壁厚由1200mm隨高度減小到400mm，混凝土標號由C80變化到C40，內置14根工字型截面的勁性柱。24根外框筒柱呈空間三維傾斜，且環間距離高達10余米，且采用低收縮的C60混凝土。
    二、 廣州新電視塔的特點和難點
    廣州新電視塔這樣一個標志性建筑，由于建筑師創新性的設計，使得結構具有以下特點和難點：
    （1）高：塔樓高454m，天線桅桿頂高610m，超高度帶來施工高風險。
    （2）扭：鋼外筒自下而上扭轉45度，使結構呈三維傾斜，萬余構件無一相同。施工變形控制難度大。
    （3）偏：鋼結構底座與核心筒偏心9.3m，而頂部鋼結構又與底座偏位9m，使結構在自重作用下發生側移。
    （4）柔：結構細長，內外框筒連接較弱，核芯筒截面只有14X17m，高度卻達450余米。
    （5）外：外框筒位于功能層外側，因此施工時不能依靠樓層作操作面，大大增加了施工難度。
    三、 廣州新電視塔的關鍵施工技術和措施
    由于面臨上述結構上的特點和難點，廣州新電視塔施工過程必然面臨很多的技術難點和困難。技術攻關的難點主要是鋼結構施工技術和超高混凝土施工技術。
    1、 鋼結構施工技術
    廣州新電視塔工程的最大特色和難點是鋼結構的施工工藝，由于結構的高度和形體上的特殊性，鋼結構施工的吊裝、測量、焊接、變形控制等方面都存在很多的難題，在技術上采用了十大技術措施來解決這些難題。
    3.1.1 機械設備選擇
    廣州新電視塔外框筒鋼結構柱子直徑2m～1.2m，壁厚50mm～30mm，根據外框筒構成的情況及重量分布，宜將結構柱按環分節分段（約8～12m/段），環梁按照柱間長度分段，斜撐按間斷點分段，柱子單件吊重約為20～40t。
    依據這樣的情況和核芯筒的特點，選用兩臺1200t.m級的M900D塔吊作為主力起重設備，進行鋼結構的吊裝和就位。兩臺M900D分別安裝于塔吊南北兩側，M900D塔吊的安裝、爬升和拆除的技術要求非常高，創新設計了附墻體系，確保了塔吊的安全施工。另外，考慮到工期和結構重量的分布以及M900D安裝的時間，100m以下吊裝時，輔助以兩臺300t的履帶吊，構成四條作業線，同步吊裝，大大提高了速度。而且，通過對恰當的支撐手段和措施，在不改變永久結構的前提下，實現了300t履帶吊上結構平臺作業的技術路線。

    2、測量技術
    廣州新電視塔由于體形特殊，結構高，同時條件差，所以結構測量的難度很大。針對這種情況，我們以GPS定位系統進行測量基線網的測設，以高精度全站儀為重要手段，進行構件空中三維坐標定位。
    為滿足鋼結構安裝定位需要，利用周邊通視條件好、穩固的高層建筑物，構建了空間測量基準網。空間測量基準網由五個空間點和一個地面點組成。
    由于現場施工條件的限制，平面測量基準網分階段進行布設。鑒于電視塔結構遠高于周邊其他建筑物，為了滿足結構施工的測量定位要求，位于地面的平面測量控制網沿核心筒壁進行垂直傳遞。在C區底板的核心筒外周設置投影基準點，每隔4至6層向上設置相應的高空施工控制點。設置投影基準點以及高空施工控制點時，考慮到在每節立柱測量時需與兩個控制點保持通視，以便必要時進行校核。此外，施工時，核心筒外的6個施工控制點同場外空間測量基準網能夠通視，以方便傳遞后的校核及觀測時將作為后視。

    鋼結構外筒均采用鋼管構件，高空節點均為等強焊接連接。焊接量大，質量要求高，但高空作業條件差，氣候影響明顯。
    從保證焊接質量、提高焊接功效、減少焊接變形等因素考慮，并結合以往的焊接經驗，采用了二氧化碳氣體保護半自動焊為主，手工焊為輔，進行鋼結構節點高空全位置焊接的焊接工藝。焊接時對節點采用對稱分布焊接的施焊順序，焊接單元內按立柱－斜撐－環梁的順序控制，同環內節點采用對稱分布、交錯焊接，最大限度控制焊接變形的不利影響。

    4、 施工仿真分析技術
    在施工（焊接、施工荷載等）和自重作用影響下，以及在環境條件（風、溫度、日照等）的影響下，結構會不斷發生變形，如果不加以控制，會造成安裝的困難和精度的不可控制，甚至留有安全隱含。因此需要事先對各種因素引起的結構變形和內力進行計算分析，并結合現場實測數據掌握結構在各個施工階段和各種環境條件下的變形規律，指導結構施工。
    因此，以計算機模擬施工階段結構驗算為先導，進行施工工藝設計和施工控制是一項重要的施工技術措施。通過采用先進的軟件平臺MIDAS和ANSYS對施工全過程的工況進行了仿真分析，了解了結構在重力作用下的變形規律，同時對溫度以及風荷載對施工各階段的影響進行了評價和分析，確定了關鍵的工藝過程和方案。如確定了核芯筒領先外框筒50～70m等的技術方案，并確保最后施工完畢時，達到變形不超差，內力不超限的要求。

    5、 預變形技術
    由于廣州新電視塔具有偏，扭的結構特征，因此結構在施工過程中，不僅會產生壓縮變形，不均勻沉降，也會發生較大的水平變形，因此必須進行預變形控制，否則，即使初始安裝位置精確，但在后續荷載的作用下，會發生較大的累積變形，使得節點偏離原設計位置。
    通過嚴謹的分析計算，制定了以階段調整、逐環復位為特征的預變形方案，進行鋼結構在恒載作業下的變形補償。由于風荷載和溫度荷載為可變和隨機荷載，影響可恢復，因此僅對其影響范圍進行了分析，確保安全，而不對其進行補償。

    6、 實時監控技術
    由于廣州新電視塔結構細長，施工時間跨度大，因此結構施工過程中受溫度影響比較大，同日溫差，陰陽面溫差，季節溫差這些變化始終貫穿于結構施工的全過程。因此必須其對結構變形的影響規律，對主體結構溫度分布情況進行檢測，并輔助計算機模擬計算，提前對結構溫度變形情況進行分析和預測，以減小溫度變形對結構施工的影響。
    根據上述情況，制定了以無線傳輸，實時檢測的結構溫度的檢測系統，進行結構在環境溫差條件下的溫度監測的方案。具體實施方案是在均勻分布的8根立柱、3道環梁上和核芯筒的6根測軸上，布置溫度傳感器，其中同根柱子內外都布置溫度傳感器，采用無線傳輸技術進行采集，然后對其數據進行分析和處理，指導施工。
    同時也布置了少量應力傳感器對結構內力變化情況進行監控，確保施工目標的實現。

    7、臨時支撐技術
    廣州新電視塔樓層分段集中分布，有大量樓層缺失，給鋼外筒施工過程中的結構穩定和登高作業帶來極大難度。因此制定了以徑向布置的臨時支撐作為結構在安裝階段的穩定措施的技術方案。即在樓層缺失處鋼外筒結構施工時設置徑向臨時支撐作為外筒鋼柱安裝定位和結構臨時穩定的措施，并作為核心筒通往鋼外筒施工作業面的臨時通道。
    徑向臨時支撐依據外筒鋼環位置對應布置。每道環共布置12根臨時支撐，原則上每間隔一根外筒鋼柱布置一根臨時支撐。臨時支撐的長度不等，最長達31m,考慮支撐的側向穩定，長度大于20m時增設側向支承。其一端連接到核心筒勁性鋼骨預設的連接件上，另一端擱置在外筒鋼柱的環梁牛腿上。選取與外筒鋼環梁相近標高的核心筒樓層處，布置臨時支撐的內側支點，盡量減小臨時支撐兩端的高差，便于現場施工人員通行

    8、 安全操作系統
    廣州新電視塔鋼結構安裝為超高空作業，樓層的不連續，造成懸空作業。高空墜物帶來的傷害風險也隨著高度增加。同時由于外框筒外露于結構的外側，因此鋼結構施工安全設施設置的困難大大增加。根據結構和施工特點，合理規劃、統籌安全作業設施就極為重要。
    綜合分析后，制定了以垂直爬梯，水平通道，臨邊圍欄，操作平臺和防墜隔離設施，組成了安全操作系統。其中鋼結構施工的安全措施操作平臺進行了創新設計，適應了由于外框筒柱子密集，空間狹小的特點，具有安全可靠，裝拆方便的優點。

    9、 氣象保障措施
    風、雨、雷電、高溫等構成的不利氣候條件始終是建筑施工，特別是超高層建筑施工的一大威脅，廣州新電視塔施工周期長達3年，且電視塔處于雷電的高發區域，因此更應重視不利氣候的防御。因此，施工過程中委托廣州市氣象站負責工程周邊地區的近地和高空的氣象監測，對風力、溫度、濕度和異常氣候條件進行近期、中期及長期的氣象預報，必要時（如天線鋼桅桿安裝時）進行實時監測和即時報告。同時建立了嚴密的防雷、防風、風雨措施。
    這樣，就形成了以氣象預測為主要手段，以防風，遮雨，避雷擊為重點的全天候應對保障系統。
    10、 天線桅桿整體提升技術
    廣州新電視塔156m高的天線桅桿，重約1800t左右，分成格構段和實腹段，設置于454～610m的高空，施工難度高。下部格構段施工時，可以利用移置放置于454m樓面的M900D塔吊，進行吊裝。但是頂部約75m，220噸的實腹段是M900D難以達到的吊裝高度。因此制定了以計算機控制，液壓整體提升技術完成超高空桅桿的安裝就位的技術方案。即將實腹段在格構段內組裝完成后，利用在格構段頂部處設置的提升平臺（設8組導輪和八根導軌作導向及抗風糾偏裝置，以八組(16只)穿心式液壓千斤頂及鋼絞線為提升設備，由計算機多參數自動控制）實現提升段天線的超高空連續提升，快速就位安裝。

    四、鋼筋混凝土施工技術
    廣州新電視塔鋼筋混凝土結構，特別是鋼筋混凝土核芯筒和鋼管混凝土施工也是結構施工中的關鍵問題。這是因為，電視塔核芯筒內徑只有17X14m，空間非常狹小；層高5.2m，層高較大；核芯筒截面呈橢圓形，線型控制難度高；內部剪力墻密集，操作空間狹小。而鋼管混凝土柱直徑較大（2～1.2m），空間傾斜，且位于功能層外側，施工難度大，質量控制難度高。

    1、超高混凝土核芯筒施工技術
    根據核芯筒上述特點，制定了以整體提升鋼平臺模板體系的施工方案。整體提升鋼平臺體系由提升系統、平臺系統、模板系統、掛腳手系統構成，外墻采用鋼大模體系，內墻采用定型小鋼模體系。依據項目特點設計的整體提升鋼平臺系統具有如下優點和特點：
    （1）充分利用了核芯筒內的勁性柱作為承力體系，具有較好的經濟性。
    （2）核芯筒內部采用定型小鋼模體系，實現了核芯筒內水平結構和豎向結構同步施工，使施工過程中的安全得到更好的控制，也使得施工過程中，核芯筒剛度大大提高，確保了核芯筒超高50～70m施工過程中，核芯筒結構的安全。
    （3）整體提升鋼平臺具有封閉的操作環境，避免了高空墜落的危險，確保了施工的安全。
    （4）鋼大模體系整體性好，剛度大，保證了混凝土的施工的質量。
    （5）鋼平臺體系可以帶載提升，提高了施工的效率。

    2、 超高混凝土泵送技術
    由于廣州新電視塔結構超高，混凝土泵送高度將達到450m左右，且標號達到C45，因此混凝土泵送成為一項關鍵的技術。借鑒以往成功的經驗，通過優化混凝土配合比和采用兩泵兩布，一泵到頂的技術，完成超高程混凝土的泵送。

    3、 鋼管混凝土施工技術
    廣州新電視塔鋼管混凝土施工有別于普通鋼管混凝土結構，一是空間傾斜，易造成那隔板底部產生空洞，二是由于鋼管位于樓層外側，難以采用布管，混凝土運輸困難大。通過對比泵送頂升法、高位拋落法、立式澆搗法，最終決定采用高位拋落法施工，為此在進行了足尺模型實驗，證明此工藝滿足混凝土的施工和質量要求。
    為了克服布管的困難，在核芯筒東西兩側各布置一臺38m臂長外掛爬升式布料機進行鋼管砼的澆注，這大大提高了鋼管混凝土澆注的效率。對于兩臺布料機不能全部覆蓋到的區域，用M900D塔吊通過吊斗吊運混凝土，完成混凝土的澆注。

    五、其它專項施工技術
    由于廣州新電視塔結構上的特殊性，施工技術面臨多方面的挑戰，如外框筒的涂裝，超高空垂直運輸，垃圾清理等都需要采用創新的專項技術才能解決。另外，如幕墻安裝、機電安裝都有其獨特的特點，這些技術的解決，都將為以后超高層建筑的施工提供有益的指導。
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