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特式吊樓分體與臨時(shí)支撐施工技術(shù)

作者:建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間:2009-12-22 20:25:58 [收藏]

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

    【摘 要】 北京新保利大廈工程是一座造型新穎、結構型式復雜多變、外裝修獨特的大型綜合性商務(wù)辦公樓,位于其正面大廳一側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內僅有、世界罕見(jiàn)的超大懸挑式鋼結構吊樓的主要施工技術(shù)措施和方法,是對懸挑式結構設計與施工實(shí)例的探索。
    【關(guān)鍵詞】 懸挑結構 分體施工 臨時(shí)支撐體系 臨時(shí)機構 鑄鋼組合節點(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(cháng)度23.98m,寬30.58m,吊樓總建筑面積4439m2,吊樓總重設計值為4900t,其中鋼結構總重1200t。吊樓主體結構由三個(gè)剪刀撐(XHJ-1~3)結構、與剪刀撐連接桁架梁結構以及懸挑桁架梁結構三個(gè)部分組成。吊樓的內側與核心筒勁性結構焊接連接,外側頂部的兩個(gè)上頂點(diǎn)分別與兩端錨固于22層核心筒的‘V’型預應力主鋼索相連,吊樓外側的兩個(gè)頂點(diǎn)為多桿件特大組合鑄鋼節點(diǎn),重約92t,主鋼索為直徑Φ260mm的組合高強鋼絞線(xiàn)。安裝完成后整個(gè)吊樓成外挑懸吊狀態(tài)。四道斜拉預應力主鋼索承受大部分結構荷載。

    特式吊樓的結構特殊性帶來(lái)施工高難度。特式吊樓一側立面與3#核心筒焊接連接,其余三面及結構底面均無(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)特別設計的臨時(shí)支撐體系來(lái)承擔;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件(特別豎向桿件)的內應力產(chǎn)生反向變化。
    二、 主要技術(shù)方案
    1. 支撐體系的設計與分析
    根據懸挑式吊樓的結構特點(diǎn),須首先進(jìn)行臨時(shí)支撐的設計與安裝,吊樓臨時(shí)支撐的計算采用美國REI公司通用有限元程序Staad.pro,剪力墻通過(guò)板單元模擬,各鋼構件均按桿系模擬。

    經(jīng)過(guò)對施工過(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)支撐系統僅承受吊樓鋼結構自重以及施工荷載;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)支撐系統除了承受吊樓鋼結構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)支撐系統所需承受的最大設計承載力。根據計算吊樓臨時(shí)支撐系統的設計值分別為:
    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構部分所增加的荷載部分(1.2懸挑部分鋼結構自重+1.4懸挑部分施工荷載1.5KN/m2),經(jīng)計算,將以上結果調整為:
    A:N=5400 KN; B:N=5950 KN; C:N=3720 KN; D:N=3730 KN

    經(jīng)計算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底板,將上部荷載通過(guò)支撐柱傳遞支結構基礎。地下室樓板在支撐柱位置預留洞口,并按設計要求將此處鋼筋加密。鋼柱利用塔吊吊裝就位。為保證支撐柱的穩定性,柱間增加橫梁及斜撐。
    2. 支撐柱(B、C點(diǎn))頂標高的確定
    通過(guò)分析計算,由于主鋼索預應力的作用,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構標高,B、C支撐點(diǎn)按設計標高起反拱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. 懸挑式吊樓鋼結構安裝
    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→剪刀撐結構安裝→剪刀撐結構間連接桁架安裝→連接桁架上、下弦支撐安裝→壓型鋼板及栓釘安裝→懸挑結構安裝→斜拉鋼索安裝。根據安裝順序對構件進(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件,其節點(diǎn)結構形式復雜,均為進(jìn)口GR.60級熱軋型鋼。米字剪刀撐截面尺寸最大為H569×545×78×125mm,構件單重最大達13.71t,板厚達125mm,吊裝、焊接均有較大困難。且節點(diǎn)處受力復雜,對安裝精度要求較高,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)生的殘余應力最小。同時(shí)由于米字剪刀撐安裝時(shí)結構未形成穩定體系,因此必須使用兩臺塔吊進(jìn)行配合作業(yè)。


    4. 吊樓的焊接
    4.1 焊接工藝
    鋼結構焊接是特式吊樓安裝工程中的另一難點(diǎn),由于節點(diǎn)復雜,板厚度大,因此合理的焊接工藝參數和焊接順序就顯得尤為重要,針對特式吊樓的節點(diǎn)的板厚、焊接位置及焊接方法、焊接設備,現場(chǎng)進(jìn)行了焊接工藝評定,以確定最佳參數,保證節點(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力,米字剪刀撐厚板節點(diǎn)焊接時(shí)先焊2/3,然后進(jìn)行其他構件焊接,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,對工效影響不大,既能夠減小結構整體變形,同時(shí)減少了焊接節點(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構提供安裝基準。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. 非標高強螺栓安裝
    吊樓頂部鋼索工作點(diǎn)為高強度鋼鑄件,碳當量高,可焊性差,因此工作點(diǎn)與吊樓之間為高強螺栓預應力連接。螺栓的規格為Φ36×830mm、Φ36×930mm和Φ30×800mm三種。非標高強螺栓性能參數如下,等級:10.9級;材料:42CrMo;沖擊韌性:≥59J/cm 2;抗拉強度1040~1240MPA,硬度HRC33~39;表面處理:發(fā)黑。
    5.1 鋼鑄件與過(guò)度節的組合和就位
    安裝時(shí)先將吊樓與鋼鑄件間的過(guò)渡構件在地面插入鋼鑄件的榫型接頭,然后把高強螺栓插入栓孔,并按既定順序完成初擰。利用塔吊將鋼鑄件連同過(guò)渡構件一同吊裝就位,然后在高空完成非標高強螺栓預應力張拉和終擰。
    5.2 非標準高強螺栓的安裝和張拉
    Φ36非標高強螺栓為鋼廠(chǎng)特制雙頭螺栓,但兩端螺紋長(cháng)度不等,螺紋較長(cháng)一端為張拉端。安裝時(shí)須考慮張拉設備高空作業(yè)面要求,確定螺栓張拉端朝向。
    特式吊樓鋼鑄件中M36高強螺栓為國內目前首次使用,經(jīng)與設計院及國內相關(guān)專(zhuān)家多次探討,確定用特制預應力設備采用張拉法施工。根據已選定的預應力張拉施工工藝,采用柳州VLM預應力有限公司生產(chǎn)的全套張拉設備,整套設備包括電動(dòng)油泵、穿心式千斤頂及為本項目特制的其它工裝設備。M30高強螺栓采用大型扭矩扳手施工。
    根據《鋼結構高強度螺栓連接的設計、施工及驗收規程》(JGJ82-91)中對大六角頭高強度螺栓施工預拉力的計算及規定結合節點(diǎn)張拉狀態(tài)后的有限元分析,M30高強螺栓的施工預拉力為 390kN,M36高強螺栓的施工預拉力為 515kN。
    在張拉過(guò)程中為保證張拉過(guò)程中的預應力值,以控制預應力的施加防止出現超張拉現象。在液壓穿心千斤頂使用前進(jìn)行標定,求出其力的回歸方程,力值F(kN)與壓力值P(MPa)的直線(xiàn)方程:F=-0.623902+12.1296P
    施工前為驗證施加的預拉力滿(mǎn)足設計要求,用現場(chǎng)張拉設備輔以傳感器檢測手段對其中的六個(gè)點(diǎn)用六根特制加長(cháng)高強螺栓進(jìn)行同條件下的預拉力測試。通過(guò)傳感器數據校核張拉設備的回歸方程,確定最終油壓值。


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

    特式吊樓頂部鋼鑄件組合節點(diǎn)位于特式吊樓標高44.785米處。鋼鑄件組合節點(diǎn)為三個(gè)剪刀撐結構XHJ-1~3在外側頂部相交處。鋼鑄件與吊樓鋼結構之間通過(guò)過(guò)渡構件連接,過(guò)渡構件與鋼鑄件之間為M30、M36非標高強螺栓及銷(xiāo)軸連接,過(guò)渡構件與吊樓鋼結構則為焊接。鋼鑄件共有七個(gè)連接端,因此安裝階段必須保證結構桿件、鋼鑄件就位準確,才能保證所有節點(diǎn)均能有效連接。在構件安裝前必須在鋼構件相應位置上精確放線(xiàn)。
    6.1 臨時(shí)機構安裝
    為確保結構的整體性,當單個(gè)構件柱、梁校正完畢,進(jìn)行臨時(shí)或永久固定,必須將構件間的臨時(shí)結構安裝好,以增強吊樓結構的總體剛度,保證已安裝結構的穩定。
    臨時(shí)結構設計圖如下:


    6.2 鋼鑄件安裝
    臨時(shí)結構安裝完畢后,搭設腳手架操作平臺,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范要求范圍內。與鋼鑄件連接的所有桿件由內至外逐個(gè)就位,安裝銷(xiāo)軸。最后進(jìn)行過(guò)渡構件與吊樓鋼結構之間的焊接。
    待鋼鑄件所有焊接及機械連接節點(diǎn)完成且主索安裝后方可拆除臨時(shí)結構。


    7. 臨時(shí)支撐拆除條件
    7.1 鋼結構構件全部焊接或機械連接完成并驗收。
    7.2 吊樓各層混凝土樓板澆筑完成,并達到設計強度。
    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
    1. 過(guò)程檢測
    本工程中的特式吊樓結構形式特殊,受力復雜,吊樓整體位移及關(guān)鍵應變監測十分必要,通過(guò)對結構受作用前后的性能進(jìn)行觀(guān)測,對主要監測數據進(jìn)行分析以反映結構的整體工作的狀況,從而對結構的工作性能作出正確的評估。在為本工程結構施工期間的安全施工提供必要參考同時(shí)也為結構在使用期間的監控提供可靠的原始數據。

    2. 位移測量結果
    最終位移測量結果和設計計算值、安裝反起拱值一致。
    主索張拉過(guò)程吊樓位移檢測詳見(jiàn)下表:


    四、 結束語(yǔ)
    新保利大廈懸挑式吊樓鋼結構安裝工程完成后,通過(guò)應變和位移監測,吊樓在鋼索張拉過(guò)程中結構受力穩定,吊鋼索張后變形樓結構整體在設計允許范圍之內。本工程的成功實(shí)施,對建筑鋼結構的高強厚板焊接、臨時(shí)支撐體系的應用、非標高強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. 設計變形數據與實(shí)際檢測數據完全吻合,證明了設計計算模型是完全正確的。
    2. 構件的加工精度直接影響現場(chǎng)施工,特別是組合式鋼鑄件和米字剪刀撐等復雜節點(diǎn)的必須從加工到安裝全過(guò)程應用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)節點(diǎn)的安裝和焊接必須精益求精才能減小焊接內應力產(chǎn)生的變形。
    4. 四根主索(大直徑預應力鋼索張拉施工技術(shù))作為吊樓使用過(guò)程中的受力機構,其張拉對吊樓的影響非常大。吊樓采用臨時(shí)支撐系統的安裝過(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,對結構應力應變、位移進(jìn)行全過(guò)程的檢測,隨時(shí)掌握吊樓關(guān)鍵部位的受力狀態(tài),對保證結構安全具有重大意義。

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