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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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