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廣州新電視塔結構施工關(guān)鍵技術(shù)

作者：吳欣之等    
時(shí)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(gè)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(guān)鍵施工技術(shù)和措施進(jìn)行了分析和論述。 關(guān)鍵詞：廣州新電視塔、超高層、復雜鋼結構、施工技術(shù)
    關(guān)鍵詞：

    一、 廣州新電視塔簡(jiǎn)介
    廣州新電視塔是為2010年廣州亞運會(huì )建設的廣播電視塔。位于珠江岸邊，是廣州新城市中軸線(xiàn)上的主要建筑物?？傆玫孛娣e約 18萬(wàn)m2，總建筑面積 10 萬(wàn)m2，結構總高 610 m ，鋼結構總量 5.5 萬(wàn)噸，7.2m平臺層 3萬(wàn)m2。形體扭轉向上，形成纖纖細腰，體態(tài)優(yōu)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(guò)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(gè)鋼橢圓環(huán)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(huán)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(diǎn)和難點(diǎn)
    廣州新電視塔這樣一個(gè)標志性建筑，由于建筑師創(chuàng )新性的設計，使得結構具有以下特點(diǎn)和難點(diǎn)：
    （1）高：塔樓高454m，天線(xiàn)桅桿頂高610m，超高度帶來(lái)施工高風(fēng)險。
    （2）扭：鋼外筒自下而上扭轉45度，使結構呈三維傾斜，萬(wàn)余構件無(wú)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(fā)生側移。
    （4）柔：結構細長(cháng)，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(shí)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(guān)鍵施工技術(shù)和措施
    由于面臨上述結構上的特點(diǎn)和難點(diǎn)，廣州新電視塔施工過(guò)程必然面臨很多的技術(shù)難點(diǎn)和困難。技術(shù)攻關(guān)的難點(diǎn)主要是鋼結構施工技術(shù)和超高混凝土施工技術(shù)。
    1、 鋼結構施工技術(shù)
    廣州新電視塔工程的最大特色和難點(diǎn)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(shù)上采用了十大技術(shù)措施來(lái)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(huán)分節分段（約8～12m/段），環(huán)梁按照柱間長(cháng)度分段，斜撐按間斷點(diǎn)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(diǎn)，選用兩臺1200t.m級的M900D塔吊作為主力起重設備，進(jìn)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(shù)要求非常高，創(chuàng )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(shí)間，100m以下吊裝時(shí)，輔助以?xún)膳_300t的履帶吊，構成四條作業(yè)線(xiàn)，同步吊裝，大大提高了速度。而且，通過(guò)對恰當的支撐手段和措施，在不改變永久結構的前提下，實(shí)現了300t履帶吊上結構平臺作業(yè)的技術(shù)路線(xiàn)。

    2、測量技術(shù)
    廣州新電視塔由于體形特殊，結構高，同時(shí)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(jìn)行測量基線(xiàn)網(wǎng)的測設，以高精度全站儀為重要手段，進(jìn)行構件空中三維坐標定位。
    為滿(mǎn)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(wǎng)?？臻g測量基準網(wǎng)由五個(gè)空間點(diǎn)和一個(gè)地面點(diǎn)組成。
    由于現場(chǎng)施工條件的限制，平面測量基準網(wǎng)分階段進(jìn)行布設。鑒于電視塔結構遠高于周邊其他建筑物，為了滿(mǎn)足結構施工的測量定位要求，位于地面的平面測量控制網(wǎng)沿核心筒壁進(jìn)行垂直傳遞。在C區底板的核心筒外周設置投影基準點(diǎn)，每隔4至6層向上設置相應的高空施工控制點(diǎn)。設置投影基準點(diǎn)以及高空施工控制點(diǎn)時(shí)，考慮到在每節立柱測量時(shí)需與兩個(gè)控制點(diǎn)保持通視，以便必要時(shí)進(jìn)行校核。此外，施工時(shí)，核心筒外的6個(gè)施工控制點(diǎn)同場(chǎng)外空間測量基準網(wǎng)能夠通視，以方便傳遞后的校核及觀(guān)測時(shí)將作為后視。

    鋼結構外筒均采用鋼管構件，高空節點(diǎn)均為等強焊接連接。焊接量大，質(zhì)量要求高，但高空作業(yè)條件差，氣候影響明顯。
    從保證焊接質(zhì)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(jīng)驗，采用了二氧化碳氣體保護半自動(dòng)焊為主，手工焊為輔，進(jìn)行鋼結構節點(diǎn)高空全位置焊接的焊接工藝。焊接時(shí)對節點(diǎn)采用對稱(chēng)分布焊接的施焊順序，焊接單元內按立柱－斜撐－環(huán)梁的順序控制，同環(huán)內節點(diǎn)采用對稱(chēng)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(shù)
    在施工（焊接、施工荷載等）和自重作用影響下，以及在環(huán)境條件（風(fēng)、溫度、日照等）的影響下，結構會(huì )不斷發(fā)生變形，如果不加以控制，會(huì )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(jìn)行計算分析，并結合現場(chǎng)實(shí)測數據掌握結構在各個(gè)施工階段和各種環(huán)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(jìn)行施工工藝設計和施工控制是一項重要的施工技術(shù)措施。通過(guò)采用先進(jìn)的軟件平臺MIDAS和ANSYS對施工全過(guò)程的工況進(jìn)行了仿真分析，了解了結構在重力作用下的變形規律，同時(shí)對溫度以及風(fēng)荷載對施工各階段的影響進(jìn)行了評價(jià)和分析，確定了關(guān)鍵的工藝過(guò)程和方案。如確定了核芯筒領(lǐng)先外框筒50～70m等的技術(shù)方案，并確保最后施工完畢時(shí)，達到變形不超差，內力不超限的要求。

    5、 預變形技術(shù)
    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(guò)程中，不僅會(huì )產(chǎn)生壓縮變形，不均勻沉降，也會(huì )發(fā)生較大的水平變形，因此必須進(jìn)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(huì )發(fā)生較大的累積變形，使得節點(diǎn)偏離原設計位置。
    通過(guò)嚴謹的分析計算，制定了以階段調整、逐環(huán)復位為特征的預變形方案，進(jìn)行鋼結構在恒載作業(yè)下的變形補償。由于風(fēng)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(jìn)行了分析，確保安全，而不對其進(jìn)行補償。

    6、 實(shí)時(shí)監控技術(shù)
    由于廣州新電視塔結構細長(cháng)，施工時(shí)間跨度大，因此結構施工過(guò)程中受溫度影響比較大，同日溫差，陰陽(yáng)面溫差，季節溫差這些變化始終貫穿于結構施工的全過(guò)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(jìn)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(jìn)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(wú)線(xiàn)傳輸，實(shí)時(shí)檢測的結構溫度的檢測系統，進(jìn)行結構在環(huán)境溫差條件下的溫度監測的方案。具體實(shí)施方案是在均勻分布的8根立柱、3道環(huán)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(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)進(jìn)行采集，然后對其數據進(jìn)行分析和處理，指導施工。
    同時(shí)也布置了少量應力傳感器對結構內力變化情況進(jìn)行監控，確保施工目標的實(shí)現。

    7、臨時(shí)支撐技術(shù)
    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(guò)程中的結構穩定和登高作業(yè)帶來(lái)極大難度。因此制定了以徑向布置的臨時(shí)支撐作為結構在安裝階段的穩定措施的技術(shù)方案。即在樓層缺失處鋼外筒結構施工時(shí)設置徑向臨時(shí)支撐作為外筒鋼柱安裝定位和結構臨時(shí)穩定的措施，并作為核心筒通往鋼外筒施工作業(yè)面的臨時(shí)通道。
    徑向臨時(shí)支撐依據外筒鋼環(huán)位置對應布置。每道環(huán)共布置12根臨時(shí)支撐，原則上每間隔一根外筒鋼柱布置一根臨時(shí)支撐。臨時(shí)支撐的長(cháng)度不等，最長(cháng)達31m,考慮支撐的側向穩定，長(cháng)度大于20m時(shí)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(huán)梁牛腿上。選取與外筒鋼環(huán)梁相近標高的核心筒樓層處，布置臨時(shí)支撐的內側支點(diǎn)，盡量減小臨時(shí)支撐兩端的高差，便于現場(chǎng)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(yè)，樓層的不連續，造成懸空作業(yè)。高空墜物帶來(lái)的傷害風(fēng)險也隨著(zhù)高度增加。同時(shí)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(diǎn)，合理規劃、統籌安全作業(yè)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(jìn)行了創(chuàng )新設計，適應了由于外框筒柱子密集，空間狹小的特點(diǎn)，具有安全可靠，裝拆方便的優(yōu)點(diǎn)。

    9、 氣象保障措施
    風(fēng)、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(cháng)達3年，且電視塔處于雷電的高發(fā)區域，因此更應重視不利氣候的防御。因此，施工過(guò)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(fēng)力、溫度、濕度和異常氣候條件進(jìn)行近期、中期及長(cháng)期的氣象預報，必要時(shí)（如天線(xiàn)鋼桅桿安裝時(shí)）進(jìn)行實(shí)時(shí)監測和即時(shí)報告。同時(shí)建立了嚴密的防雷、防風(fēng)、風(fēng)雨措施。
    這樣，就形成了以氣象預測為主要手段，以防風(fēng)，遮雨，避雷擊為重點(diǎn)的全天候應對保障系統。
    10、 天線(xiàn)桅桿整體提升技術(shù)
    廣州新電視塔156m高的天線(xiàn)桅桿，重約1800t左右，分成格構段和實(shí)腹段，設置于454～610m的高空，施工難度高。下部格構段施工時(shí)，可以利用移置放置于454m樓面的M900D塔吊，進(jìn)行吊裝。但是頂部約75m，220噸的實(shí)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(shù)完成超高空桅桿的安裝就位的技術(shù)方案。即將實(shí)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(fēng)糾偏裝置，以八組(16只)穿心式液壓千斤頂及鋼絞線(xiàn)為提升設備，由計算機多參數自動(dòng)控制）實(shí)現提升段天線(xiàn)的超高空連續提升，快速就位安裝。

    四、鋼筋混凝土施工技術(shù)
    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(guān)鍵問(wèn)題。這是因為，電視塔核芯筒內徑只有17X14m，空間非常狹??；層高5.2m，層高較大；核芯筒截面呈橢圓形，線(xiàn)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(zhì)量控制難度高。

    1、超高混凝土核芯筒施工技術(shù)
    根據核芯筒上述特點(diǎn)，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(diǎn)設計的整體提升鋼平臺系統具有如下優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)：
    （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(jīng)濟性。
    （2）核芯筒內部采用定型小鋼模體系，實(shí)現了核芯筒內水平結構和豎向結構同步施工，使施工過(guò)程中的安全得到更好的控制，也使得施工過(guò)程中，核芯筒剛度大大提高，確保了核芯筒超高50～70m施工過(guò)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(huán)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(zhì)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(shù)
    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(guān)鍵的技術(shù)。借鑒以往成功的經(jīng)驗，通過(guò)優(yōu)化混凝土配合比和采用兩泵兩布，一泵到頂的技術(shù)，完成超高程混凝土的泵送。

    3、 鋼管混凝土施工技術(shù)
    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(chǎn)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(guò)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(jìn)行了足尺模型實(shí)驗，證明此工藝滿(mǎn)足混凝土的施工和質(zhì)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(cháng)外掛爬升式布料機進(jìn)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(guò)吊斗吊運混凝土，完成混凝土的澆注。

    五、其它專(zhuān)項施工技術(shù)
    由于廣州新電視塔結構上的特殊性，施工技術(shù)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(chuàng )新的專(zhuān)項技術(shù)才能解決。另外，如幕墻安裝、機電安裝都有其獨特的特點(diǎn)，這些技術(shù)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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