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整體提升及高空滑移綜合技術在高層建筑施工中的應用

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    王煦 孫偉 蘭勇 候文洪 姜峰
    （長江精工鋼結構股份有限公司 廣州510630）

    [摘要] 隨著鋼結構工程施工技術的進步，鋼結構工程的起吊技術不斷進步，其中整體提升技術以效率高、成本低而得到廣泛應用，本文重點結合施工工程詳細介紹了整體提升與高空滑移相接合的施工工藝的主要技術和控制措施，以及整個施工過程的仿真分析方法、施工過程中相關土建結構的加固方法和施工安全防護措施等。
    [關鍵詞] 起吊技術 整體提升 高空滑移 仿真分析
    Abstract: With the development of construction technology in steel structure,
    the heave technology in steel structure make progress, in that overall
    elevation erecting is comprehensively apply by right of high efficiency and
    low cost. This paper focus on technology and control measure in overall elevation
    erecting with top slide construction as well as the simulate analysis in the
    construction and reinforce measures in civil work.
    Key work: heave technology overall elevation erecting top slide simulate analysis


    1 工程概況
    大渡河流域梯級電站調度中心工程位于成都市南沿線三環(huán)路天府立交橋邊城南副中心W2地塊，是國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司的經(jīng)營管理中心、生產(chǎn)調度中心、工程建設指揮中心、流域開發(fā)策劃中心、財務核算中心、員工培訓中心等。

    工程總建筑面積74267平方米，地上20層，地下2層，建筑高度82.90米。本工程建筑防火分類為一類，耐火等級為一級。抗震設防烈度為七度。
    整個建筑19層以下平面呈“匚”形布置，19～20層則采用巨型鋼桁架連接成封閉的“口”形結構，桁架高8.3m；結構中部2～6層設置階梯形水幕桁架結構，層高5.2m；另有橢球形單層網(wǎng)殼結構位于2層副樓結構頂部；局部采用勁性鋼柱結構

    2 結構體系及施工條件
    本工程19層以下為鋼筋混凝土框架??剪力墻結構（局部鋼結構），19～20層為巨型鋼桁架結構，最大跨度42.3米。


    桁架一側與勁性鋼柱牛腿采用鋼性連接，另一端則設置抗震支座，很好地滿足鋼桁架結構在各種荷載（如恒載、活載、風、地震力等）下所產(chǎn)生的反力傳遞、轉動、移動要求，保證反力合力集中、明確、可靠，提高結構的抗震能力，支座位于混凝土牛腿上部。兩側牛腿均突出在結構外部，且混凝土牛腿與鋼桁架桿件之間的間隙僅50mm，桁架弦桿距離混凝土結構200mm，鋼牛腿的安裝間隙僅10mm，以上都對該工程的提升造成較大影響，同時也對提升過程中結構的穩(wěn)定性及安裝精度等提出了更高要求。具體節(jié)點見下圖：

    19～20層巨型鋼桁架共分為西側、北側和東側三部分。其中西北兩側由于下部均存在17層土建結構，而東側桁架19層以下基本無其它結構，但鋼連廊內側支撐鋼桁架與下部水幕結構2層樓蓋邊緣的梁柱投影位置重合；桁架南北兩側與之連接的為混凝土結構，且兩側結構垂直無突出，為提升施工的實施提供了有利條件；兩側結構雖已在土建施工時預埋了幕墻埋件，但對提升施工無較大影響。

    另外兩側的土建樓面局部向外懸挑，但為鋼連廊的提升作業(yè)提供了平臺，經(jīng)過適當加固可完全滿足施工要求。
    現(xiàn)場施工場地較小。拼裝場地前面7m處為現(xiàn)場工人宿舍及辦公用房，提升過程中的安全防范措施要有嚴格保證。
    3 提升和滑移相結合工藝的選擇
    根據(jù)本工程各部分結構自身特點及現(xiàn)場施工條件的限制，本工程鋼結構施工中綜合采用了高空散裝、雙機抬吊等多種施工方法。東側19～20層巨型鋼桁架連廊的施工更是采用了整體提升和高空滑移相接合的綜合施工技術，成為本工程施工的重點、難點及亮點。
    東側鋼連廊結構底部標高72.319m，且下部無其它結構，如采用常規(guī)的高空散裝施工方案，不僅施工成本高，而且施工工期長；但采用單純的提升施工，雖提升通道的垂直度等滿足施工要求，又受到鋼桁架結構自身特點的限制，原位提升則無法通過上部的混凝土牛腿及鋼牛腿等障礙物，同時也受到下部2層土建結構的影響，原位拼裝需要較高的臨時支撐胎架，因此在此工程的實施中我們確定了整體提升與水平滑移相接合的綜合施工方案，即先將鋼連廊結構整體向外偏移750mm后在±0.000m標高位置進行整體拼裝，然后再通過提升與滑移相接合的綜合施工技術完成東側鋼連廊的施工安裝。
    采用整體提升與高空水平滑移相結合的施工工藝，既減少施工臨時措施，降低施工成本，又解決了桁架地面拼裝場地與下部土建結構的重疊問題，避免了鋼結構施工與土建施工存在過多的交叉作業(yè)，縮短施工工期。
    4 施工過程中存在的主要問題
    為順利實現(xiàn)本工程安全，可靠施工，我們重點針對以下主要問題進行了研究，并制定了一系列詳盡的解決方案。
     提升架的設計計算和提升、滑移過程提升架穩(wěn)定控制
     提升結構的計算分析和加固
     提升通道的直線度保證
     提升過程的同步控制和提升力限定
     結構的就位及相應精確就位措施措施
     施工全過程的計算機仿真技術
     施工過程的安全防護措施（包括結構安全、設備安全、人員安全等）
    5 主要技術參數(shù)及施工過程簡述
    5.1 主要技術參數(shù)
    提升重量：270t
    跨度：42.3 m；寬度：10.75 m；高度：8.3 m
    提升高度：72.319m
    水平移位：750mm

    5.2 施工工藝流程
    鋼結構桁架結構的整體提升及高空滑移施工流程如下所示。

    5.3 計算機控制液壓同步提升工藝
    整體提升施工采用的液壓同步提升系統(tǒng)主要由液壓提升器、泵源系統(tǒng)、傳感檢測及計算機同步控制系統(tǒng)組成。采用計算機控制，自動完成同步動作、負載均衡、姿態(tài)矯正、應力控制、操作鎖閉、過程顯示以及故障報警等多種功能，是集機、電、液、傳感器、計算機控制于一體的現(xiàn)代化先進設備，自動化程度高，操作方便靈活，安全性好，可靠性高。
    本工程共設置4個提升架，提升架分別設置于連廊鋼結構的四個角部上方，每個提升架對應桁架位置處設置一個提升吊點。

    本工程所使用的TJ-2000型液壓提升器為穿芯式結構，中間分別可穿過18鋼絞線，兩端有主動錨具，利用鍥形錨片的逆向運動自鎖性，卡緊鋼絞線向上提升。
    TJ-2000型液壓提升器最大設計提升重量200t，提升速度控制在5～10米/小時。
    5.4 高空滑移施工工藝
    滑移措施由滑移軌道箱形梁、滑移支座、反力支座、限位板、千斤頂組成。
    軌道梁上需抹黃油以降低滑移摩擦系數(shù)。根據(jù)相關數(shù)據(jù)，鋼對鋼潤滑后靜摩擦系數(shù)、動摩擦系數(shù)均不大于0.1。提升點最大壓力為80噸，摩擦系數(shù)取0.2，25t螺旋千斤頂可以滿足要求。要求四個千斤頂為同一型號，行程、大小一致。
    滑移支座兩側限位板與支座間距5mm，保證滑移按要求軌跡進行?；浦ё卤砻嫠臈l棱邊須倒角，減小滑移阻力。
    滑移支座滑移前端設限位板（用角鋼點焊即可），防止滑移距離過多。
    反力支座和千斤頂提供滑移動力。
    滑移同步須有一定保證?；品较蛏显谲壍懒簜让嬖O刻度尺，四個提升點每滑移5mm均停下核對一次，確保同步。另外四個同型號千斤頂根據(jù)指揮統(tǒng)一動作，確保千斤頂操作同步。
    6 主要的技術及控制措施
    6.1 提升架的設計計算和提升、滑移過程提升架穩(wěn)定控制
    本工程提升架身兼兩職，在作為連廊鋼結構提升支撐架的同時作為其高空水平滑移的承重平臺。提升架需承擔總計270t的連廊鋼結構的荷載以及施工機械、施工作業(yè)人員等施工荷載，另外還需考慮風荷載等其它不利因素。
    提升架計算分析過程中動載系數(shù)取1.4。根據(jù)計算分析，提升點1與提升點4的提升反力為55t，提升點2與提升點3的提升反力為80t。將提升反力值用于提升架的設計與計算分析。并要求施工過程中要滿足在風力在6級以下才可進行提升施工。



    圖13 提升架到位工況下的結構應力
    提升架后拉桿在整個結構的穩(wěn)定中起到?jīng)Q定性作用，施工中通過在錨固點設置預埋勁性柱固定提升架與土建樓面，后拉桿與預埋勁性柱采用插板節(jié)點連接。

    勁性柱頂板前后加20*600*800鋼板（Q345B），每塊鋼板采用7顆φ24化學螺栓或對穿螺柱（45號鋼）固定，以增加預埋基礎面積和強度。鉆孔位置在梁、柱未穿處則采用化學螺栓。鉆孔位置在樓板（120mm厚）鉆穿采用對穿螺柱緊固，螺母與樓板下表面間加整塊鋼板，改善樓板受力。
    插板采用25mm/Q345B鋼板，與預埋勁性柱頂板及相鄰鋼板熔透焊接，后拉桿尾部中間開槽與插板坡口焊接。這樣拉桿尾部與勁性柱頂板有三條焊縫連接，同時與勁性柱頂板前后鋼板均有焊縫連接，有效地保證了節(jié)點強度。
    提升架安裝完成后，對后拉桿與立柱、預埋件的焊縫，懸挑梁與立柱焊縫等關鍵受拉焊縫采用超聲波檢測，確保焊縫有效強度。
    6.2 提升結構的計算分析和加固
    考慮到提升架位于80m高處的土建樓面以上，提升架本身固定條件差，難以滿足鋼結構的錨固要求，因此解決問題是本工程順利施工的關鍵。
    通過以下兩方面解決鋼結構的錨固問題：1）通過在錨固點設置預埋勁性柱結構固定提升架與土建樓面；2）對土建結構進行加固來實現(xiàn)，從而確保了提升架及下部土建結構的安全性和可靠性。
    本工程中我們設計了勁性柱預埋在剪力墻中，其主要受力方向與剪力墻平行。根據(jù)對施工過程中各種可遇工況進行仿真計算的結果可知，作為拉桿預埋件的輔助勁性柱受到較大的拉力、剪力。

    施工中我們采用了圖14所示的插板節(jié)點，有效保證了后拉桿與預埋勁性柱連接節(jié)點強度，同時也改善了節(jié)點周邊樓板的受力狀況。
    施工過程中荷載通過提升架傳給土建結構，經(jīng)對土建結構進行復核，發(fā)現(xiàn)北樓屋面、20層、19層各有三根梁不能滿足施工荷載要求，南樓屋面、20層、19層各有兩根不能滿足施工荷載要求，須對相應土建結構作適當加固方可滿足受力要求。

    對不能滿足荷載要求的結構須進行加固補強后，懸挑梁下方采用鋼管支撐、斜撐加固兩層，其他部位采用鋼管立向剪刀撐加固兩層。進行加固后，經(jīng)驗算可以滿足荷載要求。

    6.3 提升通道的直線度保證
    提升通道的垂直度的保證是本工程鋼桁架能否順利提升到位的重要因素。
    影響提升通道垂直度的主要因素在于土建結構上部的幕墻預埋件及土建挑檐等突出物，提升前利用激光垂直儀在桁架端部向上投射激光束，安排施工人員進行觀測，發(fā)現(xiàn)南樓9軸混凝土支座與桁架立柱沖突，南端10軸主梁端頭與土建挑檐相碰，邊次梁翼緣板邊緣與幕墻預埋件沖突。處理辦法如下：土建混凝土支座外緣從北向南切除70mm，南端10軸主梁端頭及邊次梁翼緣板邊緣切割一部分。
    6. 4 提升過程的同步控制和提升力限定
    提升過程的同步控制一方面利用提升系統(tǒng)自身的計算機同步控制系統(tǒng)進行控制，另一方面人工水平儀測量控制。每提升一個樓層后進行一次人工水平儀測量，主要控制對四個提升地錨位于同一個水平面內，當高差大于2cm時，需及時進進調整。
    同時，我們在本工程施工中制定了詳細的應力監(jiān)測方案，對提升桁架及反力架支撐點附近土建結構等關系施工安全的關鍵位置設置應力監(jiān)測點，每個監(jiān)測點設專人負責，當監(jiān)測點應力達到報警上限值時監(jiān)測人員應通知提升安裝總指揮，達到許用上限值時應停止吊裝，相關各方共同確定處理方案，確保施工安全。
    本工程施工的主要測試內容包括以下三方面：提升過程中相關構件的應力水平監(jiān)測；桁架構件長期應力水平監(jiān)測；提升過程中相關混凝土結構應力水平監(jiān)測。

    根據(jù)提升桁架及提升架計算分析結果，選擇桁架近支座構件、跨中構件等應力水平相對較大的桿件進行提升過程監(jiān)控，共布置測點30個，具體測點布置見下圖。主要監(jiān)測儀器為應變片及振弦式應變計。

    為進行溫差補償，另外布置了5個溫度補償應變片。
    另外，根據(jù)現(xiàn)場條件和構件的受力情況，混凝土結構上共布置9個測點，其中北樓3個測點，布置在提升點2處的屋面層、20層的挑梁上以及20層柱上；南樓共布置6個測點，即提升點3處的屋面層相鄰的兩根梁上及柱上布置3個測點，提升點4處的屋面層、20層、19層的挑梁上布置共3個測點。
    吊裝過程中對桁架起吊前、起吊后、至5層、至15層、至21層、滑移完、松索后共7個過程進行了監(jiān)測記錄。
    根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，四個提升點符近桿件應力最大值為114MPa，大多時間不超過80MPa，其它桿件內力基本不超過50 MPa。與施工仿真分析的計算結果基本吻合。
    6.5 結構的就位及相應精確就位措施
    按照本工程施工流程，結構就位時，首先要求將桁架整體提升到設計標高以上100mm處后通過螺旋千斤頂頂推到設計位置，頂推前先根據(jù)測量確定桁架就位點的位置，并在提升架的相應位置設置限位板，確保桁架水平位置準確。
    由于桁架拼裝及牛腿安裝等的誤差，導致鋼桁架桿件安裝到位后不可避免的存在部分主梁與牛腿對接坡口有錯邊，施工中采用楔形鐵塊進行校正。

    6.6 施工全過程的計算機仿真技術
    為了確保整個屋頂提升塊在提升過程中的安全性以及穩(wěn)定性，需對提升塊過程進行計算分析，以便及時了解提升塊在提升時的內力和變形狀態(tài)。計算時考慮了均勻提升及不均勻提升兩種情況。根據(jù)經(jīng)驗及結構分析，提升點的不均勻提升量控制為3cm以內。


    從計算結果可以看出，提升過程中，在保證非均勻提升點與其他提升點的提升位移差不大于3cm的情況下，屋頂提升塊在提升過程中出現(xiàn)不同步提升時，結構的強度、剛度依然滿足要求，桁架各桿件的最大應力比不超過0.5。
    提升到位后，桁架的三層樓層梁與勁性柱焊接完成，且平面水平支撐安裝完畢后，拆除提升點處臨時新增的柱，而后再去除提升點。為保證此施工步驟時提升桁架結構的安全性與可靠性，對此工況進行了詳細分析。


    分析證明桁架提升到位后與勁性柱連接工況下，在不去除提升點的情況下拆除提升點處臨時新增的柱時結構安全、可靠。
    6.7 施工過程的安全防護措施
    （1）加強施工人員安全教育培訓及安全交底工作，做好一切常規(guī)安全措施。
    （2）設置東面零標高層警戒區(qū)域、屋面層警戒區(qū)域、2層~20層警戒區(qū)域三個施工警戒區(qū)。確保在桁架施工區(qū)四周形成封閉的警戒區(qū)域，用隔離帶作為警戒線，并張貼警示標識。
    東面工人住房在提升滑移操作期間不準住人，夜間在桁架鋼絞線鎖死的情況下可以住人。滑移到位后確定結構可以承受施工荷載，不存在墜落可能后方可住人。
    屋面層為液壓提升設備及提升滑移作業(yè)區(qū)域，為保證提升滑移期間設備、用電等安全，只有施工有關人員和有特殊通行證者方可入內，其他人員嚴禁入內。另外需夜間派2人通宵值班，南北屋面各一人。
    （3）提升滑移操作區(qū)域安全措施
    操作區(qū)域20米范圍內臨邊須搭設鋼管欄桿防護（雙橫桿），樓板洞口須封閉。
    提升架操作平臺搭設欄桿（雙橫桿），挑梁上滿鋪跳板，欄桿四周掛安全兜網(wǎng)（密目網(wǎng)影響操作視線）。沿提升架后拉桿兩側搭設扶手欄桿、底部搭設橫桿，鋪設跳板作為上下通道，跳板上釘木條作為防滑措施。
    螺旋千斤頂位于兩件箱形梁之間，下方懸空，須墊鋪木板，防止千斤頂下落。
    （4）桁架滑移就位后操作平臺搭設
    吊點2、吊點4下方的操作平臺，考慮到下方有混凝土柱，故采用在18、19、20層樓層內混凝土柱生根往外搭設懸挑架，并向上向下搭設至操作位置，將吊點下方三個平面上的操作平臺相連接，并與預埋牛腿相連以保證腳手架的穩(wěn)定。
    吊點3下方的操作平臺，考慮到19、20層離預埋牛腿不遠處都有一個土建洞口，故采用在這些洞口處生根往外搭設懸挑架至牛腿處并與上下層操作平臺及牛腿相連的方式保證腳手架的穩(wěn)定。
    吊點1下方的操作平臺，由于下方是剪力墻，旁邊離土建樓層距離遠，腳手架生根困難。但考慮到其伸出的牛腿長度較長有1.15米，故考慮從吊點2下方搭挑架出來利用桁架搭設臨時跳板和過渡腳手架至吊點1下方，在這個基礎上搭設吊點1的操作平臺，操作平臺與伸出的牛腿上下卡緊，并利用土建挑出的局部短挑檐安放立桿，增加操作平臺的穩(wěn)定性。操作平臺搭好之后把過渡腳手架和跳板撤去。
    具體搭設方式如下圖，腳手架搭設后須滿鋪跳板：

    （5）提前對現(xiàn)場提升滑移設備故障、天氣變化、停電、人員傷亡等突發(fā)性事件制定詳細的施工緊急預案，做到未雨綢繆。
    7 結論
    （1）整體提升與高空滑移相結合的施工技術充分發(fā)揮了提升與滑移技術各自的優(yōu)點，有效解決了結構自身條件對提升施工的限制及施工空間重疊的矛盾，大大節(jié)約了此類高層結構安裝的施工成本。
    （2）提升架的設計安全、合理、牢固，施工安全防護措施得當，針對性強，滿足現(xiàn)場施工需要。
    （3）施工過程仿真分析科學、詳盡，充分做到了對本工程施工的指導作用，可以作為今后類似工程施工仿真分析的參考。
    （4）施工監(jiān)測技術有效的保證了鋼結構施工過程中桁架結構及提升反力架、混凝土結構的應力水平得到有效的監(jiān)控。保證了施工過程的安全、可靠。

    參 考 文 獻

    ［1］鮑廣?等，鋼結構施工技術及實例 [M] . 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.
    ［2］王景文等，鋼結構工程施工與質量驗收實用手冊 [M] . 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.
    ［3］鋼結構設計規(guī)范（GB50017-2003） ［S］. 北京：中國計劃出版社，2003.
    ［4］北京土木建筑學會，張伯熙等，鋼結構工程施工技術措施 [M] . 北京：經(jīng)濟科學出版社，2005.
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