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廣州新電視塔結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

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(fù)雜結(jié)構(gòu)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(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)、施工技術(shù)
    關(guān)鍵詞：廣州新電視塔結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

    一、 廣州新電視塔簡介
    廣州新電視塔是為2010年廣州亞運(yùn)會建設(shè)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?？傆玫孛娣e約 18萬m2，總建筑面積 10 萬m2，結(jié)構(gòu)總高 610 m ，鋼結(jié)構(gòu)總量 5.5 萬噸，7.2m平臺層 3萬m2。形體扭轉(zhuǎn)向上，形成纖纖細(xì)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(jié)構(gòu)桅桿組成，總高610m。塔身由鋼結(jié)構(gòu)外框筒和鋼筋混凝土核芯筒構(gòu)成。內(nèi)外框筒通過樓層結(jié)構(gòu)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(huán)及鋼斜撐組成，由下到上，截面由大變小，再由小變大，扭轉(zhuǎn)而成，鋼柱截面由2000mm漸變到1200mm。核芯筒結(jié)構(gòu)高達(dá)448m，截面呈橢圓形，外壁壁厚由1200mm隨高度減小到400mm，混凝土標(biāo)號由C80變化到C40，內(nèi)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(dá)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(biāo)志性建筑，由于建筑師創(chuàng)新性的設(shè)計，使得結(jié)構(gòu)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(fēng)險。
    （2）扭：鋼外筒自下而上扭轉(zhuǎn)45度，使結(jié)構(gòu)呈三維傾斜，萬余構(gòu)件無一相同。施工變形控制難度大。
    （3）偏：鋼結(jié)構(gòu)底座與核心筒偏心9.3m，而頂部鋼結(jié)構(gòu)又與底座偏位9m，使結(jié)構(gòu)在自重作用下發(fā)生側(cè)移。
    （4）柔：結(jié)構(gòu)細(xì)長，內(nèi)外框筒連接較弱，核芯筒截面只有14X17m，高度卻達(dá)450余米。
    （5）外：外框筒位于功能層外側(cè)，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(guān)鍵施工技術(shù)和措施
    由于面臨上述結(jié)構(gòu)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(shù)難點和困難。技術(shù)攻關(guān)的難點主要是鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)和超高混凝土施工技術(shù)。
    1、 鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)
    廣州新電視塔工程的最大特色和難點是鋼結(jié)構(gòu)的施工工藝，由于結(jié)構(gòu)的高度和形體上的特殊性，鋼結(jié)構(gòu)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)措施來解決這些難題。
    3.1.1 機(jī)械設(shè)備選擇
    廣州新電視塔外框筒鋼結(jié)構(gòu)柱子直徑2m～1.2m，壁厚50mm～30mm，根據(jù)外框筒構(gòu)成的情況及重量分布，宜將結(jié)構(gòu)柱按環(huán)分節(jié)分段（約8～12m/段），環(huán)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(jù)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(shè)備，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的吊裝和就位。兩臺M900D分別安裝于塔吊南北兩側(cè)，M900D塔吊的安裝、爬升和拆除的技術(shù)要求非常高，創(chuàng)新設(shè)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(jié)構(gòu)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(gòu)成四條作業(yè)線，同步吊裝，大大提高了速度。而且，通過對恰當(dāng)?shù)闹问侄魏痛胧?，在不改變永久結(jié)構(gòu)的前提下，實現(xiàn)了300t履帶吊上結(jié)構(gòu)平臺作業(yè)的技術(shù)路線。

    2、測量技術(shù)
    廣州新電視塔由于體形特殊，結(jié)構(gòu)高，同時條件差，所以結(jié)構(gòu)測量的難度很大。針對這種情況，我們以GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行測量基線網(wǎng)的測設(shè)，以高精度全站儀為重要手段，進(jìn)行構(gòu)件空中三維坐標(biāo)定位。
    為滿足鋼結(jié)構(gòu)安裝定位需要，利用周邊通視條件好、穩(wěn)固的高層建筑物，構(gòu)建了空間測量基準(zhǔn)網(wǎng)?？臻g測量基準(zhǔn)網(wǎng)由五個空間點和一個地面點組成。
    由于現(xiàn)場施工條件的限制，平面測量基準(zhǔn)網(wǎng)分階段進(jìn)行布設(shè)。鑒于電視塔結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)高于周邊其他建筑物，為了滿足結(jié)構(gòu)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(qū)底板的核心筒外周設(shè)置投影基準(zhǔn)點，每隔4至6層向上設(shè)置相應(yīng)的高空施工控制點。設(shè)置投影基準(zhǔn)點以及高空施工控制點時，考慮到在每節(jié)立柱測量時需與兩個控制點保持通視，以便必要時進(jìn)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(zhǔn)網(wǎng)能夠通視，以方便傳遞后的校核及觀測時將作為后視。

    鋼結(jié)構(gòu)外筒均采用鋼管構(gòu)件，高空節(jié)點均為等強(qiáng)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(jié)合以往的焊接經(jīng)驗，采用了二氧化碳?xì)怏w保護(hù)半自動焊為主，手工焊為輔，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點高空全位置焊接的焊接工藝。焊接時對節(jié)點采用對稱分布焊接的施焊順序，焊接單元內(nèi)按立柱－斜撐－環(huán)梁的順序控制，同環(huán)內(nèi)節(jié)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(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(jié)構(gòu)會不斷發(fā)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(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力進(jìn)行計算分析，并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)掌握結(jié)構(gòu)在各個施工階段和各種環(huán)境條件下的變形規(guī)律，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)施工。
    因此，以計算機(jī)模擬施工階段結(jié)構(gòu)驗算為先導(dǎo)，進(jìn)行施工工藝設(shè)計和施工控制是一項重要的施工技術(shù)措施。通過采用先進(jìn)的軟件平臺MIDAS和ANSYS對施工全過程的工況進(jìn)行了仿真分析，了解了結(jié)構(gòu)在重力作用下的變形規(guī)律，同時對溫度以及風(fēng)荷載對施工各階段的影響進(jìn)行了評價和分析，確定了關(guān)鍵的工藝過程和方案。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，達(dá)到變形不超差，內(nèi)力不超限的要求。

    5、 預(yù)變形技術(shù)
    由于廣州新電視塔具有偏，扭的結(jié)構(gòu)特征，因此結(jié)構(gòu)在施工過程中，不僅會產(chǎn)生壓縮變形，不均勻沉降，也會發(fā)生較大的水平變形，因此必須進(jìn)行預(yù)變形控制，否則，即使初始安裝位置精確，但在后續(xù)荷載的作用下，會發(fā)生較大的累積變形，使得節(jié)點偏離原設(shè)計位置。
    通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鲇嬎?，制定了以階段調(diào)整、逐環(huán)復(fù)位為特征的預(yù)變形方案，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)在恒載作業(yè)下的變形補(bǔ)償。由于風(fēng)荷載和溫度荷載為可變和隨機(jī)荷載，影響可恢復(fù)，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(bǔ)償。

    6、 實時監(jiān)控技術(shù)
    由于廣州新電視塔結(jié)構(gòu)細(xì)長，施工時間跨度大，因此結(jié)構(gòu)施工過程中受溫度影響比較大，同日溫差，陰陽面溫差，季節(jié)溫差這些變化始終貫穿于結(jié)構(gòu)施工的全過程。因此必須其對結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，對主體結(jié)構(gòu)溫度分布情況進(jìn)行檢測，并輔助計算機(jī)模擬計算，提前對結(jié)構(gòu)溫度變形情況進(jìn)行分析和預(yù)測，以減小溫度變形對結(jié)構(gòu)施工的影響。
    根據(jù)上述情況，制定了以無線傳輸，實時檢測的結(jié)構(gòu)溫度的檢測系統(tǒng)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)在環(huán)境溫差條件下的溫度監(jiān)測的方案。具體實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(nèi)外都布置溫度傳感器，采用無線傳輸技術(shù)進(jìn)行采集，然后對其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，指導(dǎo)施工。
    同時也布置了少量應(yīng)力傳感器對結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化情況進(jìn)行監(jiān)控，確保施工目標(biāo)的實現(xiàn)。

    7、臨時支撐技術(shù)
    廣州新電視塔樓層分段集中分布，有大量樓層缺失，給鋼外筒施工過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和登高作業(yè)帶來極大難度。因此制定了以徑向布置的臨時支撐作為結(jié)構(gòu)在安裝階段的穩(wěn)定措施的技術(shù)方案。即在樓層缺失處鋼外筒結(jié)構(gòu)施工時設(shè)置徑向臨時支撐作為外筒鋼柱安裝定位和結(jié)構(gòu)臨時穩(wěn)定的措施，并作為核心筒通往鋼外筒施工作業(yè)面的臨時通道。
    徑向臨時支撐依據(jù)外筒鋼環(huán)位置對應(yīng)布置。每道環(huán)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(dá)31m,考慮支撐的側(cè)向穩(wěn)定，長度大于20m時增設(shè)側(cè)向支承。其一端連接到核心筒勁性鋼骨預(yù)設(shè)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(biāo)高的核心筒樓層處，布置臨時支撐的內(nèi)側(cè)支點，盡量減小臨時支撐兩端的高差，便于現(xiàn)場施工人員通行

    8、 安全操作系統(tǒng)
    廣州新電視塔鋼結(jié)構(gòu)安裝為超高空作業(yè)，樓層的不連續(xù)，造成懸空作業(yè)。高空墜物帶來的傷害風(fēng)險也隨著高度增加。同時由于外框筒外露于結(jié)構(gòu)的外側(cè)，因此鋼結(jié)構(gòu)施工安全設(shè)施設(shè)置的困難大大增加。根據(jù)結(jié)構(gòu)和施工特點，合理規(guī)劃、統(tǒng)籌安全作業(yè)設(shè)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(shè)施，組成了安全操作系統(tǒng)。其中鋼結(jié)構(gòu)施工的安全措施操作平臺進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計，適應(yīng)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(yōu)點。

    9、 氣象保障措施
    風(fēng)、雨、雷電、高溫等構(gòu)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(dá)3年，且電視塔處于雷電的高發(fā)區(qū)域，因此更應(yīng)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(fù)責(zé)工程周邊地區(qū)的近地和高空的氣象監(jiān)測，對風(fēng)力、溫度、濕度和異常氣候條件進(jìn)行近期、中期及長期的氣象預(yù)報，必要時（如天線鋼桅桿安裝時）進(jìn)行實時監(jiān)測和即時報告。同時建立了嚴(yán)密的防雷、防風(fēng)、風(fēng)雨措施。
    這樣，就形成了以氣象預(yù)測為主要手段，以防風(fēng)，遮雨，避雷擊為重點的全天候應(yīng)對保障系統(tǒng)。
    10、 天線桅桿整體提升技術(shù)
    廣州新電視塔156m高的天線桅桿，重約1800t左右，分成格構(gòu)段和實腹段，設(shè)置于454～610m的高空，施工難度高。下部格構(gòu)段施工時，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噸的實腹段是M900D難以達(dá)到的吊裝高度。因此制定了以計算機(jī)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。即將實腹段在格構(gòu)段內(nèi)組裝完成后，利用在格構(gòu)段頂部處設(shè)置的提升平臺（設(shè)8組導(dǎo)輪和八根導(dǎo)軌作導(dǎo)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為提升設(shè)備，由計算機(jī)多參數(shù)自動控制）實現(xiàn)提升段天線的超高空連續(xù)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(jié)構(gòu)，特別是鋼筋混凝土核芯筒和鋼管混凝土施工也是結(jié)構(gòu)施工中的關(guān)鍵問題。這是因為，電視塔核芯筒內(nèi)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，線型控制難度高；內(nèi)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(cè)，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(jù)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(tǒng)、平臺系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、掛腳手系統(tǒng)構(gòu)成，外墻采用鋼大模體系，內(nèi)墻采用定型小鋼模體系。依據(jù)項目特點設(shè)計的整體提升鋼平臺系統(tǒng)具有如下優(yōu)點和特點：
    （1）充分利用了核芯筒內(nèi)的勁性柱作為承力體系，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。
    （2）核芯筒內(nèi)部采用定型小鋼模體系，實現(xiàn)了核芯筒內(nèi)水平結(jié)構(gòu)和豎向結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)超高，混凝土泵送高度將達(dá)到450m左右，且標(biāo)號達(dá)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，通過優(yōu)化混凝土配合比和采用兩泵兩布，一泵到頂?shù)募夹g(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(jié)構(gòu)，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(cè)，難以采用布管，混凝土運(yùn)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(jìn)行了足尺模型實驗，證明此工藝滿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(cè)各布置一臺38m臂長外掛爬升式布料機(jī)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(jī)不能全部覆蓋到的區(qū)域，用M900D塔吊通過吊斗吊運(yùn)混凝土，完成混凝土的澆注。

    五、其它專項施工技術(shù)
    由于廣州新電視塔結(jié)構(gòu)上的特殊性，施工技術(shù)面臨多方面的挑戰(zhàn)，如外框筒的涂裝，超高空垂直運(yùn)輸，垃圾清理等都需要采用創(chuàng)新的專項技術(shù)才能解決。另外，如幕墻安裝、機(jī)電安裝都有其獨特的特點，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(dǎo)。
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