異形超高筒體結構爬升模板施工技術研究及應用

劉士勇 陳 利

（鐵法煤業集團建設工程有限責任公司，遼寧 鐵嶺 112700）

1 工程概況

沈陽博林特電梯實驗塔工程位于沈陽經濟技術開發區鐵西現代建筑產業園十六號街西側。電梯實驗塔工程 地上三十八層，地下三層，總高度177.00m，電梯實驗塔結構形式為鋼筋混凝土核心筒剪力墻結構，平面形狀為“等邊三角形”。建成后將成為亞洲第一高電梯實驗塔。

圖1 電梯實驗塔效果圖

2 總體施工方案的選擇

電梯實驗塔平面尺寸為邊長19992mm的等邊三角形，由于電梯實驗工藝的需要外筒內設7個核心筒 ，平面尺寸小，豎向結構多，常規的爬模系統無法布置，針對這座形狀比較特殊，結構復雜的超高鋼筋混凝土筒體結構，經過技術論證：外筒結構采用爬升模板工藝和內筒（井道）結構擬采用頂推模板工藝相結合的施工方案。根據工程的具體特點對爬升模板工藝進行創新，開發頂推模板工藝和同步頂推控制系統。

3 頂推爬升模板工作機理概述

3.1 頂推爬升模板系統工作原理及特點

頂推爬升模板系統（以下簡稱頂模）是適應高層或超高層多筒結構混凝土澆筑的施工工藝。頂模的爬升運動是通過液壓油缸對導軌和爬架交替作用來實現的。導軌和爬架之間可進行相對運動。在爬架處于工作狀態時，導軌和爬模架都支撐在埋件支座上，兩者之間無相對運動。退模后立即在退模留下的爬錐上安裝受力螺栓、掛座體及埋件支座，調整上下軛棘爪方向來使導軌運動，待導軌升到位就位于該埋件支座上后，操作人員立即轉到下平臺拆除導軌提升后露出的位于下平臺處的埋件支座、爬錐等。在解除爬架上所有拉結之后就可以開始爬升架體及模板，這時導軌保持不動，調整上下棘爪方向后啟動油缸，爬模架就相對于導軌運動。通過導軌和爬模架這種交替附墻，提升對方，爬模架沿著墻體垂直預留爬錐逐層向上爬升。

3.2 頂模的基本組成

整個頂模系統由以下部分組成：爬架、上桁架、吊架（圖1）。其中，爬架包括支撐鋼橫梁、梯檔架、液壓系統、支架立柱、支架橫梁（圖2）；上桁架包括上弦桿、下弦桿、腹桿；吊架包括立桿和橫梁（圖3）。

3.3 頂模的主要工作步驟

（1）在已經澆筑好的混凝土結構上安裝預埋件；

（2）安裝上、中、下平臺及模板；

（3）)固定模板；

（4）澆筑混凝土；

（5)退模、安裝預埋件；

（6)頂升并固定導軌；

（7)頂升爬架；

（8)重復步驟（3），如此往復。

4 結構體系的受力計算及工況分析

4.1 結構計算目的

1)驗算各個構件在任何工況下強度、剛度是否滿足要求，以及驗算整個爬架系統的穩定性。

2)根據實際的材料類型，結構形式，桿件單元截面形式，運用有限元分析軟件，模擬在各種荷載作用下結構的受力性能，從整體上校核頂模系統是否具有可行性。

4.2 計算工況及內容

1)第一種工況：架子處于靜止狀態，即施工狀態。此工況需要驗算的內容的外桿的壓桿穩定和混凝土支座處混凝土抗壓強度驗算。

2)第二種工況是：架子處于爬升狀態。此工況需要驗算的是內桿的壓桿穩定和梯檔強度。

5 模型建立

5.1根據本工程爬架的結構特點，建立有限元模型。

5.2本結構中的邊界條件為：爬架立柱下端固定在梯檔架上，以三向平動約束來模擬此處的邊界條件。

5.3本結構為全鋼結構，鋼材使用的是Q235鋼，抗壓抗拉強度為205MPa，彈性模量區位 2.06×105MPa。

5.4荷載及布置

本結構中的荷載包括，爬架自重，模板重量，鋼筋等材料堆載，風荷載（沈陽地區：按9級風，200m高考慮風載荷）。

6 結構計算

6.1 工況一：靜止狀態恒載＋施工荷載

6.2 工況二：爬升狀態

7 結構計算結果分析

通過對爬架結構進行結構分析與驗算 ，發現該結構有以下幾個薄弱環節：

7.1 1-1桁架的跨中截面下弦桿下緣拉應力

7.3 2-2桁架的邊立柱頂端的桁架下弦桿下緣壓應力

通過增加桁架的剛度可以改善這一情況。

8 結構優化及結論

根據計算結果對爬模結構進行優化后，結構的各個構件在任何工況下都滿足強度、剛度、穩定性的要求。頂推爬模系統整體設計是可行的。

9 頂模工藝在施工中的應用

9.1 施工方案

9.1.1施工部署

1）塔體地面以下一層至地面以上二層采用常規方法施工。模板采用木模體系，搭設落地腳手及支模系統。施工時在電梯井內預留好預留孔、預埋件。在地面以上二層預留孔位置安裝爬升裝置，安裝承力平臺作為鋼模施工的工作平臺。二層澆筑完成后即可安裝完所有爬模系統。

2）塔體自地上三層開始進行爬模施工，具體的模板配置形式為：塔體采用油缸和架體的爬模裝置，局部范圍因架體無法布置，需支模施工。塔體內部水平結構采用常規支模法。

3）澆筑一層墻體，提升一層模板，再澆筑一層樓板，俗稱"提一澆一“施工法”。

4）混凝土采用高壓超高泵送商品混凝土。

9.2 頂模安裝施工流程：

頂模安裝前準備→安裝模板→架體預拼裝→安裝爬升構件→安裝架體→安裝平臺、欄桿及安全網→安裝液壓系統及調試→爬模測量觀測→模架拆除

9.2.1頂模安裝前準備：

1）對模板底標高、承載體底標高、錐形承載接頭、承載螺栓中心標高應進行抄平。當模板在樓板或基礎底板上安裝時，對高低不平的部位作找平處理。

2）放墻軸線、邊線、門窗洞口線、模板邊線、架體或提升架中心線、架體外邊線。

3）對頂模安裝標高的下層結構外形尺寸進行檢查，對超出允許偏差的結構進行剔鑿修正。

4）綁扎完成模板高度范圍內鋼筋。

5）安裝門窗洞模板、預留洞模板、預埋件、預埋管線及洞口鋼支架。

6）模板板面需刷脫模劑，機加工件需加潤滑油。

7）在有樓板的部位安裝架體時，提前在下2層的樓板上預留洞口。

9.2.2安裝模板：

1）先按組裝圖將平模板、帶有脫模器的打孔模板和鋼背楞組拼成塊,整體吊裝,按支模工藝做法,支一段模板即用穿墻螺栓緊固一段。

2）陰角模后插入安裝，陰角模的兩個直角邊同相鄰平模板搭接緊密。

3）平模板之間、平模板與角模之間有防止漏漿措施。

4）模板安裝后逐間測量檢查對角線并進行校正，確保直角準確。

9.2.3架體預拼裝：

先在地面組裝,待模板支完后,用塔吊吊起提升架,插入已支的模板背砸,提升架活動支腿同模板背楞連接,并用可調絲杠調節模板截面尺寸和垂直度。

9.2.4安裝爬升構件

本文利用長方體在支撐平面上的投影圖像實現目標的三維尺寸測量,為生成目標在該投影平面的投影圖像,首先標定出相機的內參數、相對于所定義的世界坐標系的外參數、鏡頭畸變參數;再根據視場區域,在投影平面上劃分若干等間距網格,若能估計出每個網格點的像素值,則這些網格點構成一幅虛擬圖像;由于每個網格點的世界坐標是已知的,可利用公式(1)計算其在真實像平面上的無畸變投影點,再利用公式(2)計算其有畸變圖像點,再利用雙線性插值方法或雙三次插值方法對該網格點的像素值進行估計。

在電梯井內預留好的孔洞安裝錐形承載接頭和掛勾連接座，然后連接導桿。安裝完畢后，進行加固處理，保證爬升構件的牢固和穩定性。

9.2.5安裝架體

將組裝完的下架體用塔吊吊入電梯井及樓梯間內，和爬升構件支座進行組裝，并固定可靠。下架體安裝完畢后，進行組裝上架體；鋪設架體次梁。

將下架體與上架體連接穩固后，最后安裝外吊架，在地面組裝完外吊架，然后整體吊裝與上架體連接。

9.2.6安裝平臺、欄桿及安全網

1）鋪平臺板，采用腳手板滿鋪；

2）吊架外側全高設吊平臺護欄；

3）外架頂端設上操作平臺護欄，高2m；

4）平臺及吊平臺護欄下端均設踢腳板；

5）從平臺護欄上端到吊平臺護欄下端,滿掛安全網，并折轉包住吊平臺，以確保施工安全。

9.2.7安裝液壓系統及調試

1）分別在電梯井和樓梯間內安裝液壓系統，每個液壓系統為8個油缸，每兩個油缸為一個組件，每個系統為4個組件，液壓控制系統為總體提升控制，液壓控制臺安裝在主桁架上部操作平臺。

2）液壓油管整齊排列固定。液壓系統安裝完成后進行系統調試和加壓試驗，保壓5分鐘，所有密封處無滲漏。

9.2.8爬模測量觀測

利用垂準儀、經緯儀，安裝激光靶,進行平臺垂直偏差控制觀測。采用水準儀控制平臺水平度。

9.3 質量控制

9.3.1主控項目

1）模板及其爬模裝置必須有足夠的強度、剛度和穩定性液壓提升系統必須有足夠的承載能力和起重能力。

檢查數量：全數檢查。檢驗方法：查看設計文件。

2）模板截面調節、后退脫模和垂直度調整有靈活可靠的裝置。

檢查數量：全數檢查。檢驗方法：觀察。

9.3.2一般項目

爬模施工工程混凝土結構允許偏差應符合《液壓爬升模板工程技術規程》規定。

9.4 模架拆除

9.4.1內模架分離、拆除

內模架架體分區獨立拆除；順序從一側開始，由上→下（圖4）。

圖4 內膜架分離、拆除

9.4.2外模架分離、拆除

圖5 外膜架分離、拆除

外爬模先按變坡要求分片分區分離，變坡完成后，先拆除模板，待女兒墻施工完畢，再將整體爬架拆除，按分區獨立拆除，最大構件重量均不超過起重機限制載荷，互不干涉，便于工人操作。爬模的拆除利用本工程的結構主體安裝的LT20/5020內爬式塔式起重機配合拆除（圖5）。

10 施工測量方法

電梯實驗塔為三角形平面，在三角形各角的平分線上布置5個激光接收靶。利用紅外線激光垂直儀向上投點來控制模板的垂直度，并設置門窗洞控制線，來控制門窗洞的偏位。每層做好施工測量記錄，隨時校正垂直度及門窗洞、軸線的誤差。

11 安全質量保證措施

1)爬模施工是集施工管理、勞動組織、施工技術、材料供應、工程質量、生產安全等各項管理工作。建立強有力的組織領導機構 確保工藝實施過程中，有條不紊的正常進行 。

2)將爬模平臺為分3個區段施工。每個區段設一名區長，分管本區段的混凝土、鋼筋和木工的具體操作。

3)混凝土嚴格分層澆注、分層振搗，并注意變換澆注方向。

4)模板清理采取劃分區段，定員定崗，從下到上、一包到頂，做到層層涂刷隔離劑，并由專業工長進行檢查。

4)加強測量觀測，每層提供2次垂直偏差觀測成果，即混凝土澆注前和混凝土澆注后。如果有偏差，可在上層模板緊固前按糾偏措施進行校正。

12 社會和經濟效益

1)模板一次性組裝上墻、不占用堆放場地；

2)組裝快速，模塊化設計；

3)節約塔吊吊力40%以上；

4)節約人工成本30%左右；

5)施工速度平均可達5～6天/層(節段)；

6)現場文明、整潔、安全。

該頂推施工工藝適用于高層框架結構建筑、高層建筑的核心筒結構和橋梁高墩及索塔的施工，開發完成的《同步頂推控制系統》獲國家專利（專利號 201020518670.x）。

[1]JGJ195-2010，液壓爬升模板工程技術規程[S].

[2]GB50018，冷彎薄壁型鋼結構技術規程[S].[3]JGJ195-2010，鋼結構工程施工質量驗收規范[S].