大型整體懸掛式升降平臺在吊掛鋼結構工程中的應用*

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

0 引言

在高層及超高層建筑領域，吊掛鋼結構體系的安裝歷來是施工領域的重大難題。該吊掛鋼結構體系處于建筑主結構樓層外側，依靠鋼拉桿逐層吊掛于主體結構外懸挑桁架下部，具有體量大、結構復雜、施工精度要求高、施工危險性大等特點。

工程實施時，若采用常規的“從下而上”逐層順作法，需要搭設滿堂超高腳手架，不僅危險性較大、施工質量控制難，而且涉及眾多臨時支撐的安裝和卸載，不符合結構受力特點；若采用符合結構受力特點的“從上而下”逐層逆作法，則需要一種安全操作腳手系統，來滿足超高層建筑的安全、質量和精度控制的要求。

上海中心大廈主樓采用了內外雙層幕墻系統，以加強桁架層為界，共分為8個獨立的結構分區，每個分區外幕墻均采用柔性吊掛鋼支撐結構作為支承系統，內幕墻采用常規的樓板支承單元板塊系統。為了外幕墻柔性吊掛鋼支撐結構工程的高效率和高精度實施，提出了超大型整體懸掛式升降平臺裝置解決方案，不僅為工程的順利推進提供支撐，同時也必將為今后超高層建筑吊掛鋼結構的施工提供技術儲備和研發思路。

1 吊掛鋼結構工程概況

1.1 整體結構

外幕墻鋼支承體系具有其獨特的結構特性，整個系統由柔性拉棒、水平鋼支撐、懸挑主結構、變形協調群支座等部分組成。柔性拉棒主要提供豎向剛度，水平鋼支撐提供水平剛度，群支座協調由于風或地震產生的主樓側向擺動引起的主體結構與鋼支承系統不均勻變形，整個系統吊掛于加強桁架層的懸挑結構上（圖1）。

圖1 分區外幕墻鋼支撐整體結構示意

1.2 鋼支撐結構

每個分區的鋼支撐吊掛高度最大達到67.5 m，約15層，最遠距離主體結構樓板外邊線達到14 m。其中，每層水平鋼支撐由水平徑向桿件和外圈環梁桿件組成，每層水平鋼支撐結構布置都不相同，逐層順時針旋轉約1°；每層的桿件交點位置設置有柔性鋼拉棒，將各層水平鋼支撐進行豎向連接，共有25組鋼拉棒，每組鋼拉棒均采用雙冗余度設計，設置有2根；25組鋼拉棒最上端吊掛在加強層懸挑樓面底部（圖2、圖3）。

圖2 鋼支撐體系三維示意

圖3 鋼支撐體系結構組成示意

2 升降平臺本體設計

2.1 模塊組成設計

根據上海中心大廈8個結構分區外幕墻鋼支撐體系旋轉內收的特點，采取模塊化的思路進行升降平臺的設計，在保證施工平臺安全的同時，盡量做到通用，以適用于8個分區鋼支撐的施工要求，節約施工成本和提高施工效率，并具有可推廣和應用的價值。

平臺本體采用主結構+子結構的結構形式，通過主結構和不同子結構的組裝，形成滿足上海中心大廈各分區（2～8區）外幕墻鋼支撐安裝要求的施工平臺。根據結構外輪廓造型，平臺本體由3大塊平臺組成，平臺之間由凸臺施工走道（橋梁）進行連接，確保3大塊平臺的走通；每個大塊平臺又分成3個小塊平臺，9個小塊平臺獨立升降，整體工作。2區整體式升降平臺本體模塊化組成如圖4所示，2區升降平臺三維示意如圖5所示，2～8區平臺本體模塊化演變如圖6所示。

2.2 設計計算

2.2.1 有限元模型

平臺采用雙向桁架結構形式，以節約用鋼量和降低升降安全風險，通過優化比較，桁架高度最終確定為1 200 mm，有限元模型如圖7所示。

2.2.2 設計計算結果

綜合考慮了施工恒載、活載、風荷載、溫度等組合工況，對2～8區的平臺進行了設計計算，計算結果顯示最大應力比出現在6區的平臺1-2的最外側桁架跨中主弦桿處，為0.84，表明平臺具有足夠的安全儲備。

圖4 2區平臺本體模塊化組成示意

圖5 2區升降平臺三維示意

圖6 2～8區升降平臺本體模塊化演變示意

圖7 結構計算模型

在1.0DL+1.0LL作用下，2區平臺的豎向變形最大，位于平臺1-1外側跨中區域，最大值為57 mm，滿足規范要求（圖8）。

圖8 平臺計算變形云圖

2.3 升降不同步分析

平臺升降過程中，每個平臺4臺卷揚機的同步性通過機電控制系統進行控制，為確保平臺下降過程的安全，對每個平臺4個懸掛點的不同步性進行了參數分析，懸掛點位編號如圖7所示。由于2區平臺體量最大，故僅選2區施工平臺進行重點分析。

2.3.1 平臺1-1下降不同步分析

升降過程中，不同步分為4種情況，對每種情況均進行了參數分析，分析結果如表1所示。從表中可知，1號和2號點相對于其余點位的不同步可以控制在500 mm 之下，3號點相對于其余點位的不同步應控制在250 mm以下，4號點相對于其余點位的不同步則必須控制在150 mm以下。考慮到施工平臺均為機電控制，故而將不同步標準均控制在150 mm以下。

2.3.2 平臺1-2升降不同步分析

由于平臺結構呈對稱布置，所以升降過程中，不同步分為2種情況，對每種情況均進行了參數分析，分析結果如表2所示。從表中可知，1或4號懸掛點位相對于其余點位的不同步應控制在400 mm以下，2或3號懸掛點位相對于其余點位的不同步應控制在500 mm以下。考慮到施工平臺均為機電控制，故而將不同步標準均控制在400 mm以下。

表1 平臺1-1下降不同步分析數據

表2 平臺1-2下降不同步分析數據

2.3.3 平臺1-3升降不同步分析

升降過程中，不同步分為4種情況，對每種情況均進行了參數分析，分析結果如表3所示。從表中可知，1號點相對于其余點位的不同步應控制在200 mm以下，2號點相對于其余點位的不同步應控制在250 mm以下，3號點相對于其余點位的不同步應控制在500 mm以下，4號點相對于其余點位的不同步應控制在400 mm以下。考慮到施工平臺均為機電控制，故而將不同步標準均控制在200 mm以下。

表3 平臺1-3下降不同步分析數據

3 外挑鋼梁吊掛系統設計

由于平臺本體的投影外包線超出頂部懸挑桁架層的外包線，因此需要在桁架層上設置外挑鋼梁用以吊掛整個平臺結構。外挑鋼梁根據挑出的尺寸大小不同和受力的荷載不同，可分為雙點吊掛外挑梁A和四點吊掛外挑梁B，外挑梁A上前后各設置1個升降平臺懸吊點，外挑梁B上前后各設置2個升降平臺懸吊點。根據懸挑結構受力性能和傳力特點，采用三角桁架結構作為首選結構體系，如果懸掛點位受力太大，則采用懸挑梁+斜拉索的結構體系。最終確定的外挑梁平面編號如圖9所示，其中1～6為外挑梁B，如圖10（b）所示；7～12為外挑梁A，如圖10（a）所示。經計算最大應力比控制在0.7以下。

圖9 外挑梁編號示意

圖10 外挑梁結構形式

4 升降動力系統設計

根據升降平臺本體的設計參數，每個小平臺需要設置4組升降動力系統，從工效和經濟成本綜合考慮，采用4個提升卷揚機（50 kN）提供升降平臺提升和下降的動力，4個卷揚機通過電器控制系統協同工作，確保平臺平穩安全。卷揚機布置在各區設備層的底層，平面布置的原則是確保出繩角度和卷筒與導向滑輪之間的最小距離。典型卷揚機布置立面如圖11所示。

5 升降動力系統電器控制設計

整體懸掛式升降平臺系統的電器控制系統主要由總控箱、變頻柜、拉力傳感器、卷揚機鋼絲繩行程傳感器和電路系統等組成。主要通過控制卷揚機鋼絲繩行程傳感器進行平臺升降的同步性控制，通過控制拉力傳感器和理論計算值的對比數據差異控制平臺的實際受力情況。

圖11 卷揚機立面布置示意

為了滿足平臺控制系統的同步性要求，整個平臺系統采取分塊控制的辦法，即將整個平臺分成9個小塊進行控制，每個小塊采用4臺卷揚機、4臺變頻柜和1個總控箱。其中總控箱控制4臺變頻柜，變頻柜與卷揚機一一對應。單塊平臺電器控制系統總組成網絡如圖12所示。

圖12 單塊平臺電器控制系統總組成網絡示意

6 結語

本文的研究在上海中心大廈主樓外幕墻吊掛鋼結構支撐工程中得到了成功應用，不僅確保了外幕墻鋼支撐結構的施工精度和施工工期，基本能夠控制在4 d/層，而且為后道工序的順利實施提供了極大的保障，外幕墻掛板時僅需進行微調即可達到設計要求。平臺的研發中涵蓋了多種先進設計理念，諸如：模塊化、分塊升降、整體固定、同步控制等，極大地保障了整體式升降平臺在吊掛鋼結構施工中發揮出最大的功效。同時，本文的研究必將為今后超高層建筑吊掛鋼結構的施工提供技術儲備和研發思路，從而以最小的代價建造出符合設計要求和業主需求的精品工程[1,2]。