鋼柱支撐式整體鋼平臺(tái)模架裝備在上海國(guó)際航空服務(wù)中心塔樓施工中的應(yīng)用*

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

1 工程概況

上海國(guó)際航空服務(wù)中心W-1B地塊主樓上部結(jié)構(gòu)為型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，核心筒典型平面如圖1、圖2所示。塔樓核心筒平面呈切角三角形，筒體三邊尺寸約為46 m×18 m× 34 m，共設(shè)置4道內(nèi)筒隔墻。地上標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.30 m。非標(biāo)準(zhǔn)層層高有3.70 m、4.29 m、5.00 m、5.10 m、7.10 m等多種。核心筒在37層設(shè)有2道伸臂桁架，與巨型鋼柱相連，外伸桁架牛腿，桁架高度為4.29 m。跨度分別為38.40 m和35.30 m。核心筒內(nèi)墻部分剪力墻在42層以后缺失，核心筒筒壁厚度地上部分最厚為1 000 mm，內(nèi)墻最厚為800 mm。隨著高度變化，墻體厚度逐步減少。

2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

1）結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，核心筒布置呈切邊三角形。且結(jié)構(gòu)平面尺寸大，縱向最大跨度達(dá)到50.50 m。對(duì)鋼平臺(tái)構(gòu)件布置及結(jié)構(gòu)受力影響大。

2）結(jié)構(gòu)平面劃分為5個(gè)宮格，每個(gè)宮格的平面尺寸相差較大。整體鋼平臺(tái)在每個(gè)內(nèi)筒的筒架支撐系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的荷載區(qū)域相差較大，造成整體平臺(tái)系統(tǒng)受力極不均勻。

3）核心筒墻體多次收分，外墻由內(nèi)向外收分，對(duì)鋼平臺(tái)模架裝備的立柱布置及牛腿變形適應(yīng)能力要求較高。

圖1 核心筒平面布置示意一

圖2 核心筒平面布置示意二

4）核心筒在37層設(shè)置了2道伸臂桁架，桁架與外圍框架相連，這給鋼平臺(tái)模架裝備的設(shè)計(jì)以及爬升帶來(lái)了較大的困難。

5）本工程部分內(nèi)墻結(jié)構(gòu)在42層以上逐漸缺失，不再隨核心筒高度的升高而往上延伸，對(duì)鋼平臺(tái)模架裝備的布置帶來(lái)一定困難。

3 液壓爬升整體鋼平臺(tái)模架體系的設(shè)計(jì)

鋼柱筒架交替支撐式液壓爬升鋼平臺(tái)模架體系主要由鋼平臺(tái)系統(tǒng)、內(nèi)外掛腳手架系統(tǒng)、鋼柱爬升系統(tǒng)、筒架支撐系統(tǒng)及鋼大模系統(tǒng)等5部分組成，如圖3所示。

3.1 鋼平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖3 液壓爬升整體鋼平臺(tái)模架體系構(gòu)成

鋼平臺(tái)系統(tǒng)的布置是沿核心筒平面進(jìn)行的。為保證各種施工工序有序進(jìn)行，鋼平臺(tái)鋼梁的布置應(yīng)綜合考慮導(dǎo)軌立柱、內(nèi)外掛腳手架、伸臂桁架的伸出情況、鋼平臺(tái)的整體受力等因素，對(duì)于局部連系梁采取以避讓為主的原則，如無(wú)法避讓則設(shè)計(jì)為可拆卸梁。為改善施工人員的作業(yè)環(huán)境，提高堆放材料和設(shè)備的承載能力，根據(jù)施工實(shí)際情況在鋼梁上鋪設(shè)鋪板。鋼平臺(tái)外圍一周設(shè)置高2 m的圍網(wǎng)，形成封閉的施工環(huán)境，防止高空墜落，消除高空施工安全隱患。上海國(guó)際航空服務(wù)中心鋼平臺(tái)面積約為795 m2。

3.2 內(nèi)、外掛腳手架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

內(nèi)、外掛腳手架系統(tǒng)以螺栓固定于鋼平臺(tái)底部，隨鋼平臺(tái)同步爬升。主要包括腳手架、走道板、側(cè)網(wǎng)、樓梯等。系統(tǒng)由槽鋼、鋼管組成框架，外側(cè)用側(cè)網(wǎng)封閉，共6層。上3層為鋼筋、模板施工區(qū)，下3層為拆模整修區(qū)。樓梯作為施工人員上下鋼平臺(tái)的通道，外掛腳手架設(shè)置2部，每個(gè)內(nèi)筒構(gòu)架內(nèi)設(shè)置1部上下樓梯，并在其中一個(gè)構(gòu)架筒內(nèi)設(shè)置1部人貨電梯，直達(dá)鋼平臺(tái)操作面，完成施工人員垂直運(yùn)輸工作。系統(tǒng)上5層走道板的鋪板由角鋼框架與鋼板網(wǎng)組成，底層的走道板及泵站平臺(tái)鋪板由角鋼框架與花紋鋼板組成。系統(tǒng)底部設(shè)可伸縮性防墜閘板，鋼平臺(tái)爬升時(shí)閘板收回，正常施工時(shí)閘板閘緊墻面，防止構(gòu)件墜落。

3.3 鋼柱爬升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鋼柱爬升系統(tǒng)包括爬升導(dǎo)軌立柱、上下爬升靴和液壓動(dòng)力系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等。爬升導(dǎo)軌立柱是提升整體鋼平臺(tái)系統(tǒng)的導(dǎo)軌。爬升立柱已經(jīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可以周轉(zhuǎn)使用。在保證體系受力合理的前提下，立柱布置以方便整體鋼平臺(tái)的施工為主要原則，綜合考慮結(jié)構(gòu)中勁性柱、門(mén)洞的位置，伸臂桁架等多個(gè)方面，共設(shè)置了24根爬升立柱。液壓動(dòng)力系統(tǒng)主要由4臺(tái)液壓泵站和24套短行程雙作用液壓油缸等組成。每個(gè)液壓泵站可以驅(qū)動(dòng)6套液壓頂升油缸。液壓頂升油缸固定在導(dǎo)軌立柱上，并且液壓頂升油缸配有上、下爬升靴，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)鋼平臺(tái)的整體同步爬升。也可以通過(guò)手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)油缸進(jìn)行單獨(dú)控制?？刂葡到y(tǒng)主要為中央控制室、PLC控制系統(tǒng)等?？刂葡到y(tǒng)安置在中央控制室中，控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)施工鋼平臺(tái)及內(nèi)、外掛腳手的爬升進(jìn)行全程監(jiān)控。通過(guò)PLC控制系統(tǒng)高精度的同步控制，保證了鋼平臺(tái)爬升過(guò)程中的平穩(wěn)和安全。

3.4 筒架支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

支撐系統(tǒng)由5個(gè)內(nèi)筒的內(nèi)筒架、吊架及底部鋼梁等組成，內(nèi)筒架系統(tǒng)與鋼平臺(tái)連接成整體，正常施工時(shí)鋼平臺(tái)及外掛腳手架的載荷通過(guò)內(nèi)筒架底部的支撐牛腿傳遞到核心筒墻體上。鋼平臺(tái)提升時(shí)，筒架底部的支撐牛腿縮回，立柱底座支撐在核心筒墻體上，支撐整個(gè)鋼平臺(tái)的質(zhì)量。

3.5 模板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

上海國(guó)際航空服務(wù)中心項(xiàng)目核心筒大模板從3層施工時(shí)開(kāi)始起用。整體液壓爬升鋼平臺(tái)大模板系統(tǒng)由面板、橫向圍檁和豎向圍檁、角模、對(duì)拉螺栓等組成。橫向圍檁采用雙拼槽鋼制作，豎向圍檁采用單根槽鋼制作；大模板的設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和多種非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，非標(biāo)準(zhǔn)層施工時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的模板上接合適的非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的模板，大模板隨鋼平臺(tái)整體爬升[1]。

4 標(biāo)準(zhǔn)層施工技術(shù)

1）初始狀態(tài)，整體液壓爬升鋼平臺(tái)模架裝備停留在第n層混凝土的頂面，此時(shí)核心筒混凝土澆筑完成，處于混凝土養(yǎng)護(hù)階段，鋼平臺(tái)準(zhǔn)備提升。

2）通過(guò)液壓油缸不斷循環(huán)伸縮變換，使鋼平臺(tái)架體爬升4.30 m。內(nèi)筒支撐系統(tǒng)的牛腿支撐伸出并支撐在剪力墻的預(yù)留洞內(nèi)。此時(shí)，模架裝備上升至n+1層。

3）啟動(dòng)液壓油缸，扳轉(zhuǎn)爬升操作手柄，使爬升導(dǎo)軌處于反向頂升狀態(tài)。提升導(dǎo)軌4.30 m。

4）吊裝勁性柱，綁扎n+1層的結(jié)構(gòu)鋼筋，設(shè)置預(yù)埋件，安裝立柱導(dǎo)軌。

5）大模板安裝，緊固對(duì)拉螺栓，進(jìn)行工程驗(yàn)收，準(zhǔn)備澆筑n+1層核心筒墻體混凝土。

6）混凝土澆筑、混凝土養(yǎng)護(hù)。

7）如此循環(huán)利用液壓油缸和爬升靴實(shí)現(xiàn)鋼平臺(tái)和爬升立柱的交替支撐提升，完成n+1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層的施工。

5 施工難點(diǎn)解決方案

5.1 核心筒平面布置不規(guī)則

由于結(jié)構(gòu)平面的布置不規(guī)則，整個(gè)核心筒區(qū)域被內(nèi)墻分為面積相差較大的5個(gè)內(nèi)筒。整體鋼平臺(tái)在每個(gè)內(nèi)筒的筒架支撐系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的荷載區(qū)域相差較大，造成整體平臺(tái)系統(tǒng)受力極不均勻。通過(guò)對(duì)所需承擔(dān)較小荷載的筒架支撐系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低其承載能力；對(duì)所需承擔(dān)較大荷載的筒架支撐系統(tǒng)進(jìn)行加強(qiáng)，增加其承載能力，使整個(gè)鋼平臺(tái)既能滿(mǎn)足整體承載能力，又不浪費(fèi)，有效減少了工程材料，降低了工程成本。

5.2 鋼平臺(tái)在伸臂桁架處的“凸”字形設(shè)計(jì)

本工程核心筒在37層設(shè)置了2道伸臂桁架，且伸出墻面距離最大為1.55 m，已經(jīng)超出正常外圈鋼梁的范圍，為避免鋼平臺(tái)體系出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)吊裝時(shí)的分體組合問(wèn)題，鋼平臺(tái)平面設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮上下弦桿的吊裝空間，將有伸臂桁架伸出的4個(gè)部位按“凸”字形設(shè)計(jì)，使外圈鋼梁覆蓋伸出牛腿，部分鋼梁平面設(shè)置為可拆卸鋼梁，有牛腿伸出部位的各層走道板做成可拆卸的，部分做成翻板。因此在桁架層爬升流程中，只需在需要時(shí)打開(kāi)牛腿伸出處的踏步板、翻板，拆掉可拆卸的鋼梁，就可滿(mǎn)足桁架吊裝，實(shí)現(xiàn)桁架層的施工。鋼梁平面布置如圖4所示。

圖4 鋼梁平面布置

5.3 鋼平臺(tái)部分支撐點(diǎn)缺失的處理

本工程核心筒部分墻體在42層以上逐漸缺失，不再隨核心筒高度的升高而向上延伸，致使鋼平臺(tái)在此處缺少支撐點(diǎn)，鋼平臺(tái)體系不能正常工作。我們通過(guò)在42層以上墻體消失部位做臨時(shí)支撐墻體（臨時(shí)墻體厚度為消失墻體厚度），來(lái)滿(mǎn)足在墻體缺失處鋼平臺(tái)的支承的需要，同時(shí)對(duì)臨時(shí)支撐墻體進(jìn)行了承載力計(jì)算并對(duì)爬升流程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能降低臨時(shí)支撐墻體高度，保證了臨時(shí)墻體支撐的安全性。臨時(shí)墻體如圖5所示[2]。

圖5 臨時(shí)墻體示意

5.4 墻體收分距離大的處理

本工程核心筒墻體多次收分，且外墻由內(nèi)向外收分，部分墻體收分達(dá)到200 mm，已經(jīng)超出了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的牛腿所能達(dá)到的最大范圍，為滿(mǎn)足牛腿支承架體的要求，對(duì)牛腿重新設(shè)計(jì)并利用有限元方法進(jìn)行牛腿安全性的驗(yàn)證。牛腿在筒架支撐系統(tǒng)上的位置進(jìn)行整體調(diào)整，解決了牛腿支撐的問(wèn)題。對(duì)全封閉閘板進(jìn)行可伸縮性設(shè)計(jì)，解決了墻體收分無(wú)法滿(mǎn)足封閉性問(wèn)題。

6 有限元模擬驗(yàn)證

采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件Midas Gen 7.95，按照鋼柱筒架交替支撐式整體液壓爬升鋼平臺(tái)模架體系設(shè)計(jì)圖紙建立結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，如圖6所示。

圖6 鋼平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)示意

平臺(tái)施工分為正常施工工況和爬升工況，正常施工工況考慮極限為12級(jí)風(fēng)力（該風(fēng)力為平臺(tái)頂部風(fēng)速儀所測(cè)風(fēng)速，以下相同），爬升工況考慮8級(jí)風(fēng)荷載。

鋼平臺(tái)有限元計(jì)算結(jié)果分析：對(duì)鋼平臺(tái)正常施工、爬升以及臺(tái)風(fēng)情況下的受力進(jìn)行分析計(jì)算，從各項(xiàng)數(shù)據(jù)中可以得出鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系均滿(mǎn)足使用要求[3]。

此外，由受力分析結(jié)果也可以看到正常施工工況下的組合應(yīng)力和支座反力最大，此時(shí)模板未拆下，鋼筋堆載量起主要作用，因此鑒于安全考慮，頂部鋼平臺(tái)上堆放鋼筋等材料時(shí)，應(yīng)盡量均勻分布于核心筒內(nèi)側(cè)的鋼平臺(tái)上，不得集中堆載；由于結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性引起鋼平臺(tái)體系受力極不均勻，局部應(yīng)力過(guò)大，需要進(jìn)行局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)，均衡鋼平臺(tái)體系的整體承載能力，使鋼平臺(tái)能滿(mǎn)足整體承載能力；正常施工工況階段的計(jì)算時(shí)考慮各層均布1 kN/m2施工活荷載，而實(shí)際使用中各層同時(shí)有大量工人施工的概率很小，因此，本次計(jì)算結(jié)果有較大的安全儲(chǔ)備。

7 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)上海國(guó)際航空服務(wù)中心項(xiàng)目，對(duì)鋼柱筒架交替支撐式整體爬升鋼平臺(tái)模架體系及其施工工藝作了詳細(xì)闡述，并就工程施工難點(diǎn)提出了具體的解決方案，通過(guò)有限元計(jì)算驗(yàn)證了該鋼平臺(tái)模架體系運(yùn)用的合理性。在施工中，鋼平臺(tái)模架裝備具有承載能力大，加快建筑材料周轉(zhuǎn)速度，縮短施工工期；作業(yè)環(huán)境安全可靠，施工方便；關(guān)鍵核心部件能夠工具式周轉(zhuǎn)使用，最大限度地節(jié)約工程材料；能適應(yīng)不同的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，并滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)體型變化要求等優(yōu)點(diǎn)。此套模架體系在上海航空國(guó)際服務(wù)中心項(xiàng)目的成功應(yīng)用，擴(kuò)大了鋼平臺(tái)體系在施工中應(yīng)用，為今后我國(guó)不規(guī)則核心筒的超高層施工起到了良好的示范作用。