大型高空連廊拼裝鋼平臺的設計與施工

呂桂元 侯春明 楊 言 戴 超 劉旭冉 趙長江

1. 中建三局集團有限公司成都分公司 四川 成都 610041；

2. 重慶市渝中區(qū)建設工程綜合監(jiān)督管理處 重慶 400010

1 工程概況

大型高空連廊鋼結構是近幾十年來逐漸發(fā)展起來的一種新型結構形式。由于其外觀的獨特性和功能的多樣性，越來越多地被應用于大型公用建筑和超高層建筑中[1-4]。此類高空大跨度鋼結構連廊的施工特點是：跨度大、質量大、高度高、施工精度要求高、施工環(huán)境復雜等。

重慶來福士項目觀景天橋是一種典型的大型高空連廊鋼結構。觀景天橋總長約300 m，坐落于4棟高250 m的塔樓頂部，有5個懸空段，懸空部分最大長度達40 m。懸空段鋼結構連廊采用低位拼裝、整體提升的方式進行施工。為實現(xiàn)大型連廊鋼結構整體拼裝及提升，更好地保證施工質量與結構安全，并做到高效、經(jīng)濟，通過多次分析、設計及計算，采用在裙房頂部設置鋼平臺的方式，作為連廊鋼結構整體拼裝平臺及下部結構的吊裝支撐平臺，同時作為下部結構施工的封閉和硬防護平臺及土建施工的堆放平臺。

2 拼裝鋼平臺設計

2.1 設計原則

充分利用施工現(xiàn)場緊湊的空間資源和結構條件，在塔樓之間、裙樓頂部設置鋼平臺，鋼平臺支撐柱布置于裙房混凝土柱頂。

根據(jù)裙房頂層混凝土柱的布置情況、觀景天橋主桁架的平面定位、天橋提升段的荷載、天窗圍護區(qū)域等條件，將鋼平臺確定為桁架結構，鋼平臺桁架平面位置與天橋縱向主桁架定位相同，荷載傳遞直接簡單。最終所有荷載傳至混凝土柱上（圖1）。

圖1 鋼平臺平面布置

2.2 拼裝鋼平臺設計概況

鋼平臺主要受力結構設計為桁架＋型鋼梁，上面鋪設鋼樓板（圖2）。鋼平臺承載力設計值達12 000 kN以上，在保證自身結構安全穩(wěn)定的情況下，滿足現(xiàn)場各種施工要求。

鋼平臺起到以下幾點作用：作為大型連廊鋼結構整體拼裝及提升的平臺；作為下部裙樓天窗主體結構的吊裝支撐平臺；作為上部幕墻及其鋼結構、龍骨的拼裝平臺；作為土建施工的堆放平臺；作為天窗及下部結構施工的封閉和硬質防護平臺，避免了立體交叉作業(yè)無防護的風險，保證施工過程的安全性。

2.3 拼裝鋼平臺設計計算

對鋼平臺的結構形式、截面選型等內容進行設計，驗算鋼平臺的承載力是否滿足規(guī)范要求。

利用有限元分析軟件Midas建立鋼平臺整體結構模型，復雜節(jié)點采用Ansys進行分析。鋼平臺結構模型如圖3所示。

圖3 鋼平臺結構模型

其中：桁架桿件連接全部為剛接；連系梁與桁架之間全部為鉸接連接；連系梁與工字鋼之間全部為鉸接連接；GZ-1與混凝土采用剛接柱腳節(jié)點，GZ-2與混凝土采用鉸接柱腳節(jié)點；桁架與柱頂采用鉸接支座、滑動支座、剛接等3種方式連接。

2.3.1 結構選材

桁架桿件與鋼梁截面選用H型鋼，材質為Q345。鋼板選用厚16 mm的花紋鋼板。

2.3.2 荷載選用

計算時恒載為結構自重和觀景天橋荷載，活載為施工荷載、天窗吊裝荷載和風荷載。

2.3.3 結構驗算

利用軟件進行結構整體變形、桁架撓度、邊主梁撓度、連系梁撓度、工字鋼撓度、鋼板撓度等的驗算，并對鋼平臺的強度、應力比進行驗算。

驗算結論如下：鋼平臺的剛度、強度滿足規(guī)范要求；桁架、梁的變形均在規(guī)范限值內；構件應力比最大為0.80，大部分桿件應力比在0.6～0.8之間，材料強度利用充分，結構安全可靠。

2.3.4 節(jié)點設計

鋼平臺節(jié)點設計整體遵循受力合理、形式簡單、方便制作等原則，部分桁架節(jié)點有多根桿件交會，需利用有限元軟件進行計算。經(jīng)驗算，所有節(jié)點承載力均滿足規(guī)范要求。桁架與桁架相交節(jié)點形式如圖4所示。

2.3.5 鋼平臺分段

鋼平臺結構分段遵循以下原則：便于運輸與安裝；吊次少，焊縫總長度短；合理利用塔吊等吊裝設備。

圖4 桁架與桁架相交節(jié)點

1）桁架分段。按以上原則對桁架進行分段（圖5）。

2）鋼樓板分塊。鋼樓板分塊以南北向為寬度方向，并且寬度為相鄰連系梁中心線之間的距離；東西向為長度方向，不宜超過12.5 m，并且拼接位置要落在主桁架或連系梁上。分塊時盡量使鋼板塊為矩形，減少切割位置。在邊界為斜角邊時，鋼板分塊可超出連系梁位置200～300 mm，使鋼板維持為矩形。若在鋼板塊搭接位置沒有垂直于長度方向的連系梁，則可適當調整連系梁的位置。鋼樓板分塊如圖6所示。

圖5 桁架分段示意

圖6 鋼樓板分塊示意

在該鋼平臺鋼樓板分塊中，長度尺寸最大為9 m，寬度最大為1.8 m，最大質量為2.3 t。經(jīng)復核，滿足塔吊吊裝要求。

3 拼裝鋼平臺施工

3.1 鋼平臺安裝思路

鋼平臺安裝時，先安裝南北向主桁架，再安裝東西向主桁架，接著安裝次桁架；連系梁先安裝南北向，再安裝東西向；鋼樓板先安裝中間，然后向南北方向對稱安裝。

3.2 鋼平臺安裝流程

地腳錨栓施工→鋼柱安裝→南北向主桁架安裝→東西向中間榀主桁架安裝→東西向兩側主桁架安裝→次桁架安裝→主梁安裝→南北向連系梁安裝→東西向連系梁安裝→鋼樓板安裝

3.3 鋼平臺安裝施工工藝

3.3.1 柱腳施工

鋼平臺鋼柱柱腳施工采用植筋的方式進行。根據(jù)結構形式，現(xiàn)場需植筋12處，每處植筋4根，規(guī)格為M30。根據(jù)GB 50367—2013《混凝土結構加固設計規(guī)范》中相關內容規(guī)定，計算確定植筋的錨固深度。

3.3.2 桁架安裝

主桁架可以分節(jié)段安裝或將桁架在地面拼裝成整體后吊裝。

3.3.3 連系梁安裝

為提高鋼梁吊裝速度，由制作廠在制作鋼梁時預留吊裝孔，作為吊點。可采用下列方法提高吊裝工效：對于大跨度、大噸位的連系梁（如南北向部分連系梁），可采用焊接吊耳的方法進行吊裝。單根連系梁質量不大（如東西向連系梁），滿足一機多吊的要求時，可通過吊裝孔多件串吊。

3.3.4 鋼樓板安裝

1）鋼樓板安裝順序：以自西向東的順序先安裝第11道鋼樓板，然后以該道樓板為操作平臺向南北兩側進行對稱安裝，如圖7所示。

2）鋼樓板采用預留吊裝孔進行吊裝，預留孔設置在各個節(jié)點位置上。

3.3.5 鋼平臺焊接施工

焊接拼裝成單榀桁架的焊接順序為：下桁架桿焊接→上桁架桿焊接→斜腹桿焊接。

單榀桁架焊接成整體的焊接順序為：主桁架焊接固定→次桁架焊接于主桁架上→連系梁鉸接于主、次桁架上→鋼樓板焊接于主次桁架、連系梁上。

3.3.6 鋼平臺測量

通過首級測控點引測出一級控制網(wǎng)，然后通過高精度測量儀器引測到屋面，建立統(tǒng)一的鋼平臺安裝測量軸線控制網(wǎng)。鋼平臺最終安裝施工效果如圖8所示。

圖7 鋼樓板總體安裝順序示意

圖8 鋼平臺安裝施工效果

3.4 鋼平臺拆除

鋼平臺拆除順序恰好與安裝順序相反，拆除時依次為鋼樓板、東西向連系梁、南北向連系梁、次桁架、主桁架、鋼柱。

拆除時鋼樓板利用杠桿拆除；連系梁均鉸接于結構，故直接利用扳手拆除；次桁架與主桁架利用半自動切割機在焊接位置切割，然后進行吊裝拆除；鋼柱拆除時，先拆除高強螺栓，然后吊裝拆除。

4 鋼平臺施工注意事項

1）通過儀器測量對拼裝構件進行精確定位，防止拼裝時產(chǎn)生誤差。

2）鋼平臺施工位置在塔樓之間，施工時部分塔樓防護設施已經(jīng)拆除，在吊裝過程中嚴防桁架左右擺動，避免碰觸到塔樓主體結構或其他結構。

3）鋼平臺焊接施工時，要保證縱向焊縫和橫向焊縫（特別是橫向）能夠自由收縮。

4）如結構上既有對接焊縫，也有角焊縫，則應先焊收縮量較大的對接焊縫。

5）先焊立焊縫，后焊橫焊縫。

6）工作時應力較大的焊縫先焊，使內應力分布合理。

7）平臺使用過程中每周對鋼平臺底部及主要受力構件的標高進行監(jiān)測，分析高差變化曲線，以判斷是否滿足安全使用要求。

5 結語

1）拼裝鋼平臺的設計綜合考慮了施工現(xiàn)場緊湊的空間資源和結構條件，選用桁架＋型鋼梁＋鋼樓板的形式，整體焊接拼裝而成，保證了整體穩(wěn)定性。同時鋼平臺承載力高，可承載重達12 000 kN的連廊鋼結構及其他施工荷載。

2）拼裝鋼平臺所采用的材料可進行周轉利用，節(jié)約成本，且分段合理明確，安拆快速便捷。

3）采用拼裝鋼平臺的安全性高。鋼平臺不僅作為大型高空連廊鋼結構的拼裝平臺，還是下部裙樓天窗主體結構的吊裝支撐平臺，上部幕墻及其鋼結構、龍骨的拼裝平臺，土建施工的堆放平臺，同時作為天窗及下部結構施工的封閉和硬質防護平臺，避免了立體交叉作業(yè)無防護的風險，保證施工過程的安全性。

4）拼裝鋼平臺在重慶來福士項目高空連廊結構施工過程中起到了非常重要的作用。經(jīng)現(xiàn)場施工檢驗，該平臺保證了現(xiàn)場各項施工任務的順利完成，保證了項目施工工期，具有較高的社會效益和經(jīng)濟效益，為同類工程施工提供了寶貴的經(jīng)驗。