超高巨型轉換桁架自平衡快速施工關鍵技術*

陳鈺明,佘志剛,李 奇,姚建忠,周志剛,胡 新,張 楊,李 科

(中建三局集團有限公司,湖北 武漢 430000)

1 工程概況

優必選總部大廈項目在1～9層進行結構轉換,以36m超高巨型轉換桁架將4根角部巨柱轉換為地上16根豎向鋼柱。轉換桁架鋼柱傾斜角度為14°,單個構件最大質量為42.5t,拼裝整體起吊最大質量為58t,整個外立面轉換桁架重約5 120t(見圖1)。由于桁架承擔塔樓標準層荷載轉換傳遞,其構件具有巨型化、節點復雜化特點,施工采用依次逐層逐段高空散裝法,復雜構件施工快速提升是關鍵。轉換桁架施工階段存在傾斜懸臂狀態,在未形成桁架體系前結構應力和變形控制至關重要。

2 施工技術

2.1 異形構件快速吊裝技術

轉換桁架構件質量大,且形狀不規則的偏心構件數量多,為實現構件快速吊裝,桁架結構能形成體系,將外立面典型構件吊裝分類管理:第1類為偏心小的多對接口異形構件,第2類為傾角大且相對規則的構件。

1)對于第1類構件,采用固定鋼絲繩長度調整吊耳位置的四吊點吊裝方法(見圖2a)。其原理是在深化階段找到異形構件重心,并在兩側布置臨時吊耳(兼作臨時固定耳板),通過調整吊耳位置確保同類型構件鋼絲繩長度一致,實現構件起吊后角度與圖紙相符或者與對接口平行,方便緊固和快速就位,縮短二次調節時間。

圖2 轉換桁架構件吊裝方法

2)對于第2類構件,選用固定吊耳位置調節鋼絲繩長度的四吊點吊裝方法(見圖2b)。構件設置主吊耳和輔助吊耳,主吊耳2個,布置在構件重心上方沿構件軸線方向偏移150～250mm處,確保主吊耳在吊裝期間承受構件85%以上自重。輔助吊耳設置在距離斜撐底部50～100mm位置,用于調節段連接。在構件軸向上表面設置數顯水平尺,通過重力感應實現傾角數字化顯示,反復調節倒鏈長度,快速調整至圖紙角度,便于節點對接和安裝。

復雜節點及傾斜構件對接設置導向板,導向板由2塊楔形和2塊矩形鋼板組成,分布在構件下表面和兩側,斜撐安裝時沿導向板滑入指定位置即可就位和臨時緊固(見圖3)。復雜異形構件節點為偏心構件,采用加強型雙排孔吊耳和連接板緊固,并在臨時連接板一端設置圓孔,另一端設置長圓孔,避免施工和制作誤差導致穿孔困難。

圖3 構件導向板設置和臨時連接

2.2 轉換桁架結構施工自平衡技術

轉換桁架體系結構對稱布置,施工期間存在6層高雙向傾斜懸臂階段,傾斜懸臂最高點偏離首層柱中心水平距離為10m,為解決偏心導致首層巨柱節點附加傾覆彎矩問題,采用門式剛架對撐結構體系,每2層位置對撐,將鏤空部分補全形成環向封閉結構,并優化6～9層施工順序,優先實現結構環向封閉再向上施工。通過結構環向封閉,對稱安裝,施工高度同步,水平撐桿內力抵消,最終實現結構內部自平衡。塔樓1～9層轉換桁架支撐布置如圖4所示。

圖4 塔樓1～9層轉換桁架支撐布置

3 施工工藝流程

轉換桁架施工流程如圖5所示。

圖5 轉換桁架施工流程

4 施工準備

4.1 施工技術準備

4.1.1深化設計

對于不同類型異形構件,利用BIM軟件找好構件重心,根據選用的吊裝方法布置好構件吊點。此外,構件存在超寬、超重和偏心情況,深化設計時根據構件裝車方式考慮卸下吊耳。

4.1.2預起拱值確定

轉換桁架深化階段要進行預起拱值確定,考慮結構對稱分布特點,施工采用構件安裝預起拱。起拱值主要考慮支撐剛架卸載后上部結構荷載和活荷載的作用,通過施工模擬計算確定。

4.1.3確定桁架構件安裝順序

根據結構對稱特點,依次逐層對稱安裝外立面轉換桁架,安裝至相應樓層時,同步安裝門式剛架對撐結構,確保外立面形成封閉環狀,實現結構平衡。

4.1.4計算模擬分析

塔樓2個角部因與樓層無連接,施工階段存在懸臂傾斜情況,對首層轉換節點影響大。通過MADIS軟件對轉換桁架施工階段進行模擬分析,分析構件安裝對結構的影響,以及將應力、變形值控制在設計要求內所需門式剛架對撐結構的要求。模擬分析找出施工階段結構最不利位置,并進行包絡匯總,指導現場施工和結構安全管控。施工階段桁架結構應力分析如圖6所示。

4.2 現場施工準備

1)施工前對吊裝班組進行技術交底,提前明確好構件位置和方向、安裝順序和施工控制要點。

2)在三維模型中輸出異形構件控制點三維坐標,并轉換成現場實際控制網三維坐標,在控制點上粘貼反光片。

3)對構件進場驗收,嚴格控制構件外觀和尺寸,尤其是異形構件多牛腿的相對關系。

4.3 門式剛架對撐結構制作

門式剛架對撐結構受力較小,施工階段主要保證結構穩定性。根據受力特點,優先制作寬翼緣熱軋H型鋼。支撐柱截面選用HW400×400,水平支撐梁、對撐梁和斜撐截面選用HW300×300。加工前對剛架圖紙進行深化、放樣和編號,重點控制梁柱斜撐交匯處節點、支撐梁與結構連接的變截面處理。

5 施工控制要點

5.1 構件吊裝

對于無傾角或偏心小的構件,按照吊裝方法匹配相應的鋼絲繩長度,構件豎起完成后直接達到圖紙安裝角度,并在地面將臨時夾板通過螺栓固定在耳板上,隨著鋼構件同步吊裝一次就位。垂直構件吊裝如圖7所示。

圖7 垂直構件吊裝

對于傾角大的構件,構件豎起完成后,將輔助吊繩設置在構件下端預留吊耳處,輔助吊繩由鋼絲繩和手拉葫蘆組成。調整手拉葫蘆長度,改變構件傾斜角度。在構件上表面設置數顯水平尺,可以動態數字顯示構件傾斜角度,方便人員調節。構件角度滿足要求后,吊裝至安裝位置就位(見圖8)。

圖8 傾斜構件吊裝

構件吊至安裝位置附近后,沿導向板滑入,精準就位,采用雙排孔加厚連接板進行臨時緊固,構件安裝階段無須二次加固。

5.2 轉換桁架施工

5.2.12層桁架立面構件及對應門式剛架對撐結構安裝

門式剛架對撐鋼柱柱腳設置在首層混凝土環梁上(見圖9)。在環梁上設置預埋件,采用鉸接柱腳連接。

圖9 門式剛架對撐鋼柱柱腳大樣

轉換節點分叉為3個柱后超出板面一定高度,用于上部結構安裝。2層結構施工期間,優先安裝外立面角部直柱和中心支撐筒柱,再安裝角部斜柱,每個立面對稱安裝。此外,同步安裝2層范圍門式剛架對撐結構、角部直柱與斜柱間的拉結鋼梁、門式剛架對撐結構面外與中心支撐筒柱的拉結鋼梁,最終使2層外立面形成封閉環狀。施工過程嚴控構件安裝精度,通過模型三維坐標和現場坐標系轉換,得到現場實控三維坐標,并在構件頂部粘貼反光片,采用全站儀全程監控。外立面桁架和中心支撐筒柱安裝完成后,進行2層鋼梁安裝。1～2層結構施工如圖10所示(帶圈數字代表安裝順序,下同)。步驟1為首層鋼柱及對應門式剛架對撐結構安裝,步驟2為2層立面結構及門式剛架對撐結構安裝。

圖10 1～2層結構施工

5.2.23～4層桁架立面構件及對應門式剛架對撐結構安裝

3～4層結構采用逐層逐段依次向上施工。施工期間同立面對稱安裝。3層桁架立面施工期間,優先安裝角部直柱,再安裝斜柱及與斜柱間的拉結鋼梁,與此同步安裝3～4層對撐結構,包括支撐筒柱、X形斜撐、與中心支撐筒柱拉結的鋼梁,由于對撐結構梁布置在4層,3層結構安裝完成后會出現單節高度的懸挑,因此暫不澆筑柱內混凝土,開始安裝4層桁架立面結構,施工方法同3層,并補齊水平對撐鋼梁,使結構在4層形成封閉環狀,再澆筑柱內混凝土。斜柱質量大、不規則,安裝期間為方便構件角度調整,柱頂與直柱拉結手拉葫蘆,用于精調。3～4層結構施工如圖11所示。步驟1為3層鋼柱、斜柱及對應門式剛架對撐安裝,步驟2為4層立面結構及門式剛架對撐結構安裝。

5.2.35～9層桁架立面構件及對應門式剛架對撐結構安裝

根據結構特點,5～9層桁架立面施工原則為優先保證外立面結構形成封閉環狀,確保傳力路徑貫通,實現內部平衡。5層結構先施工角部直柱、斜柱,然后柱間鋼梁或拉結鋼梁安裝,形成穩定體系再施工樓層鋼梁,同步安裝6層下弦梁對應的支撐剛架。從6層開始進入標準桁架階段,受構件質量和塔式起重機性能影響,結構從下向上依次施工,先施工角部桁架柱,再施工6層桁架下弦箱梁,然后依次施工斜腹桿、直腹桿、9層上弦梁。施工先保證角部穩定,再實現環向封閉。5～9層結構施工如圖12所示。步驟1為5層立面結構安裝;步驟2為安裝6層角部鋼柱、桁架斜腹桿及拉結鋼梁;步驟3為桁架6層下弦梁安裝及7～9層角部鋼柱和斜撐安裝,6層實現環向封閉;步驟4為安裝7～8層桁架斜腹桿及結構拉結梁;步驟5為桁架7層直、斜腹桿及對應鋼梁施工,7層形成封閉環狀;步驟6為桁架8層直、斜腹桿及對應鋼梁施工,8層形成封閉環狀;步驟7為桁架9層上弦梁、柱施工;步驟8為完成外立面桁架安裝。

圖12 5～9層結構施工

5.2.4鋼管柱內混凝土澆筑

外立面角部直鋼柱和斜鋼柱焊接及無損檢測合格后,放置鋼柱內鋼筋籠,并利用塔式起重機和料斗澆筑柱內混凝土,2層澆筑1次,高度≤9m,并采用自密實混凝土澆筑。由于鋼柱隔板澆筑孔徑為800mm,期間采用混凝土振動棒振搗密實。

5.3 門式剛架對撐結構卸載和拆除

外立面門式剛架對撐結構及與樓層拉結的鋼梁需在1～9層轉換桁架、樓層鋼梁施工完成后拆除。整體拆除方向為西面→北面→南面→東面,單個結構立面拆除遵循由上到下、先次后主的順序。樓層中的水平支撐鋼梁由上到下逐層拆除。每個立面支撐結構拆除時先完成支撐柱與結構梁的卸載,再根據拆除分段逐步將結構單元吊運至地面解體,人員高空作業采用曲臂車輔助。支撐柱分級卸載如圖13所示(每次對稱切割10mm,分級卸載,直至支撐結構與鋼梁脫離)。

圖13 支撐柱分級卸載

5.4 應力和位移監測

5.4.1應力監測

9層轉換桁架施工期間,在施工及卸載階段影響最大的首層4個角部轉換節點和其他關鍵位置布置應變監測點(見圖14),施工過程中實時監測節點應力變化,并和計算模擬值分析對比,確保各節點應力控制在設計允許范圍內,其中首層轉換節點位置應力控制在15MPa以內。

圖14 應變監測點布置

5.4.2位移監測

轉換桁架施工期間的位移監測主要在支撐卸載階段,監測部位為6層箱梁,每個立面布設3個監測點(見圖15)。

圖15 位移監測點布置

5.5 上部結構施工

上部標準層施工,優先安裝中心支撐筒結構,再進行外框鋼柱、柱間斜撐和框梁施工,最后完成樓層輻射鋼次梁安裝,依次循環完成上部結構施工。

6 質量控制

6.1 施工質量控制措施

6.1.1復雜構件分段分節控制

巨型轉換桁架中節點1,2處在桁架關鍵位置,節點整體性至關重要。由于構件截面尺寸及板厚大,導致節點1,2質量均達66t,構件外輪廓尺寸為6.6m×5.3m,已遠超構件運輸條件,因此節點拆分位置非常重要。為保證結構安全和施工質量,對關鍵節點采用ABAQUS 進行計算分析(見圖16)。根據受力分析結果,結合運輸和焊接空間需求,在節點受力較小部位進行深化拆分(見圖17),保證節點完整性及受力性能。

圖16 節點拆分及驗算

6.1.2巨型桁架施工精度控制

對于復雜巨型桁架施工,一方面要控制構件本體制作尺寸,另一方面要保證現場安裝精度。構件制作從組裝順序、裝配定位、厚板焊接等方面入手,優化組裝順序,減小狹小空間作業,所有零部件裝配采用同一個基準點,并提前考慮焊接變形收縮帶來的結構尺寸偏差,做好預留。制作期間復雜構件每道工序組織驗收,對構件牛腿定位、角度、本體尺寸等重點把控。通過結構模型轉換得到現場構件三維控制點坐標,以此作為構件控制的理論坐標,并不斷修正現場實測坐標值,直至接近理論坐標。構件測量校正宜在上午或下午溫度較低時進行,避免因溫度影響導致校正偏差。

6.2 首層轉換節點應力控制

施工階段在關鍵部位設置應力、應變監測點,監測模塊可實現每5min記錄1次數據,并設置預警值,數據自動上傳云平臺,施工管理人員在手機終端隨時可查看,確保首層轉換應力在控制范圍內,保證結構施工質量和安全。應力監測結果如表1所示。

7 結語

1)通過對超高巨型轉換桁架自平衡施工關鍵技術研究,解決了轉換桁架施工階段傾斜偏心對結構的影響,施工階段的結構荷載內部自平衡確保了首層轉換節點應力控制在設計允許范圍內,保證結構施工安全和質量。

2)通過對巨型轉換桁架構件分類吊裝管理、構件傾斜角度可調節和可視化管理,可極大地縮短鋼構件從起吊到就位的時間,單個巨型復雜節點吊裝時間由6h縮短至2h,減少塔式起重機占用時間4h,施工工效提高200%。