異形超高筒體結(jié)構(gòu)爬升模板施工技術(shù)研究及應(yīng)用

劉士勇 陳 利

（鐵法煤業(yè)集團(tuán)建設(shè)工程有限責(zé)任公司，遼寧 鐵嶺 112700）

1 工程概況

沈陽(yáng)博林特電梯實(shí)驗(yàn)塔工程位于沈陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)鐵西現(xiàn)代建筑產(chǎn)業(yè)園十六號(hào)街西側(cè)。電梯實(shí)驗(yàn)塔工程 地上三十八層，地下三層，總高度177.00m，電梯實(shí)驗(yàn)塔結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土核心筒剪力墻結(jié)構(gòu)，平面形狀為“等邊三角形”。建成后將成為亞洲第一高電梯實(shí)驗(yàn)塔。

圖1 電梯實(shí)驗(yàn)塔效果圖

2 總體施工方案的選擇

電梯實(shí)驗(yàn)塔平面尺寸為邊長(zhǎng)19992mm的等邊三角形，由于電梯實(shí)驗(yàn)工藝的需要外筒內(nèi)設(shè)7個(gè)核心筒 ，平面尺寸小，豎向結(jié)構(gòu)多，常規(guī)的爬模系統(tǒng)無(wú)法布置，針對(duì)這座形狀比較特殊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的超高鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)技術(shù)論證：外筒結(jié)構(gòu)采用爬升模板工藝和內(nèi)筒（井道）結(jié)構(gòu)擬采用頂推模板工藝相結(jié)合的施工方案。根據(jù)工程的具體特點(diǎn)對(duì)爬升模板工藝進(jìn)行創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)頂推模板工藝和同步頂推控制系統(tǒng)。

3 頂推爬升模板工作機(jī)理概述

3.1 頂推爬升模板系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)

頂推爬升模板系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱頂模）是適應(yīng)高層或超高層多筒結(jié)構(gòu)混凝土澆筑的施工工藝。頂模的爬升運(yùn)動(dòng)是通過(guò)液壓油缸對(duì)導(dǎo)軌和爬架交替作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。導(dǎo)軌和爬架之間可進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在爬架處于工作狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)軌和爬模架都支撐在埋件支座上，兩者之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。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(diào)整上下軛棘爪方向來(lái)使導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，待導(dǎo)軌升到位就位于該埋件支座上后，操作人員立即轉(zhuǎn)到下平臺(tái)拆除導(dǎo)軌提升后露出的位于下平臺(tái)處的埋件支座、爬錐等。在解除爬架上所有拉結(jié)之后就可以開(kāi)始爬升架體及模板，這時(shí)導(dǎo)軌保持不動(dòng)，調(diào)整上下棘爪方向后啟動(dòng)油缸，爬模架就相對(duì)于導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。通過(guò)導(dǎo)軌和爬模架這種交替附墻，提升對(duì)方，爬模架沿著墻體垂直預(yù)留爬錐逐層向上爬升。

3.2 頂模的基本組成

整個(gè)頂模系統(tǒng)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(tǒng)、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(jīng)澆筑好的混凝土結(jié)構(gòu)上安裝預(yù)埋件；

（2）安裝上、中、下平臺(tái)及模板；

（3）)固定模板；

（4）澆筑混凝土；

（5)退模、安裝預(yù)埋件；

（6)頂升并固定導(dǎo)軌；

（7)頂升爬架；

（8)重復(fù)步驟（3），如此往復(fù)。

4 結(jié)構(gòu)體系的受力計(jì)算及工況分析

4.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算目的

1)驗(yàn)算各個(gè)構(gòu)件在任何工況下強(qiáng)度、剛度是否滿足要求，以及驗(yàn)算整個(gè)爬架系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2)根據(jù)實(shí)際的材料類型，結(jié)構(gòu)形式，桿件單元截面形式，運(yùn)用有限元分析軟件，模擬在各種荷載作用下結(jié)構(gòu)的受力性能，從整體上校核頂模系統(tǒng)是否具有可行性。

4.2 計(jì)算工況及內(nèi)容

1)第一種工況：架子處于靜止?fàn)顟B(tài)，即施工狀態(tài)。此工況需要驗(yàn)算的內(nèi)容的外桿的壓桿穩(wěn)定和混凝土支座處混凝土抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算。

2)第二種工況是：架子處于爬升狀態(tài)。此工況需要驗(yàn)算的是內(nèi)桿的壓桿穩(wěn)定和梯檔強(qiáng)度。

5 模型建立

5.1根據(jù)本工程爬架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立有限元模型。

5.2本結(jié)構(gòu)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(dòng)約束來(lái)模擬此處的邊界條件。

5.3本結(jié)構(gòu)為全鋼結(jié)構(gòu)，鋼材使用的是Q235鋼，抗壓抗拉強(qiáng)度為205MPa，彈性模量區(qū)位 2.06×105MPa。

5.4荷載及布置

本結(jié)構(gòu)中的荷載包括，爬架自重，模板重量，鋼筋等材料堆載，風(fēng)荷載（沈陽(yáng)地區(qū)：按9級(jí)風(fēng)，200m高考慮風(fēng)載荷）。

6 結(jié)構(gòu)計(jì)算

6.1 工況一：靜止?fàn)顟B(tài)恒載＋施工荷載

6.2 工況二：爬升狀態(tài)

7 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)爬架結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與驗(yàn)算 ，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)有以下幾個(gè)薄弱環(huán)節(jié)：

7.1 1-1桁架的跨中截面下弦桿下緣拉應(yīng)力

7.3 2-2桁架的邊立柱頂端的桁架下弦桿下緣壓應(yīng)力

通過(guò)增加桁架的剛度可以改善這一情況。

8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)爬模結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件在任何工況下都滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的要求。頂推爬模系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)是可行的。

9 頂模工藝在施工中的應(yīng)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(guī)方法施工。模板采用木模體系，搭設(shè)落地腳手及支模系統(tǒng)。施工時(shí)在電梯井內(nèi)預(yù)留好預(yù)留孔、預(yù)埋件。在地面以上二層預(yù)留孔位置安裝爬升裝置，安裝承力平臺(tái)作為鋼模施工的工作平臺(tái)。二層澆筑完成后即可安裝完所有爬模系統(tǒng)。

2）塔體自地上三層開(kāi)始進(jìn)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(wú)法布置，需支模施工。塔體內(nèi)部水平結(jié)構(gòu)采用常規(guī)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(zhǔn)備→安裝模板→架體預(yù)拼裝→安裝爬升構(gòu)件→安裝架體→安裝平臺(tái)、欄桿及安全網(wǎng)→安裝液壓系統(tǒng)及調(diào)試→爬模測(cè)量觀測(cè)→模架拆除

9.2.1頂模安裝前準(zhǔn)備：

1）對(duì)模板底標(biāo)高、承載體底標(biāo)高、錐形承載接頭、承載螺栓中心標(biāo)高應(yīng)進(jìn)行抄平。當(dāng)模板在樓板或基礎(chǔ)底板上安裝時(shí)，對(duì)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(duì)頂模安裝標(biāo)高的下層結(jié)構(gòu)外形尺寸進(jìn)行檢查，對(duì)超出允許偏差的結(jié)構(gòu)進(jìn)行剔鑿修正。

4）綁扎完成模板高度范圍內(nèi)鋼筋。

5）安裝門窗洞模板、預(yù)留洞模板、預(yù)埋件、預(yù)埋管線及洞口鋼支架。

6）模板板面需刷脫模劑，機(jī)加工件需加潤(rùn)滑油。

7）在有樓板的部位安裝架體時(shí)，提前在下2層的樓板上預(yù)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(gè)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(cè)量檢查對(duì)角線并進(jìn)行校正，確保直角準(zhǔn)確。

9.2.3架體預(yù)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(dòng)支腿同模板背楞連接,并用可調(diào)絲杠調(diào)節(jié)模板截面尺寸和垂直度。

9.2.4安裝爬升構(gòu)件

本文利用長(zhǎng)方體在支撐平面上的投影圖像實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的三維尺寸測(cè)量,為生成目標(biāo)在該投影平面的投影圖像,首先標(biāo)定出相機(jī)的內(nèi)參數(shù)、相對(duì)于所定義的世界坐標(biāo)系的外參數(shù)、鏡頭畸變參數(shù);再根據(jù)視場(chǎng)區(qū)域,在投影平面上劃分若干等間距網(wǎng)格,若能估計(jì)出每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的像素值,則這些網(wǎng)格點(diǎn)構(gòu)成一幅虛擬圖像;由于每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的世界坐標(biāo)是已知的,可利用公式(1)計(jì)算其在真實(shí)像平面上的無(wú)畸變投影點(diǎn),再利用公式(2)計(jì)算其有畸變圖像點(diǎn),再利用雙線性插值方法或雙三次插值方法對(duì)該網(wǎng)格點(diǎn)的像素值進(jìn)行估計(jì)。

在電梯井內(nèi)預(yù)留好的孔洞安裝錐形承載接頭和掛勾連接座，然后連接導(dǎo)桿。安裝完畢后，進(jìn)行加固處理，保證爬升構(gòu)件的牢固和穩(wěn)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(nèi)，和爬升構(gòu)件支座進(jìn)行組裝，并固定可靠。下架體安裝完畢后，進(jìn)行組裝上架體；鋪設(shè)架體次梁。

將下架體與上架體連接穩(wěn)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(tái)、欄桿及安全網(wǎng)

1）鋪平臺(tái)板，采用腳手板滿鋪；

2）吊架外側(cè)全高設(shè)吊平臺(tái)護(hù)欄；

3）外架頂端設(shè)上操作平臺(tái)護(hù)欄，高2m；

4）平臺(tái)及吊平臺(tái)護(hù)欄下端均設(shè)踢腳板；

5）從平臺(tái)護(hù)欄上端到吊平臺(tái)護(hù)欄下端,滿掛安全網(wǎng)，并折轉(zhuǎn)包住吊平臺(tái)，以確保施工安全。

9.2.7安裝液壓系統(tǒng)及調(diào)試

1）分別在電梯井和樓梯間內(nèi)安裝液壓系統(tǒng)，每個(gè)液壓系統(tǒng)為8個(gè)油缸，每?jī)蓚€(gè)油缸為一個(gè)組件，每個(gè)系統(tǒng)為4個(gè)組件，液壓控制系統(tǒng)為總體提升控制，液壓控制臺(tái)安裝在主桁架上部操作平臺(tái)。

2）液壓油管整齊排列固定。液壓系統(tǒng)安裝完成后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和加壓試驗(yàn)，保壓5分鐘，所有密封處無(wú)滲漏。

9.2.8爬模測(cè)量觀測(cè)

利用垂準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀，安裝激光靶,進(jìn)行平臺(tái)垂直偏差控制觀測(cè)。采用水準(zhǔn)儀控制平臺(tái)水平度。

9.3 質(zhì)量控制

9.3.1主控項(xiàng)目

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

檢查數(shù)量：全數(shù)檢查。檢驗(yàn)方法：查看設(shè)計(jì)文件。

2）模板截面調(diào)節(jié)、后退脫模和垂直度調(diào)整有靈活可靠的裝置。

檢查數(shù)量：全數(shù)檢查。檢驗(yàn)方法：觀察。

9.3.2一般項(xiàng)目

爬模施工工程混凝土結(jié)構(gòu)允許偏差應(yīng)符合《液壓爬升模板工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)定。

9.4 模架拆除

9.4.1內(nèi)模架分離、拆除

內(nèi)模架架體分區(qū)獨(dú)立拆除；順序從一側(cè)開(kāi)始，由上→下（圖4）。

圖4 內(nèi)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(qū)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(qū)獨(dú)立拆除，最大構(gòu)件重量均不超過(guò)起重機(jī)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(jié)構(gòu)主體安裝的LT20/5020內(nèi)爬式塔式起重機(jī)配合拆除（圖5）。

10 施工測(cè)量方法

電梯實(shí)驗(yàn)塔為三角形平面，在三角形各角的平分線上布置5個(gè)激光接收靶。利用紅外線激光垂直儀向上投點(diǎn)來(lái)控制模板的垂直度，并設(shè)置門窗洞控制線，來(lái)控制門窗洞的偏位。每層做好施工測(cè)量記錄，隨時(shí)校正垂直度及門窗洞、軸線的誤差。

11 安全質(zhì)量保證措施

1)爬模施工是集施工管理、勞動(dòng)組織、施工技術(shù)、材料供應(yīng)、工程質(zhì)量、生產(chǎn)安全等各項(xiàng)管理工作。建立強(qiáng)有力的組織領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu) 確保工藝實(shí)施過(guò)程中，有條不紊的正常進(jìn)行 。

2)將爬模平臺(tái)為分3個(gè)區(qū)段施工。每個(gè)區(qū)段設(shè)一名區(qū)長(zhǎng)，分管本區(qū)段的混凝土、鋼筋和木工的具體操作。

3)混凝土嚴(yán)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(qū)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(yè)工長(zhǎng)進(jìn)行檢查。

4)加強(qiáng)測(cè)量觀測(cè)，每層提供2次垂直偏差觀測(cè)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(jìn)行校正。

12 社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益

1)模板一次性組裝上墻、不占用堆放場(chǎng)地；

2)組裝快速，模塊化設(shè)計(jì)；

3)節(jié)約塔吊吊力40%以上；

4)節(jié)約人工成本30%左右；

5)施工速度平均可達(dá)5～6天/層(節(jié)段)；

6)現(xiàn)場(chǎng)文明、整潔、安全。

該頂推施工工藝適用于高層框架結(jié)構(gòu)建筑、高層建筑的核心筒結(jié)構(gòu)和橋梁高墩及索塔的施工，開(kāi)發(fā)完成的《同步頂推控制系統(tǒng)》獲國(guó)家專利（專利號(hào) 201020518670.x）。

[1]JGJ195-2010，液壓爬升模板工程技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB50018，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].[3]JGJ195-2010，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].