大型鋼結(jié)構(gòu)人字形框架柱施工技術(shù)的研究與應(yīng)用

浙江省建工集團(tuán)有限責(zé)任公司 杭州 310012

1 工程概況

杭政儲(chǔ)出[2007]55#地塊辦公、商業(yè)金融用房鋼結(jié)構(gòu)工程坐落于杭州市錢(qián)江新城，地上20 層，地下3 層。地上部分為外筒內(nèi)框巨型支撐鋼結(jié)構(gòu)體系，地下部分為鋼結(jié)構(gòu)框架，局部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（圖1）。上部結(jié)構(gòu)按建筑平面劃分為后廳、中廳及前廳。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)軸測(cè)示意

上部結(jié)構(gòu)7 層以下采用斜向柱及大型人字形框架柱組成前廳，跨度72 m，跨中高度30 m，框架柱截面尺寸□1 200 mm×1 600 mm×80 mm，頂部采用鑄鋼件節(jié)點(diǎn)連接（鑄鋼件 ZG-12 26.74 t）。人字形框架結(jié)構(gòu)跨度大、質(zhì)量大，無(wú)法進(jìn)行整體吊裝，因此需要搭設(shè)臨時(shí)支撐體系進(jìn)行穩(wěn)定（圖2）。

圖2 人字形框架柱安裝軸測(cè)示意

2 施工重點(diǎn)難點(diǎn)分析

（a）由于人字形框架柱為結(jié)構(gòu)內(nèi)傾斜鋼柱，傾斜角度大，結(jié)構(gòu)自重大，因此吊裝過(guò)程中維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性困難，需要采用外部臨時(shí)支撐體系加以穩(wěn)定。

（b）人字形框架柱同時(shí)結(jié)合了梁與柱的受力形式，因此吊裝施工過(guò)程中整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的變形處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，需要不斷進(jìn)行變形觀測(cè)及計(jì)算以確保吊裝施工的精確及安全。

（c）人字形框架柱結(jié)構(gòu)跨度大，自重較重，無(wú)法進(jìn)行整體吊裝，只能進(jìn)行分段吊裝，因此吊裝設(shè)備的選型及分段吊裝時(shí)的焊接質(zhì)量要求較高。

3 臨時(shí)支撐體系的計(jì)算及設(shè)計(jì)

3.1 有限元模擬分析施工工況

采用MIDAS/Gen V 795對(duì)人字形框架柱在施工過(guò)程中的剛度和荷載進(jìn)行三維有限元模擬[1-5]。由于構(gòu)件自重產(chǎn)生的內(nèi)力占比例較大，鋼結(jié)構(gòu)安裝方法和順序?qū)Y(jié)構(gòu)構(gòu)件在重力荷載下的內(nèi)力將產(chǎn)生明顯影響，因此荷載取為結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重。

在模擬過(guò)程中，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)吊裝情況將施工過(guò)程劃分為6 個(gè)主要工況階段，即：1～3 層人字形斜向柱吊裝、4～5 層人字形斜向柱吊裝、5 層柱間鋼梁吊裝、5～7 層結(jié)構(gòu)鋼梁吊裝、6～7 層人字形斜向柱吊裝及7 層人字形斜向柱鑄鋼件吊裝，隨著工程進(jìn)展，對(duì)有限元模型單元逐層激活并對(duì)此階段下的結(jié)構(gòu)在重力荷載下的受力進(jìn)行分析，計(jì)算此工況下臨時(shí)支撐的變形及桿件應(yīng)力。

3.2 臨時(shí)支撐體系的設(shè)計(jì)與加工

根據(jù)模擬計(jì)算，臨時(shí)支撐體系采用獨(dú)立鋼管柱及格構(gòu)柱，截面尺寸為P450 mm×20 mm，P400 mm×14 mm，P325 mm×10 mm，P180 mm×10 mm，P351 mm×16 mm，P219 mm×10 mm，P600 mm×16 mm，P140 mm×5 mm，支撐鋼方框截面為H400 mm×400 mm×13 mm×21 mm，搭設(shè)在首層箱型鋼梁上，通過(guò)千斤頂固定于框架柱定位牛腿上，并采用橫向連接桿組成穩(wěn)定單元，隨人字形框架柱吊裝同步搭設(shè)（圖3）。

圖3 臨時(shí)支撐體系軸測(cè)示意

4 人字形框架柱吊裝施工

通過(guò)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的整體部署及人字形框架柱的分段優(yōu)化，選擇2 臺(tái)ZSJ100動(dòng)臂式塔吊（最大起吊質(zhì)量64 t）進(jìn)行吊裝，充分考慮鋼梁的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，將每側(cè)框架柱鋼梁分為5 段，連接處采用連接耳板及卡碼進(jìn)行臨時(shí)固定，同時(shí)在定位牛腿處搭設(shè)操作平臺(tái)進(jìn)行焊接作業(yè)。

同時(shí)根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)構(gòu)受力變形結(jié)果，將吊裝施工按照框架柱分段劃分為6 個(gè)步驟[6]，先進(jìn)行臨時(shí)支撐體系的搭設(shè)，支撐體系基礎(chǔ)設(shè)置于結(jié)構(gòu)首層的箱型鋼梁上；每個(gè)步驟首先進(jìn)行各層后廳、中廳鋼結(jié)構(gòu)施工，然后吊裝相應(yīng)樓層的人字形框架柱，框架柱安裝于支撐體系上，并于相鄰結(jié)構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)連接。重復(fù)上述步驟直至人字形框架柱頂部鑄鋼件吊裝完成，各構(gòu)件進(jìn)行焊接固定，形成穩(wěn)定單元后，臨時(shí)支撐拆除。

4.1 吊裝準(zhǔn)備工作

大型構(gòu)件起吊前，按有關(guān)要求進(jìn)行檢查，確認(rèn)無(wú)誤后應(yīng)試吊[7]；試吊時(shí)，必須檢查整個(gè)吊裝系統(tǒng)的設(shè)備和被吊物是否全部符合起吊要求，起吊時(shí)必須由起重指揮統(tǒng)一指揮，配合人員聽(tīng)從信號(hào)，服從指揮。被吊物不可長(zhǎng)時(shí)間懸吊、停滯等[8]。

4.2 主要吊裝流程

第1步：完成上部結(jié)構(gòu)1～3層后廳、中廳庭柱、鋼梁吊裝，搭設(shè)首層臨時(shí)支撐后開(kāi)始吊裝第1 段框架斜柱。

臨時(shí)支撐體系采用現(xiàn)場(chǎng)拼接、分段吊裝。支撐體系底座采用H400 mm×400 mm×13 mm型鋼制作，安裝于首層箱型鋼梁上。吊裝首層立柱安放于底座上，進(jìn)行豎直校準(zhǔn)，先吊裝主立柱，后吊裝次立柱，接著吊裝連系橫桿組成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，最后在立柱頂端搭設(shè)操作平臺(tái)。

第2步：吊裝第2段框架斜柱。吊裝框架斜柱間連接鋼梁。

第3步：完成4～5層后廳、中廳鋼梁及斜柱吊裝，搭設(shè)第2層臨時(shí)支撐后，吊裝第3 段框架斜柱。

第4步：吊裝4～5層中前廳間連系鋼梁后吊裝第4段框架斜柱。

第5步：完成6～7層后廳、中廳鋼柱、梁吊裝后，吊裝第4段框架斜柱。

第6步：完成6～7層柱間連系鋼梁吊裝后，吊裝鑄鋼件ZG-12，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語(yǔ)

由于人字形框架柱吊裝前采用三維有限元技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，在充分利用數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)而模擬施工工況，計(jì)算出安全可靠的臨時(shí)支撐體系，對(duì)施工過(guò)程所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)判預(yù)斷，確保了施工過(guò)程安全高效地進(jìn)行，為類(lèi)似項(xiàng)目的施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。