大型整體懸掛式升降平臺(tái)在吊掛鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用*

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

0 引言

在高層及超高層建筑領(lǐng)域，吊掛鋼結(jié)構(gòu)體系的安裝歷來是施工領(lǐng)域的重大難題。該吊掛鋼結(jié)構(gòu)體系處于建筑主結(jié)構(gòu)樓層外側(cè)，依靠鋼拉桿逐層吊掛于主體結(jié)構(gòu)外懸挑桁架下部，具有體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工精度要求高、施工危險(xiǎn)性大等特點(diǎn)。

工程實(shí)施時(shí)，若采用常規(guī)的“從下而上”逐層順作法，需要搭設(shè)滿堂超高腳手架，不僅危險(xiǎn)性較大、施工質(zhì)量控制難，而且涉及眾多臨時(shí)支撐的安裝和卸載，不符合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)；若采用符合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)的“從上而下”逐層逆作法，則需要一種安全操作腳手系統(tǒng)，來滿足超高層建筑的安全、質(zhì)量和精度控制的要求。

上海中心大廈主樓采用了內(nèi)外雙層幕墻系統(tǒng)，以加強(qiáng)桁架層為界，共分為8個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)外幕墻均采用柔性吊掛鋼支撐結(jié)構(gòu)作為支承系統(tǒng)，內(nèi)幕墻采用常規(guī)的樓板支承單元板塊系統(tǒng)。為了外幕墻柔性吊掛鋼支撐結(jié)構(gòu)工程的高效率和高精度實(shí)施，提出了超大型整體懸掛式升降平臺(tái)裝置解決方案，不僅為工程的順利推進(jìn)提供支撐，同時(shí)也必將為今后超高層建筑吊掛鋼結(jié)構(gòu)的施工提供技術(shù)儲(chǔ)備和研發(fā)思路。

1 吊掛鋼結(jié)構(gòu)工程概況

1.1 整體結(jié)構(gòu)

外幕墻鋼支承體系具有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，整個(gè)系統(tǒng)由柔性拉棒、水平鋼支撐、懸挑主結(jié)構(gòu)、變形協(xié)調(diào)群支座等部分組成。柔性拉棒主要提供豎向剛度，水平鋼支撐提供水平剛度，群支座協(xié)調(diào)由于風(fēng)或地震產(chǎn)生的主樓側(cè)向擺動(dòng)引起的主體結(jié)構(gòu)與鋼支承系統(tǒng)不均勻變形，整個(gè)系統(tǒng)吊掛于加強(qiáng)桁架層的懸挑結(jié)構(gòu)上（圖1）。

圖1 分區(qū)外幕墻鋼支撐整體結(jié)構(gòu)示意

1.2 鋼支撐結(jié)構(gòu)

每個(gè)分區(qū)的鋼支撐吊掛高度最大達(dá)到67.5 m，約15層，最遠(yuǎn)距離主體結(jié)構(gòu)樓板外邊線達(dá)到14 m。其中，每層水平鋼支撐由水平徑向桿件和外圈環(huán)梁桿件組成，每層水平鋼支撐結(jié)構(gòu)布置都不相同，逐層順時(shí)針旋轉(zhuǎn)約1°；每層的桿件交點(diǎn)位置設(shè)置有柔性鋼拉棒，將各層水平鋼支撐進(jìn)行豎向連接，共有25組鋼拉棒，每組鋼拉棒均采用雙冗余度設(shè)計(jì)，設(shè)置有2根；25組鋼拉棒最上端吊掛在加強(qiáng)層懸挑樓面底部（圖2、圖3）。

圖2 鋼支撐體系三維示意

圖3 鋼支撐體系結(jié)構(gòu)組成示意

2 升降平臺(tái)本體設(shè)計(jì)

2.1 模塊組成設(shè)計(jì)

根據(jù)上海中心大廈8個(gè)結(jié)構(gòu)分區(qū)外幕墻鋼支撐體系旋轉(zhuǎn)內(nèi)收的特點(diǎn)，采取模塊化的思路進(jìn)行升降平臺(tái)的設(shè)計(jì)，在保證施工平臺(tái)安全的同時(shí)，盡量做到通用，以適用于8個(gè)分區(qū)鋼支撐的施工要求，節(jié)約施工成本和提高施工效率，并具有可推廣和應(yīng)用的價(jià)值。

平臺(tái)本體采用主結(jié)構(gòu)+子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，通過主結(jié)構(gòu)和不同子結(jié)構(gòu)的組裝，形成滿足上海中心大廈各分區(qū)（2～8區(qū)）外幕墻鋼支撐安裝要求的施工平臺(tái)。根據(jù)結(jié)構(gòu)外輪廓造型，平臺(tái)本體由3大塊平臺(tái)組成，平臺(tái)之間由凸臺(tái)施工走道（橋梁）進(jìn)行連接，確保3大塊平臺(tái)的走通；每個(gè)大塊平臺(tái)又分成3個(gè)小塊平臺(tái)，9個(gè)小塊平臺(tái)獨(dú)立升降，整體工作。2區(qū)整體式升降平臺(tái)本體模塊化組成如圖4所示，2區(qū)升降平臺(tái)三維示意如圖5所示，2～8區(qū)平臺(tái)本體模塊化演變?nèi)鐖D6所示。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1 有限元模型

平臺(tái)采用雙向桁架結(jié)構(gòu)形式，以節(jié)約用鋼量和降低升降安全風(fēng)險(xiǎn)，通過優(yōu)化比較，桁架高度最終確定為1 200 mm，有限元模型如圖7所示。

2.2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

綜合考慮了施工恒載、活載、風(fēng)荷載、溫度等組合工況，對(duì)2～8區(qū)的平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示最大應(yīng)力比出現(xiàn)在6區(qū)的平臺(tái)1-2的最外側(cè)桁架跨中主弦桿處，為0.84，表明平臺(tái)具有足夠的安全儲(chǔ)備。

圖4 2區(qū)平臺(tái)本體模塊化組成示意

圖5 2區(qū)升降平臺(tái)三維示意

圖6 2～8區(qū)升降平臺(tái)本體模塊化演變示意

圖7 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

在1.0DL+1.0LL作用下，2區(qū)平臺(tái)的豎向變形最大，位于平臺(tái)1-1外側(cè)跨中區(qū)域，最大值為57 mm，滿足規(guī)范要求（圖8）。

圖8 平臺(tái)計(jì)算變形云圖

2.3 升降不同步分析

平臺(tái)升降過程中，每個(gè)平臺(tái)4臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)的同步性通過機(jī)電控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，為確保平臺(tái)下降過程的安全，對(duì)每個(gè)平臺(tái)4個(gè)懸掛點(diǎn)的不同步性進(jìn)行了參數(shù)分析，懸掛點(diǎn)位編號(hào)如圖7所示。由于2區(qū)平臺(tái)體量最大，故僅選2區(qū)施工平臺(tái)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2.3.1 平臺(tái)1-1下降不同步分析

升降過程中，不同步分為4種情況，對(duì)每種情況均進(jìn)行了參數(shù)分析，分析結(jié)果如表1所示。從表中可知，1號(hào)和2號(hào)點(diǎn)相對(duì)于其余點(diǎn)位的不同步可以控制在500 mm 之下，3號(hào)點(diǎn)相對(duì)于其余點(diǎn)位的不同步應(yīng)控制在250 mm以下，4號(hào)點(diǎn)相對(duì)于其余點(diǎn)位的不同步則必須控制在150 mm以下。考慮到施工平臺(tái)均為機(jī)電控制，故而將不同步標(biāo)準(zhǔn)均控制在150 mm以下。

2.3.2 平臺(tái)1-2升降不同步分析

由于平臺(tái)結(jié)構(gòu)呈對(duì)稱布置，所以升降過程中，不同步分為2種情況，對(duì)每種情況均進(jìn)行了參數(shù)分析，分析結(jié)果如表2所示。從表中可知，1或4號(hào)懸掛點(diǎn)位相對(duì)于其余點(diǎn)位的不同步應(yīng)控制在400 mm以下，2或3號(hào)懸掛點(diǎn)位相對(duì)于其余點(diǎn)位的不同步應(yīng)控制在500 mm以下?？紤]到施工平臺(tái)均為機(jī)電控制，故而將不同步標(biāo)準(zhǔn)均控制在400 mm以下。

表1 平臺(tái)1-1下降不同步分析數(shù)據(jù)

表2 平臺(tái)1-2下降不同步分析數(shù)據(jù)

2.3.3 平臺(tái)1-3升降不同步分析

升降過程中，不同步分為4種情況，對(duì)每種情況均進(jìn)行了參數(shù)分析，分析結(jié)果如表3所示。從表中可知，1號(hào)點(diǎn)相對(duì)于其余點(diǎn)位的不同步應(yīng)控制在200 mm以下，2號(hào)點(diǎn)相對(duì)于其余點(diǎn)位的不同步應(yīng)控制在250 mm以下，3號(hào)點(diǎn)相對(duì)于其余點(diǎn)位的不同步應(yīng)控制在500 mm以下，4號(hào)點(diǎn)相對(duì)于其余點(diǎn)位的不同步應(yīng)控制在400 mm以下?？紤]到施工平臺(tái)均為機(jī)電控制，故而將不同步標(biāo)準(zhǔn)均控制在200 mm以下。

表3 平臺(tái)1-3下降不同步分析數(shù)據(jù)

3 外挑鋼梁吊掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于平臺(tái)本體的投影外包線超出頂部懸挑桁架層的外包線，因此需要在桁架層上設(shè)置外挑鋼梁用以吊掛整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)。外挑鋼梁根據(jù)挑出的尺寸大小不同和受力的荷載不同，可分為雙點(diǎn)吊掛外挑梁A和四點(diǎn)吊掛外挑梁B，外挑梁A上前后各設(shè)置1個(gè)升降平臺(tái)懸吊點(diǎn)，外挑梁B上前后各設(shè)置2個(gè)升降平臺(tái)懸吊點(diǎn)。根據(jù)懸挑結(jié)構(gòu)受力性能和傳力特點(diǎn)，采用三角桁架結(jié)構(gòu)作為首選結(jié)構(gòu)體系，如果懸掛點(diǎn)位受力太大，則采用懸挑梁+斜拉索的結(jié)構(gòu)體系。最終確定的外挑梁平面編號(hào)如圖9所示，其中1～6為外挑梁B，如圖10（b）所示；7～12為外挑梁A，如圖10（a）所示。經(jīng)計(jì)算最大應(yīng)力比控制在0.7以下。

圖9 外挑梁編號(hào)示意

圖10 外挑梁結(jié)構(gòu)形式

4 升降動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)升降平臺(tái)本體的設(shè)計(jì)參數(shù)，每個(gè)小平臺(tái)需要設(shè)置4組升降動(dòng)力系統(tǒng)，從工效和經(jīng)濟(jì)成本綜合考慮，采用4個(gè)提升卷揚(yáng)機(jī)（50 kN）提供升降平臺(tái)提升和下降的動(dòng)力，4個(gè)卷揚(yáng)機(jī)通過電器控制系統(tǒng)協(xié)同工作，確保平臺(tái)平穩(wěn)安全。卷揚(yáng)機(jī)布置在各區(qū)設(shè)備層的底層，平面布置的原則是確保出繩角度和卷筒與導(dǎo)向滑輪之間的最小距離。典型卷揚(yáng)機(jī)布置立面如圖11所示。

5 升降動(dòng)力系統(tǒng)電器控制設(shè)計(jì)

整體懸掛式升降平臺(tái)系統(tǒng)的電器控制系統(tǒng)主要由總控箱、變頻柜、拉力傳感器、卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩行程傳感器和電路系統(tǒng)等組成。主要通過控制卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩行程傳感器進(jìn)行平臺(tái)升降的同步性控制，通過控制拉力傳感器和理論計(jì)算值的對(duì)比數(shù)據(jù)差異控制平臺(tái)的實(shí)際受力情況。

圖11 卷揚(yáng)機(jī)立面布置示意

為了滿足平臺(tái)控制系統(tǒng)的同步性要求，整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)采取分塊控制的辦法，即將整個(gè)平臺(tái)分成9個(gè)小塊進(jìn)行控制，每個(gè)小塊采用4臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)、4臺(tái)變頻柜和1個(gè)總控箱。其中總控箱控制4臺(tái)變頻柜，變頻柜與卷揚(yáng)機(jī)一一對(duì)應(yīng)。單塊平臺(tái)電器控制系統(tǒng)總組成網(wǎng)絡(luò)如圖12所示。

圖12 單塊平臺(tái)電器控制系統(tǒng)總組成網(wǎng)絡(luò)示意

6 結(jié)語

本文的研究在上海中心大廈主樓外幕墻吊掛鋼結(jié)構(gòu)支撐工程中得到了成功應(yīng)用，不僅確保了外幕墻鋼支撐結(jié)構(gòu)的施工精度和施工工期，基本能夠控制在4 d/層，而且為后道工序的順利實(shí)施提供了極大的保障，外幕墻掛板時(shí)僅需進(jìn)行微調(diào)即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。平臺(tái)的研發(fā)中涵蓋了多種先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，諸如：模塊化、分塊升降、整體固定、同步控制等，極大地保障了整體式升降平臺(tái)在吊掛鋼結(jié)構(gòu)施工中發(fā)揮出最大的功效。同時(shí)，本文的研究必將為今后超高層建筑吊掛鋼結(jié)構(gòu)的施工提供技術(shù)儲(chǔ)備和研發(fā)思路，從而以最小的代價(jià)建造出符合設(shè)計(jì)要求和業(yè)主需求的精品工程[1,2]。