上海大中里高層住宅建造模架裝備整體同步頂升技術(shù)研究*

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

1 上海大中里項(xiàng)目工程概況

上海靜安大中里綜合發(fā)展項(xiàng)目地處上海市靜安區(qū)南京西路、石門一路，包括1 座54 層高249.8 m的T2塔樓。地上標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2 m，非標(biāo)準(zhǔn)層層高有4.3 m、2.4 m 、5.18 m、6.18 m等多種。辦公樓核心筒平面呈長(zhǎng)方形，筒體軸線尺寸約為30 m×18 m，共設(shè)置3 道內(nèi)笁隔墻。平面內(nèi)主要包含電梯井、衛(wèi)生間、消防樓梯和管道井等。

辦公樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。其核心筒結(jié)構(gòu)由核心筒筒壁、核心筒內(nèi)墻（包括暗柱）、梁和板組成。核心筒筒壁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。核心筒墻體平面有一次變化，15 個(gè)典型平面（外墻收分）。核心筒分別在21夾F、38F設(shè)置2 道伸臂桁架層，桁架沿外墻面貫通。核心筒筒壁厚度地上部分最厚為1 500 mm，內(nèi)墻厚度為400 mm 。隨著高度變化，墻體厚度逐步減少。核心筒墻體的施工采用鋼柱筒架交替支撐式液壓爬升整體鋼平臺(tái)模架裝備。

2 同步頂升系統(tǒng)設(shè)計(jì)[1-6]

2.1 液壓頂升系統(tǒng)

液壓同步頂升技術(shù)采用計(jì)算機(jī)控制，全自動(dòng)完成同步頂升、負(fù)載均衡、姿態(tài)校正、應(yīng)力控制、操作閉鎖、過程顯示和故障報(bào)警燈多種功能，是集機(jī)、電、液、傳感器、計(jì)算機(jī)和控制理論于一體的現(xiàn)代化先進(jìn)設(shè)備。

液壓頂升系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)液壓系統(tǒng)同步工作，保證頂升作業(yè)的順利完成。液壓系統(tǒng)由承重設(shè)備、液壓油缸、液壓閥組、泵站和管路等構(gòu)成。其中，液壓泵站是頂升的動(dòng)力，它的性能和可靠性對(duì)整個(gè)頂升工作至關(guān)重要。在液壓系統(tǒng)中，采用比例同步技術(shù)，可以有效提高整個(gè)系統(tǒng)的同步調(diào)節(jié)功能。

整個(gè)頂升系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)來控制，系統(tǒng)作業(yè)過程中的測(cè)定數(shù)據(jù)通過傳感器采集并傳送到計(jì)算機(jī)上。通過數(shù)據(jù)分析，并進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)，可以控制液壓油缸工作的同步性，及時(shí)進(jìn)行偏差處理，提高了施工的安全性和自動(dòng)化水平。

通過對(duì)本項(xiàng)目的具體分析，工程采用液壓頂升油缸和牛腿頂推油缸2 種規(guī)格。液壓頂升油缸（圖1）是整個(gè)模架裝備頂升的動(dòng)力設(shè)備，設(shè)計(jì)中采用雙耳環(huán)連接，油缸兩端安裝有安全閥，為了增加油缸承受側(cè)向力能力，在油缸內(nèi)部均安裝有支撐環(huán)，并且在油缸兩端的連接處，安裝關(guān)節(jié)軸承，可以允許連接有一定角度的擺動(dòng)。當(dāng)油缸行程小于其最大行程的90%時(shí)，油缸可以承受其承載力10%的側(cè)向力。共需油缸48 只（含備件4 只），具體參數(shù)為：額定工作負(fù)載200 kN，工作行程600 mm，缸筒外徑600 mm，最大工作壓力32 MPa，安裝間矩1 100 mm。

牛腿頂推油缸是用來自動(dòng)控制牛腿的伸縮，當(dāng)整個(gè)模架裝備工作時(shí)，牛腿擱置在核心筒墻體上，模架裝備上的荷載通過牛腿傳遞到核心筒墻體上；當(dāng)模架裝置處于爬升狀態(tài)時(shí)，通過牛腿頂推油缸的回縮控制牛腿收縮，牛腿處于架空狀態(tài)。牛腿頂推油缸共需32 只（含備件4 只），參數(shù)為：額定工作荷載20 kN，工作行程430 mm，缸筒外徑65 mm，最大工作壓力12 MPa，油缸本體高度668 mm。

圖1 頂升油缸加工示意

2.2 同步控制系統(tǒng)

模架裝備的同步控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)不同油缸的同步協(xié)同工作，并能控制油缸頂升過程中的偏差在允許范圍內(nèi)；當(dāng)頂升點(diǎn)的頂升力相差較大時(shí)，通過調(diào)節(jié)油缸的頂升速度使頂升力趨于均衡，對(duì)在操作過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行有效采集、儲(chǔ)存和分析。

控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。計(jì)算機(jī)是控制過程的核心，通過計(jì)算機(jī)發(fā)出指令到電氣系統(tǒng)來控制液壓系統(tǒng)的工作。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)、分析系統(tǒng)；電氣控制系統(tǒng)包括：中央控制系統(tǒng)、總電氣柜、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、泵站控制箱、供配電線路、自動(dòng)檢測(cè)和信號(hào)顯示系統(tǒng)。

本項(xiàng)目中控制系統(tǒng)是采用PLC控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)通過增加組態(tài)軟件和數(shù)據(jù)采集卡，以及電腦來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)上位機(jī)的監(jiān)控。系統(tǒng)包含工控機(jī)、組態(tài)軟件和數(shù)據(jù)采集卡、觸摸屏。原理如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)

PC (工控機(jī))具有高抗振性和抗沖擊性，并配有恒溫控制風(fēng)扇，可使工作溫度處于安全范圍之內(nèi)，從而大大提高監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。組態(tài)軟件通過數(shù)據(jù)采集卡來實(shí)現(xiàn)PC與工業(yè)總線的連接和采集總線上的數(shù)據(jù)，便于操作人員控制整個(gè)系統(tǒng)，并實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。觸摸屏用于輸出控制指令給PLC，來控制整個(gè)同步頂升系統(tǒng)的指令發(fā)布。并同時(shí)具有監(jiān)測(cè)功能，實(shí)時(shí)顯示各點(diǎn)的壓力和位移數(shù)據(jù)。

PC 除了具有觸摸屏所有的顯示功能外，還可以對(duì)整個(gè)頂升過程進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，并以曲線顯示整個(gè)頂升過程的數(shù)據(jù)變化，最終可以文檔表格形式進(jìn)行存儲(chǔ)。

2.3 系統(tǒng)同步控制方案

模架裝備通過工控機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)放指令、信號(hào)顯示、運(yùn)行狀態(tài)和通訊聯(lián)絡(luò)的綜合控制?？刂七^程中既可以根據(jù)事先設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，也能實(shí)時(shí)進(jìn)行手動(dòng)控制?？刂浦饕ㄎ灰瓶刂?、荷載控制、位移和荷載雙向控制、監(jiān)測(cè)控制和數(shù)據(jù)分析控制。

（a）位移控制：在系統(tǒng)工作之前，先確定一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，其他測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間的相對(duì)位移作為控制指標(biāo)，當(dāng)指標(biāo)超出特定值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并發(fā)出相應(yīng)指令來調(diào)節(jié)誤差。

（b）荷載控制：頂升點(diǎn)在頂升過程中，受到各種因素的影響，頂升力可能會(huì)有偏差，當(dāng)偏差大于允許范圍時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。這時(shí)，需要啟動(dòng)液壓裝備來調(diào)節(jié)頂升力趨于均衡。

（c）位移和荷載雙向控制：在系統(tǒng)工作中，根據(jù)工程特點(diǎn)和控制目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行雙向控制，以位移控制為主，荷載控制為輔。這種控制可以同步控制不同點(diǎn)之間的高差和荷載趨于一致。

（d）監(jiān)測(cè)控制：主要包括：系統(tǒng)正常工作狀態(tài)、參數(shù)、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示；位移和荷載偏差的監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)發(fā)布指令和接受信息狀態(tài)等。

（e）數(shù)據(jù)分析控制：通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以圖標(biāo)、曲線等不同的方式顯示出來，供操作人員了解整個(gè)頂升過程。還可以設(shè)定模型和參數(shù)，對(duì)頂升過程進(jìn)行預(yù)演，輔助技術(shù)人員制定最佳頂升方案。

2.4 頂升點(diǎn)的布置

在模架裝備同步頂升施工方案中，確定合理的頂升點(diǎn)數(shù)量和位置是非常重要，這將關(guān)系到頂升過程中整個(gè)模架裝備的安全性、適應(yīng)性、可靠性和穩(wěn)定性。在確定頂升點(diǎn)位置和數(shù)量前，先要計(jì)算裝備在頂升過程中的荷載，確定頂升油缸規(guī)格和型號(hào)，計(jì)算出所需頂升油缸數(shù)量，然后根據(jù)裝備的特點(diǎn)和荷載分布情況均勻布置頂升點(diǎn)。

根據(jù)本工程的特點(diǎn)和受力情況，共布置22 個(gè)頂升點(diǎn)，頂升點(diǎn)位置和分布如下圖3所示。

圖3 頂升點(diǎn)布置

3 同步頂升計(jì)算分析

本文通過有限元軟件Midas Gen對(duì)模架裝備進(jìn)行了整體建模數(shù)值模擬，計(jì)算項(xiàng)目包括架體的應(yīng)力、變形以及支座反力。模架裝備頂升過程中荷載主要包括：模架裝備自重、頂升操作人員荷載、 機(jī)房自重和8 級(jí)風(fēng)荷載。

依據(jù)模架裝備體系設(shè)計(jì)思路，在保證模架裝備具有一定的變形協(xié)調(diào)能力以及滿足承載力要求的思路上，設(shè)計(jì)模架裝備受力體系為：由柱子與其間連梁剛接形成類格構(gòu)柱，柱子兩端與頂層及底層鋼大梁鉸接，組成模架裝備的主要抗側(cè)向彎矩構(gòu)件。

爬升過程中，由與模架裝備固定的導(dǎo)軌支撐整個(gè)模架裝備，牛腿架空，實(shí)現(xiàn)受力體系轉(zhuǎn)化后完成提升作業(yè)，提升過程完成后，牛腿撐牢，導(dǎo)軌架空。

模架裝備三維有限元模型見圖4、圖5，圖4為屋面層以下整體模型，圖5為屋面層以上拆分后剩余部分模型。

圖4 模架裝備整體結(jié)構(gòu)模型示意

圖5 模架裝備拆分后模型示意

3.1 整體模架裝備頂升受力分析

模架裝備頂升階段共使用22 只油缸，油缸最大載荷為400 kN，總載荷能力為8 800 kN，滿足提升過程中的能力要求。鋼平臺(tái)提升過程中要嚴(yán)格控制活荷載量值及布置區(qū)域，禁止提升過程中出現(xiàn)活荷載集中布置，以保證鋼平臺(tái)提升過程中頂升裝備不超載。

對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為最大應(yīng)力142.6 MPa，主要出現(xiàn)在導(dǎo)軌與鋼平臺(tái)交接處，因此在做節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)該部分節(jié)點(diǎn)予以加強(qiáng)。結(jié)構(gòu)最大豎向變形發(fā)生在懸挑較大部位，變形最大理論計(jì)算值約7.7 mm，位于背風(fēng)面角部。鋼平臺(tái)爬升導(dǎo)軌反力，豎向最大值約327.8 kN；水平向最大值約15.4 kN，發(fā)生在平臺(tái)中央位置導(dǎo)軌。

施工過程中當(dāng)風(fēng)力達(dá)到7 級(jí)時(shí)將停止提升，而且模架裝備與混凝土核心筒之間設(shè)附墻滑輪，滑輪與模架裝備之間通過強(qiáng)力彈簧頂緊，以抵抗水平風(fēng)載的影響，所以實(shí)際變形小于計(jì)算值，結(jié)構(gòu)具備足夠的安全儲(chǔ)備。

3.2 拆分后模架裝備頂升受力分析

拆分后共使用13 只油缸，油缸最大載荷為400 kN，總載荷能力為5 200 kN，滿足提升過程中的能力要求。模架裝備提升過程中要嚴(yán)格控制活荷載量值及布置區(qū)域，禁止提升過程中出現(xiàn)活荷載集中布置，以保證鋼平臺(tái)提升過程中頂升設(shè)備不超載。

對(duì)拆分后結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，最大應(yīng)力為141.5 MPa，主要出現(xiàn)在導(dǎo)軌與鋼平臺(tái)交接處，因此，要對(duì)該部分節(jié)點(diǎn)予以加強(qiáng)。結(jié)構(gòu)最大豎向變形發(fā)生在懸挑較大部位，變形最大理論計(jì)算值約7.05 mm，位于背風(fēng)面角部。8 級(jí)風(fēng)作用下鋼平臺(tái)迎風(fēng)向，最大水平位移反應(yīng)約為40.4 mm。鋼平臺(tái)爬升導(dǎo)軌反力，豎向最大值約282.1 kN，水平向最大值約16.9 kN，發(fā)生在平臺(tái)中央位置導(dǎo)軌。

3.3 導(dǎo)軌立柱受力分析

當(dāng)模架裝備處于頂升階段時(shí)，提升導(dǎo)軌立柱最大懸臂長(zhǎng)度為8.5 m，立柱約束類似于一端固結(jié)、一端自由的情況，所以立柱的計(jì)算長(zhǎng)度是最大懸臂長(zhǎng)度的2 倍為17 m。提升過程中立柱最大支座反力為327.8 kN。

通過手算對(duì)導(dǎo)軌立柱的整體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性、導(dǎo)軌及下面混凝土的局壓進(jìn)行驗(yàn)算，全部滿足規(guī)范要求。

4 同步頂升故障處理措施

模架裝備在同步頂升過程中，可能出現(xiàn)的故障主要有液壓頂升裝備漏油，泵站停止工作、漏油，油管損壞，控制系統(tǒng)故障，傳感器無信號(hào)等。當(dāng)出現(xiàn)故障后，要及時(shí)進(jìn)行檢查，看電源是否正常，閥門開閉情況，智能控制系統(tǒng)是否正常。針對(duì)問題，盡快確定故障原因，并進(jìn)行相關(guān)處理。故障排除后，在正常頂升工作前要進(jìn)行預(yù)頂升。

5 結(jié)語

鋼柱筒架交替支撐式液壓爬升整體鋼平臺(tái)模架裝備在施工中的優(yōu)勢(shì)日益凸顯。其中，同步控制技術(shù)是關(guān)鍵，同步控制系統(tǒng)是模架裝備優(yōu)點(diǎn)能否發(fā)揮的重要前提。以上海大中里項(xiàng)目為背景，系統(tǒng)介紹了模架裝備的同步控制技術(shù)。結(jié)果表明，通過合理設(shè)計(jì)，同步控制技術(shù)能發(fā)揮很好的作用。同步控制技術(shù)在模架裝備上的成功運(yùn)用，為其他模架施工裝備在這方面的工作提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。