水泥預(yù)熱器混凝土框剪結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)與施工研究

孫小永，遲大亮，陶瑛，李明，王暉

1 前言

當(dāng)前水泥業(yè)主對(duì)水泥項(xiàng)目結(jié)構(gòu)工程的要求日趨多元化，如某水泥項(xiàng)目應(yīng)業(yè)主要求，預(yù)熱器采用傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，而當(dāng)前水泥行業(yè)中普遍采用的是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案較之混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案更易于施工組織與設(shè)備安裝，且項(xiàng)目建設(shè)期短。因此，如何在滿足業(yè)主要求的前提下，創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，優(yōu)化施工方案，提升項(xiàng)目效益是我們當(dāng)前應(yīng)重點(diǎn)研究的問題。

結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)方案的選擇對(duì)水泥EPC項(xiàng)目的整體建設(shè)周期有很大影響，應(yīng)從設(shè)計(jì)方案源頭著手，對(duì)設(shè)計(jì)理念進(jìn)行創(chuàng)新，以先進(jìn)的施工工藝引導(dǎo)設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)推動(dòng)施工工法創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與施工的有機(jī)結(jié)合，提升項(xiàng)目整體效益。

2 設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新

在水泥工程項(xiàng)目中，預(yù)熱器整體建筑高度一般在100～120m，受工藝影響樓層層高一般在10～15m之間，個(gè)別跨度較大。我們決定從以下三個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新。

2.1 施工引導(dǎo)設(shè)計(jì)

2.1.1 當(dāng)前高層建筑施工工法分析

在設(shè)計(jì)方案研討及確定前，應(yīng)結(jié)合當(dāng)前成熟、先進(jìn)的施工工藝，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型進(jìn)行分析、論證，從設(shè)計(jì)源頭進(jìn)行控制，使結(jié)構(gòu)易于施工，利于將藍(lán)圖轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)體。

高層建筑常用施工工法見表1。通過對(duì)表1中高層建筑對(duì)應(yīng)施工工法的分析及篩選，第3、4項(xiàng)滑模及爬模工藝較適用于預(yù)熱器結(jié)構(gòu)的施工。

2.1.2 預(yù)熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在預(yù)熱器結(jié)構(gòu)初設(shè)階段應(yīng)使其結(jié)構(gòu)滿足滑模及爬模工藝施工工法的施工需求。

表1 高層建筑常用施工工法

（1）結(jié)構(gòu)初設(shè)階段

結(jié)合預(yù)熱器工藝布置要求，15.25m以下作為空壓機(jī)站及電氣室使用，樓板仍采用混凝土樓板；15.25m以上樓層內(nèi)部樓板采用組合樓板，以滿足爬模/滑模施工工藝要求。

建筑物外墻采用框剪結(jié)構(gòu)，使其更適合滑模/爬模施工工藝要求。

由工藝人員審核布置方案，最終確定預(yù)熱器結(jié)構(gòu)初設(shè)方案，初設(shè)詳細(xì)參數(shù)見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)初設(shè)詳細(xì)參數(shù)

（2）詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

在初設(shè)的基礎(chǔ)上，收集各類資料，開展結(jié)構(gòu)建模的詳細(xì)設(shè)計(jì)工作。

2.2 設(shè)計(jì)推動(dòng)施工工法創(chuàng)新

完成結(jié)構(gòu)初設(shè)方案并不代表設(shè)計(jì)方案及施工方案已完全確認(rèn)并定型，需對(duì)初設(shè)方案進(jìn)行詳細(xì)的再論證工作，并結(jié)合再論證結(jié)論修正設(shè)計(jì)及施工方案，必要時(shí)需對(duì)工法進(jìn)行變革。

在本項(xiàng)目中，經(jīng)2.1部分論述，在結(jié)構(gòu)初設(shè)時(shí)已使豎向剪力墻、柱滿足滑模、爬模施工工藝要求，但部分梁、板等水平構(gòu)件仍需設(shè)定施工方案。本項(xiàng)目施工由滑模、爬模構(gòu)成的主施工和由梁、板構(gòu)成的附屬施工兩部分組成。

方案再論證內(nèi)容見圖2，通過分析及再論證可以確認(rèn)采用爬模工藝更為科學(xué)合理，且為滿足水泥項(xiàng)目的特點(diǎn)對(duì)梁部位的施工工藝進(jìn)行了專項(xiàng)開發(fā)。

2.3 設(shè)計(jì)與施工相結(jié)合

通過以上分析可以看出，設(shè)計(jì)與施工是相輔相成的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)先進(jìn)、科學(xué)以及利于項(xiàng)目屬地（針對(duì)于國際工程）的施工工藝的實(shí)施；同時(shí)，應(yīng)創(chuàng)新與開發(fā)具有水泥項(xiàng)目特色的施工工藝，以設(shè)計(jì)推動(dòng)施工工法的革新，從而提升項(xiàng)目的綜合效益。

3 預(yù)熱器框剪結(jié)構(gòu)施工方案的整體設(shè)定、論證及開發(fā)定型

3.1 主爬模工藝設(shè)定

在初步論證及再論證的基礎(chǔ)上，確定預(yù)熱器施工的主爬模工藝，使其滿足剪力墻及柱的施工要求。

3.1.1 分區(qū)域布置

根據(jù)預(yù)熱器剪力墻及柱布置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)爬模架體進(jìn)行分區(qū)布置，重點(diǎn)考慮如下因素：

（1）剪力墻及柱陰陽轉(zhuǎn)角處平臺(tái)斷開，避免架體變形。

（2）結(jié)合人員通道和混凝土澆筑需求，將上部通道進(jìn)行必要的連通。

3.1.2 爬模機(jī)位布置

圖2 方案再論證

（1）機(jī)位布置空間要求：由下至上混凝土連續(xù)、貫通，具有500mm以上寬度。

（2）機(jī)位間間距要求：通常掛點(diǎn)間距應(yīng)＜5m，因本項(xiàng)目特點(diǎn)，梁跨距＞5m，需通過加大鋼梁、桁架方式進(jìn)行連接。

（3）爬升能力計(jì)算：根據(jù)各層平臺(tái)荷載值，計(jì)算爬升機(jī)位數(shù)量及布置位置，經(jīng)計(jì)算，最終布置36個(gè)機(jī)位。分區(qū)控制模塊及爬模機(jī)位布置見圖3。

3.1.3 模板配置計(jì)算

根據(jù)爬模特點(diǎn)，柱及剪力墻豎向連續(xù)性構(gòu)件側(cè)向模板固定于模架主平臺(tái)之上，需進(jìn)行平面及高度布置。

（1）模板平面布置：主要由構(gòu)件尺寸決定，其側(cè)模固定于架體上，柱及剪力墻端部模板則用塔吊輔助安裝。

（2）模板高度主要由樓層高度及每層施工次數(shù)確定，本項(xiàng)目擬定每樓層倒模次數(shù)≯4次，即梁1次+柱/剪力墻≯3次，經(jīng)綜合計(jì)算，模板配合高度以4.5m為宜。

3.2 梁部位施工工藝的設(shè)定

3.2.1 梁底支設(shè)方式設(shè)定

前2.2項(xiàng)中已分析，采用搭設(shè)傳統(tǒng)腳手架支撐梁底方式無法滿足水泥項(xiàng)目預(yù)熱器結(jié)構(gòu)施工需求，需進(jìn)行專項(xiàng)創(chuàng)新開發(fā)工作。經(jīng)分析，梁底支設(shè)采用如下方式，具體方案設(shè)定如下：

（1）采用鋼梁作為梁底支撐，規(guī)避腳手架作業(yè)。

（2）混凝土柱、剪力墻側(cè)面設(shè)置牛腿，與鋼梁連接，承擔(dān)梁施工荷載。

（3）輔助支撐有獨(dú)立支撐及斜支撐兩種設(shè)置方式，根據(jù)梁跨度及梁高確定是否設(shè)置獨(dú)立支撐；根據(jù)梁跨及梁底鋼梁選型確定是否設(shè)置梁底斜支撐。

（4）梁底支設(shè)方式見圖4。

3.2.2 梁施工工藝及設(shè)備專項(xiàng)開發(fā)

（1）通用部件的開發(fā)

通用部件包括牛腿及調(diào)整件兩部分，具體形式見圖5。

圖3 分區(qū)控制模塊及爬模機(jī)位布置

圖4 梁底支設(shè)方式

圖5 通用部件設(shè)置方式

牛腿設(shè)置方式：引入當(dāng)前先進(jìn)的預(yù)埋技術(shù)，對(duì)牛腿設(shè)置方式進(jìn)行專項(xiàng)開發(fā)。新方法既降低了施工難度，又提升了牛腿的周轉(zhuǎn)率，經(jīng)初步估算，周轉(zhuǎn)后單組牛腿成本不到20元/套。

調(diào)整件的開發(fā)：更改建筑中常采用的螺旋頂撐方式，在個(gè)別部位采用千斤頂作為支撐調(diào)整件，提升拆裝速度。

（2）短跨度梁

因長軸向短跨梁梁兩側(cè)均有爬模架體，若能充分利用爬模架體進(jìn)行梁底模及側(cè)模安裝拆除施工，則既可提升施工效率，減少塔吊占用率，又可降低安全風(fēng)險(xiǎn)。模架的專項(xiàng)開發(fā)內(nèi)容如下：

模改1：在上層模架上掛裝梁側(cè)模模板，利用電動(dòng)葫蘆或手動(dòng)葫蘆進(jìn)行梁模板側(cè)模拆裝工作。

模改2：梁部位內(nèi)側(cè)主平臺(tái)位置爬架距離墻體由200mm移至600～700mm（由梁底模厚度決定）。

通過以上改裝可實(shí)現(xiàn)，利用上部電動(dòng)葫蘆整體拆裝梁底模及梁側(cè)模至上層平臺(tái)。改造后，模板拆裝工作更為簡便，操作流程更為合理，短跨度梁模改示意圖見圖6。

圖6 短跨度梁模改示意圖

（3）跨度12.6m梁

本項(xiàng)目短軸方向的12.6m跨度梁，是本方案設(shè)定的一個(gè)難點(diǎn)，其施工設(shè)計(jì)方案由水泥工藝特點(diǎn)及項(xiàng)目綜合效益點(diǎn)決定。對(duì)該12.6m跨度梁的施工方案的專項(xiàng)開發(fā)，其開發(fā)程序及設(shè)定要素見圖7。

a獨(dú)立頂撐

獨(dú)立頂撐采用型鋼格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，參照塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，保證整體支撐承載力。

頂部連接件設(shè)置從滿足穩(wěn)定性要求和滿足分節(jié)快拆體系兩方面考慮，此點(diǎn)作為本次創(chuàng)新開發(fā)關(guān)鍵點(diǎn)，在混凝土強(qiáng)度達(dá)到75%時(shí)即可實(shí)現(xiàn)模板分段拆除。此處首創(chuàng)在頂部設(shè)置三組獨(dú)立頂撐系統(tǒng)，將12.6m跨度梁分割成“2大跨+1小跨”模式，將梁跨度限定在8m范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)大跨度梁在混凝土強(qiáng)度為75%時(shí)即可拆模；同時(shí)，考慮到梁支設(shè)的整體穩(wěn)定性和提升調(diào)節(jié)行程，獨(dú)立頂撐上部采用傳統(tǒng)U型頂托作為調(diào)整件。頂部支撐設(shè)置方式見圖8。

底部連接設(shè)置也是從穩(wěn)定性及快速拆除易于周轉(zhuǎn)使用兩方面考慮。為滿足以上兩方面要求，底部連接采用了預(yù)埋螺栓及銷栓固定相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)置。

為便于施工過程中的安裝拆除及安全工作，結(jié)合安裝拆除時(shí)間合理設(shè)置施工通道。根據(jù)當(dāng)?shù)販囟燃皾穸惹闆r，75%強(qiáng)度按照7d進(jìn)行考慮，100%強(qiáng)度按照14d進(jìn)行考慮。該12.6m跨度梁兩側(cè)模板可與短跨梁同期拆除，而獨(dú)立頂撐及對(duì)應(yīng)的小段模板將在上層梁澆筑完成后（預(yù)計(jì)16d）進(jìn)行拆除及周轉(zhuǎn)。為滿足施工通道及整體拆裝需求，需在獨(dú)立頂撐內(nèi)部設(shè)置上下直爬梯。

b配套模板

為滿足以上大跨度梁分節(jié)快拆體系要求，除對(duì)以上獨(dú)立頂撐進(jìn)行三組獨(dú)立頂撐開發(fā)外，仍需對(duì)配套模板進(jìn)行相應(yīng)配置。

牛腿：調(diào)整件獨(dú)立頂撐自帶牛腿（不計(jì)），而梁側(cè)墻仍采用周轉(zhuǎn)掛裝式牛腿。

調(diào)整件：獨(dú)立頂撐調(diào)節(jié)件因涉及到梁中部穩(wěn)定性以及保證后續(xù)獨(dú)立頂撐拆除向上移動(dòng)的整體行程，故采用傳統(tǒng)式螺旋頂撐，梁側(cè)墻處則采用千斤頂頂撐。

模板分段與獨(dú)立頂撐三組頂撐件配套，底部支撐鋼梁及模板采用分節(jié)分段設(shè)置，具體見圖9。

圖7 開發(fā)程序及設(shè)定要素

3.3 施工方案最終定型

在主爬模工藝以及從屬梁的施工工藝最終定型前，仍需考慮兩種施工工藝是否相互沖突以及施工是否配套的問題。

3.3.1 兩種施工工藝沖突性

由兩種施工工藝不難看出，在梁底拆除預(yù)設(shè)7d的情況下，爬模底層掛架已經(jīng)高出梁兩端的牛腿位置（尤其是12.6m大梁位置），對(duì)拆除不利，需適當(dāng)加長爬模下部吊架。經(jīng)計(jì)算，以加長1.8～2.2m為宜。

對(duì)于柱及剪力墻間的短跨度梁，考慮梁模板拆除便利性，宜將底部吊架貫通，同時(shí)也可適當(dāng)減少爬模各層架體之間的上下爬梯。

3.3.2 施工配套

圖8 頂部支撐設(shè)置方式

圖9 配套梁底支撐鋼梁及模板分段示意圖

除以上主施工工藝及附屬施工工藝研究和設(shè)定外，為保證施工有序，還需進(jìn)行相應(yīng)的施工配套準(zhǔn)備，如配套塔吊、混凝土輸送及澆筑、上人通道、吊裝工具以及對(duì)應(yīng)爬模的專用施工工具準(zhǔn)備。在此僅敘述混凝土輸送與澆筑考慮、專用吊裝工具及爬模專用工具三方面。

（1）混凝土輸送與澆筑

受預(yù)熱器結(jié)構(gòu)型式及高度限制，本項(xiàng)目采用混凝土地泵+布料機(jī)進(jìn)行混凝土布料。在爬模頂部架體上設(shè)置兩個(gè)臂長18m的固定混凝土布料機(jī)，布料機(jī)布置見圖10。

圖10 布料機(jī)布置

圖11 整體施工流程安排

（2）專用吊裝工具及爬模專用工具

對(duì)12.6m跨度梁及相應(yīng)的獨(dú)立頂撐系統(tǒng)，其拆除工具按照臺(tái)模拆除工具進(jìn)行開發(fā)，同時(shí)項(xiàng)目應(yīng)配備爬模專用工具，如爬錐卸具及棘輪扳手。

3.3.3 確定整體施工流程控制

以上工作完成后，該施工工藝工法可予以整理定型，并安排總體施工作業(yè)流程，具體見圖11。

4 結(jié)語

對(duì)本項(xiàng)目的預(yù)熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，在設(shè)計(jì)之初通過合理引入先進(jìn)施工工藝，達(dá)到了用施工引導(dǎo)設(shè)計(jì)的效果。同時(shí)，設(shè)計(jì)也推動(dòng)了施工工法的變革，不僅大幅降低了項(xiàng)目整體投入，而且提高了施工操作的安全性，施工作業(yè)更趨簡便，施工效率更高，做到了設(shè)計(jì)與施工的有機(jī)結(jié)合，也有利于國際工程的屬地化實(shí)施。