液壓整體提升及下降技術(shù)在高空大跨度鋁合金網(wǎng)殼施工中的應(yīng)用

袁 鼎 羅建冬

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 工程概況

拉斐爾云廊項(xiàng)目位于上海市松江區(qū)臨港漕河涇產(chǎn)業(yè)園，是在11棟已建的78.4 m高塔樓群之上安裝一個(gè)單層的波浪形鋁合金曲面網(wǎng)殼屋蓋。云廊（一期）長(zhǎng)約736 m、寬約126 m，投影面積達(dá)86 000 m2，總質(zhì)量為8 686.37 t，是全球最大的鋁合金網(wǎng)殼屋蓋（圖1）。

圖1 云廊整體效果圖

云廊為金屬桿件四邊形格構(gòu)形成的不規(guī)則波浪形的單層曲面網(wǎng)格殼體[1-6]，12個(gè)波峰與10個(gè)波谷自然流動(dòng)成形；波峰主要集中于10棟塔樓之上，最高點(diǎn)相對(duì)標(biāo)高103 m；波谷主要集中在樓宇間，最低點(diǎn)相對(duì)標(biāo)高86 m；檐口齊平，標(biāo)高為92.8 m。邊梁及受力較大區(qū)域的網(wǎng)殼構(gòu)件采用鋼構(gòu)件，其余區(qū)域的網(wǎng)殼構(gòu)件均為鋁合金構(gòu)件。屋蓋含四邊形格構(gòu)單元7 779個(gè)，其中1 784個(gè)單元上安裝太陽(yáng)能光伏發(fā)電模塊，結(jié)合輻照分析，以塔樓頂部為中心向四周發(fā)散。

2 施工方案選擇

云廊覆蓋11棟塔樓及其裙房、高低連廊等，場(chǎng)況復(fù)雜，施工階段總共分成30個(gè)分區(qū)（圖2）。其中，施工難度最大的是南側(cè)塔樓之間的P區(qū)域，投影范圍內(nèi)為各異的4層矮裙房結(jié)構(gòu)，單個(gè)P區(qū)域面積最大為5 000 m2，最大間距為134 m、最小間距為78 m，寬約55 m。該區(qū)域網(wǎng)殼質(zhì)量約70 kg/m2，網(wǎng)殼高低起伏不一，最低點(diǎn)相對(duì)標(biāo)高86 m、最高點(diǎn)相對(duì)標(biāo)高103 m。

在方案設(shè)計(jì)初期，針對(duì)P區(qū)域跨度大、高度高、無(wú)支撐的特點(diǎn)，提出了3種網(wǎng)殼安裝的施工方案：

圖2 云廊施工分區(qū)平面布置

方案一：搭設(shè)滿堂支撐架高空散裝。

方案二：采用雙幅式正交桁架作為豎向及橫向支撐，采用吊裝的施工方法自地面安裝至塔樓屋面高度，然后再在上部設(shè)置與網(wǎng)殼匹配的臨時(shí)支撐系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)殼單元塊吊裝，待完成網(wǎng)殼安裝后，通過(guò)大型起重設(shè)備高空拆除所有措施結(jié)構(gòu)。

方案三：根據(jù)網(wǎng)殼模數(shù)設(shè)計(jì)臨時(shí)措施鋼平臺(tái)，結(jié)合吊裝以及液壓整體提升的工藝進(jìn)行措施鋼平臺(tái)的搭建。措施鋼平臺(tái)上部可設(shè)置臨時(shí)支撐，進(jìn)行網(wǎng)殼單元塊的吊裝和固定，最后通過(guò)液壓整體下降工藝將措施鋼平臺(tái)下降至原拼裝胎架上進(jìn)行拆除。

百米高的滿堂腳手架搭設(shè)代價(jià)巨大，且投影區(qū)域的頂板承載力難以滿足要求，故不予考慮；采用傳統(tǒng)的吊裝施工方案，在百米高空中施工風(fēng)險(xiǎn)大，對(duì)起重設(shè)備要求高，且對(duì)網(wǎng)殼吊裝分塊面積要求較高，施工階段將產(chǎn)生較大的施工應(yīng)力；采用液壓整體提升及下降的工藝進(jìn)行措施鋼平臺(tái)的搭拆，可以降低施工的難度及風(fēng)險(xiǎn)，但鋼平臺(tái)跨度較大，設(shè)計(jì)高度達(dá)7 m，施工難度大。

針對(duì)P區(qū)域的網(wǎng)殼施工，結(jié)合方案二、方案三，綜合考慮如下：

1）措施鋼平臺(tái)裝拆：P區(qū)域居中對(duì)稱加設(shè)6個(gè)自地面升起的格構(gòu)式臨時(shí)支撐塔架以減小鋼平臺(tái)跨度，大大降低了鋼平臺(tái)的設(shè)計(jì)及施工難度，鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)高度由7 m降為3 m；以塔樓框架柱和新增塔架作為鋼平臺(tái)提升及下降的承重結(jié)構(gòu)，采用液壓整體提升和下降工藝進(jìn)行措施結(jié)構(gòu)的安裝和拆除，避免了措施結(jié)構(gòu)拆除階段在網(wǎng)殼和鋼平臺(tái)之間吊裝的復(fù)雜工況，同時(shí)在地面胎架上拼裝大大減少了高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

2）網(wǎng)殼安裝：經(jīng)復(fù)核驗(yàn)算，網(wǎng)殼采用9 m×9 m的九宮格單元塊進(jìn)行吊裝，施工應(yīng)力較小，施工精度可得到保證。

3 施工技術(shù)路線

本工程P區(qū)域采用高空搭設(shè)措施鋼平臺(tái)的方案進(jìn)行網(wǎng)殼安裝，主要可劃分為以下3個(gè)施工階段：

1）措施鋼平臺(tái)及網(wǎng)殼支撐系統(tǒng)的搭建。措施鋼平臺(tái)以投影范圍內(nèi)的裙房頂高度為基準(zhǔn)（標(biāo)高都在20 m左右）設(shè)置拼裝胎架進(jìn)行低空拼裝，同步進(jìn)行輔助提升的措施結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)殼格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)的安裝，全部安裝就位后，采用液壓整體提升工藝將鋼平臺(tái)整體提升至塔樓屋面高度[4-6]，具體施工流程為：提升方案的確定與設(shè)計(jì)→新增提升支撐塔架安裝→塔樓外伸反力架安裝及原結(jié)構(gòu)加固→鋼平臺(tái)低空拼裝→上部格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)安裝→提升設(shè)備的安裝與調(diào)試→鋼平臺(tái)整體提升→連接轉(zhuǎn)換終固→補(bǔ)完上部格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)。

2）網(wǎng)殼安裝與卸載。受限于提升塔架、鋼結(jié)構(gòu)樹狀柱等結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼在提升前無(wú)法安裝形成整體。因此，網(wǎng)殼待鋼平臺(tái)提升就位后采用兩側(cè)塔樓的平臂固定式塔吊進(jìn)行九宮格單元吊裝。待兩側(cè)塔樓區(qū)域網(wǎng)殼安裝完成并與鋼結(jié)構(gòu)樹狀柱焊接形成整體后，選擇P區(qū)域鋼桿件較多的位置搭設(shè)一連橋?qū)?棟塔樓連接起來(lái)，網(wǎng)殼以此連橋?yàn)榛鶞?zhǔn)向兩側(cè)延伸安裝，安裝完成后根據(jù)方案要求分區(qū)域、分階段進(jìn)行同步卸載，具體施工流程為：兩側(cè)塔樓網(wǎng)殼安裝完成→搭建連橋→延伸安裝→整體成形→附屬結(jié)構(gòu)安裝→等待卸載→同步卸載。

3）措施結(jié)構(gòu)拆除。網(wǎng)殼及其附屬結(jié)構(gòu)安裝完成后，進(jìn)行措施結(jié)構(gòu)的拆除。P區(qū)域措施鋼平臺(tái)采用液壓整體下降至拼裝胎架上進(jìn)行拆除，具體施工流程為：拆除妨礙提升的措施結(jié)構(gòu)→鋼平臺(tái)整體下降→提升支撐塔架拆除→鋼平臺(tái)低空拆除。

4 措施鋼平臺(tái)及網(wǎng)殼支撐系統(tǒng)的搭建

4.1 措施鋼平臺(tái)概況及搭建

P區(qū)域措施鋼平臺(tái)最長(zhǎng)134 m、寬57 m，主要由8榀對(duì)稱布置的平面桁架組成（圖3）。鋼平臺(tái)桁架高3 m，主要型材為HW400 mm×400 mm×13 mm×21 mm型鋼、φ325 mm×12 mm鋼管、□400 mm×400 mm×16 mm×16 mm方鋼等，鋼平臺(tái)凈重約750 t，上部支撐網(wǎng)殼安裝的格構(gòu)柱系統(tǒng)約200 t，合計(jì)提升質(zhì)量為900～1 000 t。

由于網(wǎng)殼自身高差達(dá)到17 m，且措施鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)考慮依附于塔樓傳遞荷載，因此，措施鋼平臺(tái)最終標(biāo)高定為77.2 m，兩側(cè)塔樓18層框架柱設(shè)計(jì)有外伸反力架進(jìn)行鋼平臺(tái)提升及擱置?？紤]到鋼平臺(tái)跨度太大，在P區(qū)域居中位置增加了6個(gè)臨時(shí)支撐塔架以減小鋼平臺(tái)跨度，同時(shí)作為鋼平臺(tái)提升點(diǎn)及擱置點(diǎn)。措施鋼平臺(tái)帶格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)采用整體提升及下降的方案進(jìn)行裝拆，提升高度約56 m，由拼裝時(shí)標(biāo)高21 m提升至終固標(biāo)高77.2 m，合計(jì)20個(gè)提升點(diǎn)、28個(gè)擱置點(diǎn)（圖4）。

圖3 P區(qū)域措施鋼平臺(tái)示意

圖4 P區(qū)域措施鋼平臺(tái)平面布置

4.1.1 鋼平臺(tái)低空拼裝

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土建以及措施結(jié)構(gòu)的最高點(diǎn)，確定鋼平臺(tái)低空拼裝的標(biāo)高為＋21 m，在地下室頂板以及裙房上根據(jù)吊裝分段設(shè)置臨時(shí)支撐胎架。

鋼平臺(tái)主桁架根據(jù)方案的分段要求，先采用汽車吊在地面進(jìn)行組拼，然后通過(guò)南側(cè)450 t履帶吊以及北側(cè)ZSL380行走式塔吊吊裝到裙房頂胎架上。

拼裝前，先在所有臨時(shí)支撐頂部進(jìn)行鋼平臺(tái)主桁架中心線及邊線的放樣，每一次吊裝根據(jù)放樣先進(jìn)行初步定位，然后通過(guò)全站儀測(cè)量，使用起重葫蘆以及吊機(jī)配合微調(diào)，將坐標(biāo)及標(biāo)高調(diào)整到位后焊接固定，兩側(cè)塔吊應(yīng)同時(shí)配合安裝次桁架，使之形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)后方可松鉤。

4.1.2 上部格構(gòu)柱系統(tǒng)吊裝

利用兩側(cè)1#、3#樓塔吊吊裝不影響提升施工的鋼平臺(tái)上部的格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)（圖6）。

4.2 新增提升支撐塔架安裝

本項(xiàng)目在P區(qū)域居中對(duì)稱加設(shè)了6個(gè)格構(gòu)式臨時(shí)支撐塔架，作為鋼平臺(tái)提升、擱置以及下降的承重結(jié)構(gòu)之一。新增塔架中心尺寸為3.2 m×5.2 m，主肢為φ609 mm×14 mm的圓管，主要規(guī)格為8、12 m的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，通過(guò)法蘭螺栓連接，塔架頂標(biāo)高為＋80.0 m，頂部設(shè)置連系梁進(jìn)行約束。塔架安裝時(shí)采用450 t履帶吊以及ZSL380行走式塔吊進(jìn)行吊裝，每節(jié)吊裝時(shí)通過(guò)全站儀測(cè)量調(diào)節(jié)垂直度。

新增提升塔架頂部設(shè)置1根箱梁用以放置千斤頂來(lái)提升鋼平臺(tái)上弦，底部設(shè)計(jì)外伸牛腿作為終固點(diǎn)擱置鋼平臺(tái)下弦（圖5）。

4.3 塔樓提升反力架安裝及原結(jié)構(gòu)加固

P區(qū)域兩側(cè)塔樓作為鋼平臺(tái)提升、擱置以及下降的主要承重結(jié)構(gòu)，依附塔樓鄰邊的框架柱伸出16個(gè)反力架，反力架與混凝土柱采取抱箍灌漿的形式進(jìn)行連接固定。塔樓反力架跨17、18兩層樓高度，相當(dāng)于2個(gè)復(fù)合的“7”字架疊加，上下2個(gè)“7”字架節(jié)點(diǎn)處設(shè)置小箱體銷軸作為鋼平臺(tái)牛腿的擱置點(diǎn)（圖6）。其中，鋼平臺(tái)提升或下降階段僅角柱的8個(gè)反力架放置提升設(shè)備來(lái)提升或下降鋼平臺(tái)上弦。

圖5 新增提升塔架提升及擱置節(jié)點(diǎn)

圖6 塔樓提升反力架提升及擱置節(jié)點(diǎn)

由于塔樓的懸臂梁截面較小，所有塔樓提升點(diǎn)處的角柱懸臂梁抗剪承載力無(wú)法滿足提升要求，故在其柱邊外伸1 m范圍內(nèi)采取植筋擴(kuò)大截面的加固措施。

4.4 提升設(shè)備的安裝與調(diào)試

對(duì)鋼平臺(tái)帶部分上部格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)進(jìn)行提升狀態(tài)下的建模分析，計(jì)算得出各提升點(diǎn)的荷載，對(duì)應(yīng)配置提升設(shè)備以及鋼絞線。完成前期鋼平臺(tái)及相關(guān)措施的安裝工作后，進(jìn)行提升設(shè)備的安裝與調(diào)試。P區(qū)域措施鋼平臺(tái)提升主要采用了16個(gè)100 t穿心式液壓千斤頂、4個(gè)200 t穿心式液壓千斤頂，總計(jì)20個(gè)提升點(diǎn)，設(shè)備布置如圖7所示。

圖7 P區(qū)域措施鋼平臺(tái)提升設(shè)備平面布置

安裝前，先根據(jù)提升支架及擱置箱梁預(yù)留槽口的圓心將液壓千斤頂投影至鋼平臺(tái)桁架上，保證投影點(diǎn)與預(yù)設(shè)提升點(diǎn)的誤差在2 cm以內(nèi)，根據(jù)投影點(diǎn)進(jìn)行下吊具的安裝，保證液壓千斤頂上下同心。

根據(jù)各提升點(diǎn)荷載的大小對(duì)每個(gè)千斤頂配置對(duì)應(yīng)數(shù)量的鋼絞線，左、右旋各一半，在地面上將鋼絞線穿入千斤頂并夾緊上下錨具，通過(guò)兩側(cè)塔吊進(jìn)行千斤頂?shù)牡跹b。安裝就位后設(shè)置壓板固定，然后根據(jù)編號(hào)將泵站及分控箱吊裝到位，并拉通通信線以及電源。

提升設(shè)備安裝完成以后對(duì)各站點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試以及聯(lián)動(dòng)調(diào)試，確保設(shè)備及控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，繃緊所有鋼絞線，準(zhǔn)備鋼平臺(tái)的整體連續(xù)提升。

4.5 鋼平臺(tái)的整體連續(xù)提升

1）預(yù)提懸停。準(zhǔn)備工作就緒之后，斷開(kāi)鋼平臺(tái)與拼裝胎架的連接，鋼平臺(tái)預(yù)提騰空約10 cm，并懸停靜置12 h以上。待結(jié)構(gòu)因自重產(chǎn)生的變形穩(wěn)定后，觀察鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)、千斤頂放置點(diǎn)的措施結(jié)構(gòu)、土建原結(jié)構(gòu)等變形情況，并測(cè)量復(fù)核新增提升支撐塔架的垂直度變化。

2）鋼平臺(tái)整體連續(xù)提升。懸停12 h后，對(duì)鋼平臺(tái)進(jìn)行整體測(cè)量并與初始狀態(tài)比較，鋼平臺(tái)調(diào)整姿態(tài)后正式開(kāi)始提升。采用計(jì)算機(jī)控制各站點(diǎn)泵站，通過(guò)穿心式液壓千斤頂集群實(shí)現(xiàn)鋼平臺(tái)全自動(dòng)同步提升。提升過(guò)程中需要在外部使用測(cè)量?jī)x器觀測(cè)鋼平臺(tái)高度和高差，實(shí)時(shí)調(diào)整鋼平臺(tái)狀態(tài)。鋼平臺(tái)在提升過(guò)程中的整體高差應(yīng)控制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，以保證各提升點(diǎn)的同步性滿足要求。各提升點(diǎn)的提升荷載或高差出現(xiàn)異變或被提升結(jié)構(gòu)的變形超出相應(yīng)值時(shí)，應(yīng)立即停止提升。

3）落架終固。連續(xù)提升至快到就位位置時(shí)，將計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制調(diào)為人工手動(dòng)控制，連接轉(zhuǎn)換階段需要多提升3 cm，以預(yù)留施工作業(yè)面，然后關(guān)閉油缸保持結(jié)構(gòu)，進(jìn)行反力架銷軸的安裝和塔架牛腿的焊接，最后通過(guò)下降行程將鋼絞線上的載荷全部轉(zhuǎn)移至塔樓反力架和新增塔架的2個(gè)承重結(jié)構(gòu)上，測(cè)量鋼平臺(tái)平整度，檢查28個(gè)擱置點(diǎn)并墊平抄實(shí)，完成落架。

為縮短鋼平臺(tái)落架終固的時(shí)間以及實(shí)現(xiàn)對(duì)塔樓幕墻的成品保護(hù)，在兩側(cè)塔樓反力架上設(shè)置了牛腿銷軸的擱置節(jié)點(diǎn)。擱置牛腿根據(jù)反力架投影坐標(biāo)調(diào)整好后在提升前完成焊接，提升就位后僅安裝插銷即可落架，減少高空焊接工作量和時(shí)間，大大提高鋼平臺(tái)落架效率，同時(shí)避免了對(duì)下部樓層幕墻的破壞。

5 網(wǎng)殼安裝與卸載

5.1 格構(gòu)柱設(shè)置

根據(jù)復(fù)核驗(yàn)算以及鋁合金網(wǎng)殼的施工經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目對(duì)鋼平臺(tái)區(qū)域的網(wǎng)殼采用九宮格的小單元塊進(jìn)行吊裝（圖8），基本可以達(dá)到零應(yīng)力施工的要求。鋼平臺(tái)上部按9 m×9 m對(duì)應(yīng)區(qū)域正交布置格構(gòu)柱，最短格構(gòu)柱高7 m、最高格構(gòu)柱高20 m，格構(gòu)柱之間采用扁平格構(gòu)式走道梁連通，頂部采用可調(diào)節(jié)的絲桿頂托進(jìn)行網(wǎng)殼擱置。

圖8 網(wǎng)殼的格構(gòu)柱臨時(shí)支撐體系

5.2 網(wǎng)殼安裝

由于單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)較柔，故P區(qū)域網(wǎng)殼必須在兩側(cè)塔樓屋面區(qū)域網(wǎng)殼安裝完成并與鋼結(jié)構(gòu)樹狀柱焊接形成整體以后方可進(jìn)行安裝。安裝思路為選擇鋼桿件較多的區(qū)域從兩側(cè)塔樓依次相向搭橋連接，搭橋完成后以連橋區(qū)域網(wǎng)殼為基準(zhǔn)向兩側(cè)發(fā)散安裝（圖9）。

圖9 P區(qū)域網(wǎng)殼施工流程

5.3 網(wǎng)殼分階段整體卸載

本項(xiàng)目網(wǎng)殼采用分階段卸載，將11棟塔樓分為5個(gè)卸載分區(qū)，每次進(jìn)行1個(gè)分區(qū)的網(wǎng)殼卸載時(shí)，必須與未安裝區(qū)域保留1個(gè)分區(qū)作為過(guò)渡區(qū)域，避免卸載影響后續(xù)網(wǎng)殼的安裝。已卸載區(qū)域可以提前交付，同時(shí)也可以周轉(zhuǎn)措施材料，大大降低了施工成本，縮短了工期。

網(wǎng)殼單個(gè)分區(qū)卸載時(shí)盡可能做到同步卸載，根據(jù)卸載計(jì)算模型得出各支撐點(diǎn)位的卸載量，采用多步分級(jí)循環(huán)的方式將卸載支撐點(diǎn)下移，使可調(diào)托座隨著逐級(jí)卸載和主結(jié)構(gòu)逐步脫開(kāi)，使網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)平緩地達(dá)到設(shè)計(jì)受力狀態(tài)。

6 措施結(jié)構(gòu)拆除

鋼平臺(tái)寬達(dá)53 m、高達(dá)77.2 m，網(wǎng)殼高低落差大，鋼平臺(tái)與網(wǎng)殼最小間距為7 m，且網(wǎng)殼投影區(qū)域?yàn)槿狗?，無(wú)法上起重設(shè)備，采用常規(guī)的吊裝方案進(jìn)行措施結(jié)構(gòu)拆除的施工難度極大。

本工程在完成網(wǎng)殼的安裝和卸載后，鋼平臺(tái)沿用原提升系統(tǒng)整體下降至原拼裝胎架并拆除，避免了在網(wǎng)殼和鋼平臺(tái)夾縫之間拆除的復(fù)雜工況。

7 結(jié)語(yǔ)

高空大跨度單層鋁合金網(wǎng)殼的施工難度大、安裝要求高、安全風(fēng)險(xiǎn)大，將液壓整體提升應(yīng)用到此類網(wǎng)殼施工中可大大降低施工風(fēng)險(xiǎn)，為鋁合金網(wǎng)殼的安裝提供一個(gè)安全穩(wěn)定的作業(yè)平臺(tái)。

臨時(shí)措施鋼平臺(tái)在設(shè)計(jì)階段可根據(jù)網(wǎng)殼的安裝要求相應(yīng)設(shè)置臨時(shí)支撐，可很好地匹配網(wǎng)殼安裝施工，盡量減小施工過(guò)程中的應(yīng)力。同時(shí)，在網(wǎng)殼安裝完成后沿用原設(shè)備進(jìn)行措施結(jié)構(gòu)的整體下降，避免起重設(shè)備在網(wǎng)殼和鋼平臺(tái)有限夾層空間內(nèi)進(jìn)行拆除作業(yè)，降低拆除風(fēng)險(xiǎn)，提高拆除效率。