懸掛式幕墻支撐柱面網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)逆向施工技術(shù)*

周 鋒，陳曉明，俞嬡妍，鄭祥杰，蔡 棟，申科偉，許 勇

(1.上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，上海 200072； 2.上海面向典型建筑應(yīng)用機(jī)器人工程技術(shù)研究中心，上海 200072；3.上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建造技術(shù)水平不斷提高，超高層建筑造型日益新穎獨(dú)特。懸掛結(jié)構(gòu)體系具有良好的使用功能和獨(dú)特的視覺(jué)效果，在工程中逐漸得到了應(yīng)用，其中應(yīng)用較多的是帶懸掛層的高層鋼結(jié)構(gòu)。

帶懸掛層的高層鋼結(jié)構(gòu)是首先將樓面系統(tǒng)荷載通過(guò)吊桿傳至固定在核心筒或巨型柱的懸挑桁架/懸掛轉(zhuǎn)換桁架上，然后由懸挑桁架/懸掛轉(zhuǎn)換桁架傳至核心筒或巨型柱，最后傳至基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)。懸掛結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是可形成大開(kāi)間，使用靈活。懸掛結(jié)構(gòu)核心筒或巨型柱承受較大的壓彎作用，需采用較大的截面尺寸，以提高穩(wěn)定承載力。而樓層吊桿由于僅承受拉力，強(qiáng)度可充分發(fā)揮，采用較小的截面即可。香港匯豐銀行大廈是典型的懸掛結(jié)構(gòu)，高180m，地上43層，采用巨型桁架，分5層懸掛在8根巨型格構(gòu)柱上。

懸掛式幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)也屬于懸掛結(jié)構(gòu)，如上海中心大廈采用了獨(dú)特的分區(qū)懸掛柔性外幕墻支撐結(jié)構(gòu)體系，該體系由鋼吊桿、環(huán)梁和徑向支撐組成，沿高度方向分區(qū)懸掛在8道懸挑桁架上。

由于懸掛結(jié)構(gòu)自身荷載傳遞方式具有特殊性，增加了施工難度。施工流程對(duì)懸掛結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響較大，不合理的施工流程可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形和內(nèi)力。本文對(duì)上海長(zhǎng)灘觀光塔外圈分區(qū)懸掛的幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)逆向施工技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)深化、加工和安裝過(guò)程中的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 工程概況

上海長(zhǎng)灘觀光塔為直徑25.7m、高約180m的圓柱形高聳結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土筒體+懸挑桁架(梁)。在4.3～12.3m高度處設(shè)置3個(gè)混凝土樓層，在36.3，88.3，132.3m高度處分別設(shè)置4m高鋼結(jié)構(gòu)桁架層，在148.3m高度以上設(shè)置6個(gè)混凝土樓層。

觀光塔外圈為幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)，即為由斜交網(wǎng)格和正交網(wǎng)格組成的懸掛式幕墻支撐柱面網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)，除在36.3～48.3m和136.3～148.3m高度處呈圓箍狀正交網(wǎng)格外，其余高度處均為單層斜交網(wǎng)格(見(jiàn)圖1)。在12.3，44.3，92.3，136.3m高度處分別設(shè)置變形縫，將網(wǎng)殼自下而上分為5個(gè)區(qū)段。

圖1 觀光塔幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)

4.3～12.3m高度處網(wǎng)殼為區(qū)段1，通過(guò)2～4層鉸接支座與主體懸挑結(jié)構(gòu)相連。12.3～44.3m高度處網(wǎng)殼為區(qū)段2，通過(guò)5～7層鉸接支座和4層滑動(dòng)支座與主體懸挑結(jié)構(gòu)相連。44.3～92.3m高度處網(wǎng)殼為區(qū)段3，通過(guò)8，9層鉸接支座和7層滑動(dòng)支座與主體懸挑結(jié)構(gòu)相連。92.3～136.3m高度處網(wǎng)殼為區(qū)段4，通過(guò)10，11層鉸接支座和9層滑動(dòng)支座與主體懸挑結(jié)構(gòu)相連。136.3～179.0m高度處網(wǎng)殼為區(qū)段5，通過(guò)13～19層鉸接支座和11層滑動(dòng)支座與主體懸挑結(jié)構(gòu)相連。

在每層平面范圍內(nèi)沿圓形均勻布置36個(gè)風(fēng)塔支座。36.3～136.3m高度處網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)桿件截面尺寸為200mm×250mm×14mm(長(zhǎng)×寬×厚)，36.3m高度以下和136.3m高度以上范圍內(nèi)網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)桿件截面尺寸均為100mm×300mm×14mm(長(zhǎng)×寬×厚)，桿件材質(zhì)均為Q345B。

懸挑桁架下掛柱面網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)上端為固定鉸節(jié)點(diǎn)，下端設(shè)置滑動(dòng)支座，以釋放豎向變形。

2 施工工藝流程

懸掛結(jié)構(gòu)可采用自下而上的順向施工工藝，也可采用自上而下的逆向施工工藝。

順向施工過(guò)程中，在臨時(shí)支撐上逐層安裝懸掛層，柱始終受壓，直至與頂部懸挑桁架相連，形成完整結(jié)構(gòu)。拆除懸掛結(jié)構(gòu)底部臨時(shí)支撐架，懸挑桁架結(jié)構(gòu)受力，完成結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，吊柱由受壓施工狀態(tài)向受拉設(shè)計(jì)使用狀態(tài)轉(zhuǎn)化，并產(chǎn)生變形。吊柱設(shè)計(jì)使用狀態(tài)可能由施工狀態(tài)控制。需通過(guò)施工過(guò)程分析，確定樓層預(yù)變形值。懸掛層底部需設(shè)置穩(wěn)定的臨時(shí)支撐，以保證拼裝階段懸掛層荷載安全傳至基礎(chǔ)。

逆向施工過(guò)程中，首先完成支撐豎向荷載的核心筒/巨型柱及頂部懸挑桁架結(jié)構(gòu)施工，然后依靠頂部懸挑桁架向下逐層施工。采用該工藝時(shí)，吊柱施工狀態(tài)受力與設(shè)計(jì)使用狀態(tài)受力一致，因此無(wú)須結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。但高空拼裝對(duì)樓層鋼結(jié)構(gòu)施工安全、質(zhì)量和進(jìn)度的要求較高。

懸掛式幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)僅需承受外幕墻重力荷載和水平荷載，構(gòu)件往往較細(xì)，且造型需與外立面匹配。逆向施工工藝更適用于懸掛式幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)。

與上海中心大廈外幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)-鋼吊桿、環(huán)梁和徑向支撐組成結(jié)構(gòu)體系相比，本工程幕墻柱面網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)整體性較好。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照以下工況進(jìn)行安裝：①工況1 區(qū)段1，5幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)均通過(guò)支座與主體結(jié)構(gòu)相連，利用屋頂布設(shè)的 ZSL120型塔式起重機(jī)和地面布置的50t汽車式起重機(jī)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)散件吊裝；②工況2 區(qū)段2～4幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)通過(guò)上端固定鉸支座和下端滑動(dòng)支座與主體結(jié)構(gòu)相連，主要利用布置在桁架層的液壓提升機(jī)構(gòu)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)提升安裝，采用地面逆向拼裝工藝，分區(qū)自上而下逆作施工。

綜上所述，首先自上而下依次提升區(qū)段4，3，2幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)，然后吊裝區(qū)段1，5幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)，最后提升設(shè)備所在樓層幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)。

3 構(gòu)件深化設(shè)計(jì)與加工

3.1 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

多根桿件匯交的曲面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)需綜合力學(xué)性能、加工可行性和建筑美觀等因素。對(duì)于采用方管的曲面網(wǎng)格多桿匯交節(jié)點(diǎn)，各桿件翼緣板不在同一平面，一般通過(guò)中心區(qū)過(guò)渡。常見(jiàn)的節(jié)點(diǎn)過(guò)渡構(gòu)造方式包括鑄鋼節(jié)點(diǎn)、輻射狀插板節(jié)點(diǎn)和中心圓筒節(jié)點(diǎn)。

本工程斜交網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為6桿匯交，6根桿件翼緣板均不在同一平面。初期計(jì)劃采用輻射狀插板節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)中心為直徑40mm的實(shí)心圓棒，6塊14mm厚插板將節(jié)點(diǎn)分為6個(gè)扇形角，桿件端頭切成尖角，與插板相貫焊接。由于與常采用輻射狀插板節(jié)點(diǎn)的采光天幕網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不同，本工程采用豎直柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，保證重力方向豎直插板貫通更重要，貫通的豎向插板在上部支座處向內(nèi)延伸成為鉸接點(diǎn)的耳板，在斜交、正交網(wǎng)格交匯處更適合采用十字形插板。因此，將輻射狀插板節(jié)點(diǎn)改為十字形插板節(jié)點(diǎn)，同時(shí)取消中心實(shí)心圓棒。豎向插板貫通，并加厚至30mm，橫向插板厚度為20mm，如圖2所示。

圖2 十字形插板節(jié)點(diǎn)

3.2 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)加工

每個(gè)斜交網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)由十字形插板和牛腿組成。根據(jù)牛腿尺寸數(shù)據(jù)，使用多功能機(jī)器人進(jìn)行三維切割，一次成型，形成帶焊接坡口的牛腿。節(jié)點(diǎn)牛腿端面在鋸床上加工，保證端面垂直。十字形插板采用數(shù)控火焰下料，在胎架上將橫插板與豎插板焊接。打磨、探傷合格后轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)拼裝。

按照編號(hào)順序和幾何數(shù)據(jù)信息，利用三維節(jié)點(diǎn)拼裝臺(tái)，進(jìn)行同組成型節(jié)點(diǎn)三維拼裝。以十字形插板為定位基準(zhǔn)，使其空間角度、尺寸均在公差范圍內(nèi)，組裝、焊接水平牛腿。水平牛腿探傷合格后在胎架上組裝、焊接V形牛腿。焊接時(shí)，在相鄰牛腿之間安裝剛性焊接輔助支撐，以控制相鄰牛腿尺寸與角度(見(jiàn)圖3)。

圖3 節(jié)點(diǎn)拼裝

3.3 構(gòu)件分段加工

綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工工藝、構(gòu)件加工運(yùn)輸?shù)纫蛩?，以“?gòu)件最大化”為原則，進(jìn)行構(gòu)件分段加工，以減少現(xiàn)場(chǎng)拼裝構(gòu)件數(shù)量和焊接工作量，保證焊接質(zhì)量，并加快施工速度。鋼構(gòu)件主要分為標(biāo)準(zhǔn)化近平行四邊形大構(gòu)件和若干連桿，在標(biāo)準(zhǔn)化近平行四邊形大構(gòu)件上設(shè)置吊耳，以保證吊裝時(shí)吊具合力方向與構(gòu)件重心重合。

4 懸掛段安裝

在10層位置處按60°角間隔均勻布置6臺(tái)液壓提升器。因被提升鋼結(jié)構(gòu)在提升鋼絞線懸吊下呈剛體運(yùn)動(dòng)，提升器水平位置會(huì)影響被提升物體的水平位置，進(jìn)而影響整個(gè)幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)安裝精度，需精確控制提升器水平位置。

在幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)地面垂直投影處，布設(shè)拼裝底座。拼裝底座由H型鋼首尾相接，沿塔外圍閉合成圓環(huán)，H型鋼下翼緣下部抄平，上翼緣標(biāo)高統(tǒng)一控制為0.350m，高差平整度控制為±3mm。

在地面底座上逆向拼裝區(qū)段4幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)，首先安裝標(biāo)準(zhǔn)化近平行四邊形大構(gòu)件(見(jiàn)圖4)，然后安裝標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件之間的連桿，最后沿著觀光塔外圈，在已安裝構(gòu)件對(duì)面及兩側(cè)，按照十字對(duì)稱原則，分別安裝標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件及連桿。標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件與連桿之間的焊接施工同樣遵循十字對(duì)稱原則，避免焊縫收縮產(chǎn)生累積誤差。

圖4 地面拼裝示意

利用10層位置處設(shè)置的液壓提升器提升地面拼裝成環(huán)的拼裝段1幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)，提升高度為12.000m，提升質(zhì)量為104.2t。提升就位后，按拼裝要求復(fù)測(cè)標(biāo)高，滿足要求后通過(guò)液壓提升器楔形錨片鎖緊鋼絞線，使被提升鋼結(jié)構(gòu)可長(zhǎng)時(shí)間在空中停留。精調(diào)被提升鋼結(jié)構(gòu)下沿水平坐標(biāo)，滿足要求后，臨時(shí)固定鋼結(jié)構(gòu)下沿，防止其水平擺動(dòng)。采用相同工藝提升地面拼裝成環(huán)的拼裝段2幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)，最后安裝拼裝段1，2之間的連桿，如圖5所示。

圖5 拼裝段1，2連接示意

按照相同工藝完成區(qū)段4整體拼裝，一次提升到位，并將主結(jié)構(gòu)側(cè)雙耳板焊接在環(huán)梁上，安裝上端固定鉸支座和下端滑動(dòng)支座。

采用與區(qū)段4相同的逆作法安裝工藝，先后安裝區(qū)段3，2幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)，將大部分高空安裝作業(yè)變?yōu)榈臀蛔鳂I(yè)，降低施工難度。

5 關(guān)鍵提升技術(shù)

5.1 整體提升

提升點(diǎn)布設(shè)應(yīng)盡量保證被提升結(jié)構(gòu)在提升工況下的受力與設(shè)計(jì)使用狀態(tài)受力接近。但過(guò)多的提升點(diǎn)會(huì)增加設(shè)備用量，提高同步性控制難度。本工程在相同標(biāo)高處36個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上選取6個(gè)中心對(duì)稱的節(jié)點(diǎn)作為提升下錨點(diǎn)。下錨點(diǎn)采用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)形式，如圖6所示。

圖6 提升下錨點(diǎn)

不同步提升會(huì)導(dǎo)致下錨點(diǎn)存在高差，高差允許值與結(jié)構(gòu)豎向剛度密切相關(guān)。當(dāng)不同步高差達(dá)10mm時(shí)，最大提升反力標(biāo)準(zhǔn)值提高50%。當(dāng)不同步高差達(dá)20mm時(shí)，最大提升反力標(biāo)準(zhǔn)值提高100%，此時(shí)提升工況接近3點(diǎn)提升受力。本工程采用6點(diǎn)提升，可將不同步高差控制在10mm以內(nèi)。提升就位時(shí)，需進(jìn)一步精調(diào)標(biāo)高，以確保安裝精度。同時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)具有一定安全儲(chǔ)備，進(jìn)行提升架設(shè)計(jì)、幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)及主樓結(jié)構(gòu)承載力校核時(shí)，均采用3點(diǎn)同步提升工況下的反力。

本工程位于長(zhǎng)江入?？冢茱L(fēng)荷載較大。主結(jié)構(gòu)各樓層外圈鋼梁、馬道層外圈鋼梁與幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)最小間距分別為350，100mm。為保證提升過(guò)程中被提升結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載作用時(shí)不產(chǎn)生太大的水平位移，進(jìn)而避免出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，需設(shè)置限位裝置。在上、下馬道層之間拉設(shè)豎向鋼絲繩導(dǎo)索(在平面內(nèi)均勻布置6道)，鋼絲繩兩端分別通過(guò)滑輪轉(zhuǎn)至馬道層，并通過(guò)葫蘆拉緊(見(jiàn)圖7)。鋼絲繩導(dǎo)索外端距幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)50mm，被提升鋼結(jié)構(gòu)跨越馬道層時(shí)，導(dǎo)索會(huì)限制其側(cè)向移動(dòng)，保證順利通過(guò)。

圖7 導(dǎo)索立面布置

5.2 同步提升控制與高程自動(dòng)測(cè)量

控制提升的同步、限制提升點(diǎn)之間的高差可避免結(jié)構(gòu)桿件產(chǎn)生過(guò)大的附加應(yīng)力，保證整個(gè)提升系統(tǒng)安全。

目前多采用位移控制與力控制相結(jié)合的方法保證提升同步性。位移控制是基于提升器位移傳感器讀數(shù)，在提升控制程序中設(shè)定各相鄰提升點(diǎn)的高差和提升點(diǎn)最大高差，保證提升點(diǎn)提升均勻性的方法。由于提升器上的位移傳感器會(huì)有累積誤差，一般每隔5m暫停提升，對(duì)被提升鋼結(jié)構(gòu)變形及高程進(jìn)行人工測(cè)量。如果提升高差超過(guò)預(yù)設(shè)值，需調(diào)平后繼續(xù)提升。力控制是基于提升器上油壓傳感器讀數(shù)，在提升控制程序中設(shè)置每個(gè)位置提升力上限，保證結(jié)構(gòu)安全的方法。

提升器提升步驟為：①下錨片脫開(kāi)，上錨片夾緊鋼絞線；②提升器伸缸，提升構(gòu)件；③下錨片夾緊鋼絞線，上錨片脫開(kāi)；④主油缸縮缸。第①，②步可通過(guò)油壓計(jì)算提升力，由于管路內(nèi)阻的存在，油壓計(jì)算得到的提升力小于實(shí)際出力。本工程在提升下錨點(diǎn)處設(shè)置了穿心式壓力傳感器，通過(guò)壓力傳感器讀數(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)油壓讀數(shù)，以保證全過(guò)程精確控制提升力。

被提升鋼結(jié)構(gòu)高程測(cè)量是保證同步提升的關(guān)鍵，由于人工測(cè)量會(huì)占用大量提升時(shí)間，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)提升自動(dòng)控制，因此本工程選用徠卡MS60型自動(dòng)全站儀對(duì)被提升鋼結(jié)構(gòu)坐標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，保證了測(cè)量結(jié)果的可靠性。

6 結(jié)語(yǔ)

上海長(zhǎng)灘觀光塔主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土筒體+懸挑桁架(梁)，外圈為分區(qū)懸掛的幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)，施工工藝及加工安裝精度要求較高，為此采用地面逆向拼裝、整體提升就位的施工工藝，自上而下分區(qū)安裝幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)，將大部分高空安裝作業(yè)變?yōu)榈臀蛔鳂I(yè)，降低了施工難度，保證了現(xiàn)場(chǎng)拼裝質(zhì)量。

針對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，豎向柱面網(wǎng)殼采用十字形插板節(jié)點(diǎn)，該形式的節(jié)點(diǎn)受力明確，與支座和提升下錨點(diǎn)的結(jié)合較好。

多次短距離提升是地面逆向拼裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提升精度直接影響拼裝精度。為此，本工程通過(guò)同步提升控制與高程自動(dòng)測(cè)量，保證了提升點(diǎn)之間的同步性，并提高了就位安裝精度。