北疆明珠超高層鋼結(jié)構(gòu)整體提升技術(shù)*

葉海森，李 亞，王心田，李宏武，張旭軍，李 慧，張 揚(yáng)，夏秋月，于洪君

(山西建筑工程集團(tuán)有限公司，山西 太原 030032)

1 工程概況

北疆明珠建筑位于內(nèi)蒙古自治區(qū)滿洲里市國門景區(qū)，尚未建成就有“南有東方明珠，北有北疆明珠”的美譽(yù)，是邊境線上唯一一座超過200m的高塔，地上主體及塔身為鋼結(jié)構(gòu)，地下室為框架剪力墻混凝土結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)筒體結(jié)構(gòu)由鋼管混凝土(鋼管)柱、鋼平臺梁及支撐構(gòu)成，地下1層，地上25層，25層屋面上安裝54m高的游樂設(shè)施，建筑標(biāo)高為208.000m。地下1層層高5.20m，主體裙樓為2層，層高為6.20m，塔身每層高6.20m，旋轉(zhuǎn)餐廳層高6.20m，屋頂設(shè)備層層高為4.70m。本工程旋轉(zhuǎn)餐廳以餐飲、觀光為主要功能，位于北疆明珠建筑的124.0～148.8m位置，旋轉(zhuǎn)餐廳直徑為40m，由1 196根構(gòu)件組成。

2 施工重難點(diǎn)

由于項(xiàng)目工期緊、質(zhì)量要求高，同時(shí)施工所在的滿洲里屬于嚴(yán)寒地區(qū)，冬季施工時(shí)間較長，適用于結(jié)構(gòu)施工的自然天數(shù)有限，給如期施工帶來很大挑戰(zhàn)，且國內(nèi)尚無類似結(jié)構(gòu)。通過研究其他形式鋼結(jié)構(gòu)得知，超高層鋼結(jié)構(gòu)采用的施工方法主要有高空散裝、分段高空散裝、高空滑移安裝及整體提升方法等，考慮項(xiàng)目作業(yè)規(guī)模及安全性，亟需探索超高層鋼結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)餐廳的施工方案，以提高施工效率、縮短施工周期，對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理施工，同時(shí)保證施工質(zhì)量，降低工程成本。

3 施工方法

3.1 施工思路

3.1.1施工方法對比

旋轉(zhuǎn)餐廳結(jié)構(gòu)體系由轉(zhuǎn)換桁架和框架梁柱組成。旋轉(zhuǎn)餐廳整體提升質(zhì)量為1 350t，旋轉(zhuǎn)餐廳1層建筑面積為1 256m2，鋼結(jié)構(gòu)核心筒建筑面積為225m2。對比鋼結(jié)構(gòu)施工方法，采取整體提升施工技術(shù)可保證高空作業(yè)量少，無須搭設(shè)安裝作業(yè)平臺，僅需做臨邊防護(hù)。同時(shí)，地面焊接及拼裝易控制焊接質(zhì)量及安裝精度，保證安裝質(zhì)量。因此，超高層鋼結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)餐廳在2層鋼結(jié)構(gòu)裙房上進(jìn)行整體拼裝，然后采用液壓整體提升。

為確定整體提升動力裝置，對比傳統(tǒng)絞磨動力裝置和液壓系統(tǒng)動力裝置的動力性能、占地面積、動力轉(zhuǎn)換、控制精度、制動和同步性能可知，提升本工程1 350t的質(zhì)量，常規(guī)絞磨動力裝置需68臺電動絞磨機(jī)，而使用4個(gè)350t，4個(gè)200t液壓千斤頂可滿足1 350t餐廳的整體提升。每臺絞磨機(jī)占地面積為0.72m2，每臺絞磨機(jī)配合2名作業(yè)人員及鋼絲繩存放區(qū)域，因此每臺絞磨機(jī)正常使用時(shí)占地面積為4m2，68臺絞磨機(jī)約用地272m2，核心筒(總面積256m2)無法滿足絞磨機(jī)排布；而液壓千斤頂搭設(shè)在外部懸挑結(jié)構(gòu)上，不占用樓層面積，本次提升需2臺液壓泵站，每臺占地面積2.24m2，共4.48m2，樓層面積滿足液壓提升系統(tǒng)使用要求。絞磨動力裝置無預(yù)留安全系數(shù)，控制精度為5mm，需人工固定卡環(huán)，通過測量數(shù)據(jù)反饋后進(jìn)行人工調(diào)整，同步性能差；而液壓系統(tǒng)留有1.6的安全系數(shù)，液壓提升控制精度為1mm，自帶上、下錨具，制動性能佳，可通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動控制。因此，確定整體提升動力裝置為液壓提升系統(tǒng)。

旋轉(zhuǎn)餐廳整體提升過程中，首先斷開餐廳結(jié)構(gòu)與核心筒鋼栓，然后加固餐廳結(jié)構(gòu)，形成穩(wěn)定剛體后進(jìn)行整體提升。通過計(jì)算機(jī)模擬結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，可知提升底部提升梁比提升上部和底部更有利。

旋轉(zhuǎn)餐廳空中拼裝難度大，故在2層屋面進(jìn)行整體拼裝，采用液壓整體提升到位，最后合龍連接。為確保施工方案安全，須對施工過程進(jìn)行全過程監(jiān)測，實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)提升系統(tǒng)，保證提升過程受力平衡。因此，最終確定整體提升采用全過程監(jiān)測法，在結(jié)構(gòu)主體及液壓提升系統(tǒng)上布置117個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，包括速度傳感器、應(yīng)變片、振弦式應(yīng)變儀、位移計(jì)等，進(jìn)而監(jiān)測結(jié)構(gòu)受力性能和提升系統(tǒng)狀態(tài)。

3.1.2具體施工思路

在旋轉(zhuǎn)餐廳2層屋面上制作鋼結(jié)構(gòu)拼裝平臺，旋轉(zhuǎn)餐廳所有構(gòu)件均在鋼結(jié)構(gòu)平臺上組對后，利用液壓提升系統(tǒng)進(jìn)行安裝，完成后液壓提升加載20%，40%，60%，70%，80%，90%，100%，最后旋轉(zhuǎn)餐廳所有荷載均由液壓油缸承擔(dān)，檢查提升系統(tǒng)后正式提升。提升平面布置如圖1所示。

圖1 提升平面布置

3.2 鋼結(jié)構(gòu)拼裝施工方法

本工程旋轉(zhuǎn)餐廳進(jìn)行原位拼裝需根據(jù)施工現(xiàn)場條件，在裙房2層屋面(12.075m標(biāo)高)上搭設(shè)鋼結(jié)構(gòu)平臺，在此平臺上原位拼裝所有構(gòu)件，然后用液壓提升系統(tǒng)進(jìn)行安裝。地面拼裝如圖2所示。

圖2 地面拼裝示意

此拼裝方法操作面大、操作方便且避免高空作業(yè)。拼裝施工前，將旋轉(zhuǎn)餐廳轉(zhuǎn)換桁架構(gòu)件的正投影線均畫在鋼平臺梁上，將構(gòu)件放在投影線上，允許偏差為2mm。旋轉(zhuǎn)餐廳在提升過程中，桁架豎向變形為7.8mm，因此拼裝時(shí)要在桁架端部進(jìn)行預(yù)起拱，如圖3所示。

圖3 桁架拼裝起拱

3.3 整體提升施工

3.3.1提升點(diǎn)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)餐廳結(jié)構(gòu)與核心筒鋼柱相連，提升過程需斷開餐廳結(jié)構(gòu)與核心筒鋼柱再進(jìn)行固定，形成穩(wěn)定剛體后進(jìn)行整體提升。加固餐廳結(jié)構(gòu)后，模擬3種情況下結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，即提升點(diǎn)設(shè)計(jì)在旋轉(zhuǎn)餐廳上部、底部和旋轉(zhuǎn)餐廳底部提升梁。整體計(jì)算采用3D3S程序空間桿系有限元方法，結(jié)構(gòu)采用Frame單元，計(jì)算桁架結(jié)構(gòu)在提升過程中的內(nèi)力、變形及各提升點(diǎn)反力，并以此校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。結(jié)果表明，采用底部提升梁進(jìn)行提升效果最有利，提升梁最大位移為10.6mm。

根據(jù)整體提升方案和計(jì)算分析，本工程旋轉(zhuǎn)餐廳桁架單個(gè)提升點(diǎn)力最大約2 000kN，采用8個(gè)提升點(diǎn)進(jìn)行整體提升，每個(gè)點(diǎn)安裝1臺提升設(shè)備，共8臺液壓千斤頂，其中4個(gè)提升點(diǎn)布置200t液壓千斤頂，另外4個(gè)提升點(diǎn)布置350t液壓千斤頂，設(shè)備滿足施工要求。8個(gè)提升點(diǎn)布置在八邊形核心筒每邊的中心位置向外2 200mm (2 500mm)處，提升梁 (TS1，TS2，TS3，TS4，TS5，TS6，TS7，TS8)為雙拼HN900×300組合箱形梁，如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)餐廳下提升點(diǎn)布置

下提升梁安裝固定在標(biāo)高13.125m處，固定提升梁的支撐點(diǎn)為核心筒鋼管側(cè)面焊接8根鋼牛腿處，鋼牛腿規(guī)格為HM450×300，長2 100mm，為保證鋼牛腿側(cè)向穩(wěn)定性，每2個(gè)鋼牛腿間加φ180×8剛性桿(GL-1)和φ20水平拉桿(SC-1)，如圖5所示。

圖5 下提升梁支撐牛腿布置

為保證旋轉(zhuǎn)餐廳拼裝過程中，提升梁支撐牛腿穩(wěn)定的同時(shí)，減少其與鋼管混凝土柱連接處下部集中受力，用φ159×8鋼管連接核心筒鋼柱，如圖6所示。

圖6 下提升梁支撐立面

整圈下提升鋼梁在車間制作好后，運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，直接用QTZ750(ZSL750)型塔式起重機(jī)放到支撐牛腳上。

3.3.2液壓提升系統(tǒng)組成

液壓提升系統(tǒng)動力裝置由液壓千斤頂提供動力，通過鋼絞線傳輸、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制。計(jì)算機(jī)控制液壓同步提升施工技術(shù)利用柔性鋼絞線承重、提升油缸集群、計(jì)算機(jī)控制、液壓同步提升原理，結(jié)合現(xiàn)代化施工工藝，將成千上萬噸構(gòu)件在地面拼裝后，整體提升到預(yù)定位置安裝就位，實(shí)現(xiàn)大噸位、大跨度、大面積的超大型構(gòu)件超高空整體同步提升。相比于傳統(tǒng)絞磨動力裝置，計(jì)算機(jī)控制液壓同步提升系統(tǒng)在動力性能、占地面積、控制精度、同步性能等方面均有優(yōu)勢，液壓系統(tǒng)動力裝置由鋼絞線及提升油缸集群(承重部件)、液壓泵站(驅(qū)動部件)、傳感檢測及計(jì)算機(jī)控制(控制部件)和遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)等部分組成。

鋼絞線及提升油缸是系統(tǒng)承重部件，承受提升構(gòu)件質(zhì)量。鋼絞線采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，公稱直徑為15.24mm，抗拉強(qiáng)度為1 860N/mm2，破斷拉力為260.7kN，伸長率在1%時(shí)的最小荷載221.5kN，重1.1kg/m。提升油缸為穿芯式結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)過程嚴(yán)格按照ISO9000質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，油缸性能如表1所示。液壓泵站是提升系統(tǒng)的動力驅(qū)動部分，在液壓系統(tǒng)中，采用先進(jìn)的電液比例同步技術(shù)，可有效提高整個(gè)系統(tǒng)的同步調(diào)節(jié)性能，控制精度高。傳感檢測主要用來獲得提升油缸的位置、荷載和整個(gè)被提升構(gòu)件的空中姿態(tài)信息，并將這些信息通過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸給主控計(jì)算機(jī)。主控計(jì)算機(jī)可根據(jù)當(dāng)前傳來的油缸位置信息決定提升油缸的下一步操作，同時(shí)，主控計(jì)算機(jī)也可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳來的提升荷載信息和構(gòu)件姿態(tài)信息決定整個(gè)系統(tǒng)的同步調(diào)節(jié)量。

表1 油缸性能

3.3.3液壓提升施工技術(shù)

北疆明珠空中餐廳桁架采用整體提升安裝工藝，旋轉(zhuǎn)餐廳提升總重約1 200t(旋轉(zhuǎn)餐廳自重850t、鋼筋39t、樓層板36t、花紋板28.5t、鋼格柵32.5t、轉(zhuǎn)盤86t、鋁板幕墻28t及提升加固構(gòu)件100t)，提升高度約112m。根據(jù)桁架提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾何尺寸和截面尺寸，利用ANSYS有限元軟件，選用Shell63單元，建立結(jié)構(gòu)模型，如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

提升點(diǎn)1，3，5，7最大提升力約1 265kN，提升點(diǎn)2，4，6，8最大提升力約2 023kN，單個(gè)導(dǎo)向最大水平力為300kN，荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.5，提升力以面荷載施加在提升錨盤墊板接觸面位置，導(dǎo)向水平力以面荷載施加在連接節(jié)點(diǎn)板位置，同時(shí)約束與桁架梁和支撐接觸位置的x，y，z向自由度。

按上述模型荷載及邊界條件進(jìn)行計(jì)算，由結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖可知各提升點(diǎn)錨盤位置，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力約為240MPa，小于鋼材設(shè)計(jì)值290MPa，最大應(yīng)力位于梁跨中。結(jié)構(gòu)位移如圖8所示，由圖8可知，結(jié)構(gòu)最大變形為0.72mm，最大變形位于梁跨中位置。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足要求。

圖8 結(jié)構(gòu)位移云圖(單位：mm)

本工程整個(gè)提升過程分2個(gè)階段。①第1階段 從裙房2層屋面提升20m后，停止提升，鎖死液壓提升系統(tǒng)；為防止旋轉(zhuǎn)餐廳在平面位置上左右移動，用8根纜風(fēng)繩從東、南、西、北方向進(jìn)行拉結(jié)，每個(gè)方向布置2根纜風(fēng)繩，固定好后，安裝4榀伸臂支撐桁架。②第2階段 支撐桁架安裝完成后，解開鎖死的液壓提升系統(tǒng)，并松開8根纜風(fēng)繩，繼續(xù)液壓提升到旋轉(zhuǎn)餐廳設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后連接核心筒鋼柱。整體計(jì)算采用3D3S程序空間桿系有限元方法，結(jié)構(gòu)采用Frame單元，計(jì)算桁架結(jié)構(gòu)在提升過程中的內(nèi)力、變形及各提升點(diǎn)反力，并以此校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

旋轉(zhuǎn)餐廳建筑提升過程如圖9所示。所有焊縫在24～48h內(nèi)全部完成探傷檢測，均符合一級焊縫要求。且22，23，24層對接點(diǎn)在方案要求范圍內(nèi)，對接精度合格，無偏差，鋼結(jié)構(gòu)安裝合格率達(dá)100%。

圖9 實(shí)際提升過程

4 經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

由于超高層建筑施工面積大、建造周期長、投資大及社會資源消耗多，無論是降低工程造價(jià)還是促進(jìn)社會的可持續(xù)發(fā)展，提升超高層建筑設(shè)計(jì)與施工的經(jīng)濟(jì)性和合理性都非常重要。

本工程采用超高層鋼結(jié)構(gòu)整體提升技術(shù)，大大縮減了工期，有效提高生產(chǎn)效率、減少材料損耗，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對工期、人工、動臂塔式起重機(jī)、高空作業(yè)平臺及提升工作等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算，工期縮短15d，節(jié)約成本30萬元，節(jié)約人工費(fèi)46萬元，節(jié)省3臺動臂塔式起重機(jī)，共438萬元；高空作業(yè)平臺花費(fèi)8萬元，提升費(fèi)用增加110萬元，共節(jié)約396萬元。

5 結(jié)語

本工程采用計(jì)算機(jī)控制液壓同步提升技術(shù)，在工期短、提升難度大、現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境艱苦等條件下，實(shí)現(xiàn)超大型構(gòu)件超高空整體同步提升，提升的旋轉(zhuǎn)餐廳總質(zhì)量為1 350t，提升高度為112m，成為地標(biāo)性建筑。同時(shí)，施工過程減少大量高空作業(yè)，措施安全可靠，建立健全的安全管理制度，對每個(gè)作業(yè)人員進(jìn)行細(xì)致的安全交底，操作過程無安全影響，活動期間無安全事故發(fā)生，取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。