大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊錯(cuò)層拼裝同步提升控制技術(shù)

王振海，陳 果，王 博

(東西匯(橫琴)發(fā)展有限公司，廣東 珠海 519000)

0 引言

隨著建筑施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，連體結(jié)構(gòu)越來(lái)越多的出現(xiàn)在公眾的視野中[1]，此種建筑形式，使建筑外觀氣勢(shì)恢宏、整體統(tǒng)一、造型獨(dú)特，提升了建筑的整體美感。但是超大、超高、超重鋼連廊構(gòu)件的吊裝給工程施工帶來(lái)了巨大難度[2-3]。近年來(lái)涌現(xiàn)了多種整體提升方式，主要有高空滑移法、高空散拼法、整體提升法、整體吊裝法和分塊吊裝法等[4-6]。龐鵬[7]介紹了重型鋼桁架錯(cuò)層拼裝、多輪次提升法，根據(jù)各區(qū)域標(biāo)高不同，分別進(jìn)行低位拼裝，多輪提升。本文結(jié)合工程項(xiàng)目的實(shí)際特點(diǎn)，在施工中利用“錯(cuò)層拼裝累積液壓同步提升控制技術(shù)”，有效降低了施工成本，節(jié)約了工期，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程概況

東西匯項(xiàng)目結(jié)構(gòu)形式整體采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，本工程高位連廊鋼結(jié)構(gòu)位于D1塔樓與D2塔樓之間，位于D1塔樓的第17層～第19層，D2塔樓的第15層～第17層，跨度70 m，連廊鋼結(jié)構(gòu)由兩榀主桁架組成，連廊高度為9.1 m，標(biāo)高為70.65 m～79.75 m，總提升質(zhì)量約650 t。

2 研究思路

由于本工程鋼結(jié)構(gòu)連廊跨度和高度均較大，若采用常規(guī)的分件高空散裝方案，需要搭設(shè)大量的高空支撐架，不但高空組裝、焊接工作量大，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)較差，而且存在較大的質(zhì)量、安全風(fēng)險(xiǎn)，且工期無(wú)法保證，成本較高。又由于本工程連廊正下方投影有裙房結(jié)構(gòu)，所以連廊無(wú)法在下部拼裝成整體。因此，選擇成本較低，且符合工期節(jié)點(diǎn)要求的施工方案就成為了本工程需要考慮的重點(diǎn)。

最終本工程選取了“錯(cuò)層拼裝累積液壓同步提升”的施工工藝，因此將連廊分為兩個(gè)預(yù)裝區(qū)和三個(gè)拼裝區(qū)(連廊分區(qū)情況見(jiàn)圖1)，預(yù)裝區(qū)分別為D2預(yù)裝區(qū)、D1預(yù)裝區(qū)，拼裝區(qū)分別為分區(qū)一、分區(qū)二和分區(qū)三。而施工的基本思路為：分區(qū)二和分區(qū)三拼裝→一次提升(分區(qū)二)→分區(qū)二與分區(qū)三對(duì)接，同時(shí)拼裝分區(qū)一→二次提升(分區(qū)一、分區(qū)二、分區(qū)三)→補(bǔ)齊剩余桿件。該施工工藝具有以下特點(diǎn)：

1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，提前插入胎架及結(jié)構(gòu)拼裝，合理穿插，節(jié)省工期。

2)將超高空散拼作業(yè)變?yōu)榈孛娴涂兆鳂I(yè)，大大降低高空施工安全風(fēng)險(xiǎn)，便于施工現(xiàn)場(chǎng)安全和質(zhì)量管理。

3)減少大量大型機(jī)械臺(tái)班并大大減少一次性措施材料投入，節(jié)約成本。

3 施工方法

3.1 臨時(shí)胎架安裝

本工程胎架分為兩部分：低位胎架和高位胎架，分別設(shè)置于地下室頂板(-0.050 m)與裙房屋面(22.150 m)，立柱采用φ609×16圓管，主受力橫梁及支撐采用雙拼H 588×300×12×20型鋼，連接橫梁采用H300×300×10×15型鋼。胎架柱與結(jié)構(gòu)柱豎向位置合并，確保樓板不承受胎架以及連廊結(jié)構(gòu)荷載，全部荷載通過(guò)胎架梁、胎架柱有效傳導(dǎo)至結(jié)構(gòu)柱、承臺(tái)以及樁基礎(chǔ)。

3.2 錯(cuò)層拼裝

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)高低跨的實(shí)際情況，選擇將桁架進(jìn)行錯(cuò)層單獨(dú)拼裝(見(jiàn)圖2)。本次吊裝需確保最不利吊裝構(gòu)件順利安裝到位，選取一根距離最遠(yuǎn)構(gòu)件(質(zhì)量8.13 t)，一根質(zhì)量最大構(gòu)件(質(zhì)量15.9 t)作為最不利吊裝構(gòu)件。吊裝分析得知：

最遠(yuǎn)構(gòu)件質(zhì)量8.13 t，距吊車33.1 m；最重構(gòu)件質(zhì)量15.9 t，距吊車24 m，220 t汽車吊在此種工況下均滿足施工要求。

鋼結(jié)構(gòu)連廊主體結(jié)構(gòu)拼裝步驟：由于腹桿為一定角度連接在上弦桿與下弦桿之間，為了提前插入施工和確保腹桿對(duì)接角度的前提下，先在地面將腹桿兩兩用型鋼支撐連接成整體，共6組，胎架上拼裝時(shí)先裝下弦桿和水平梁，再將組拼好的六組腹桿分別吊裝在下弦桿上，最后吊裝上弦桿和水平梁。

3.3 連廊提升

本次提升共設(shè)置8個(gè)吊點(diǎn)，其中臨時(shí)吊點(diǎn)1～臨時(shí)吊點(diǎn)4為第一次提升(分區(qū)二)使用的臨時(shí)措施，需借助地面格構(gòu)柱作為起吊提升架；吊點(diǎn)1～吊點(diǎn)4為二次整體提升使用吊點(diǎn)，即利用連廊結(jié)構(gòu)D1和D2預(yù)裝區(qū)作為二次提升架來(lái)使用(見(jiàn)表1)，提升吊點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

表1 吊點(diǎn)設(shè)備使用情況

3.3.1 臨時(shí)提升架安裝

連廊第一次提升采用臨時(shí)提升架，每個(gè)吊點(diǎn)設(shè)置一組支架，每組支架由兩個(gè)格構(gòu)式支架及提升梁組成，為避免對(duì)地下室頂板造成結(jié)構(gòu)損傷，需在提升支架對(duì)應(yīng)位置的地下室頂板下部設(shè)置格構(gòu)式支架進(jìn)行回頂，在與混凝土樓板及底板接觸位置需要用鋼板塞實(shí)，提升支架底部設(shè)置路基箱進(jìn)行傳力，使提升荷載順利傳導(dǎo)至地下室底板及基礎(chǔ)。

3.3.2 二次提升架安裝

連廊第二次進(jìn)行整體提升，可以利用連廊結(jié)構(gòu)D1,D2預(yù)裝的桁架設(shè)置提升支架結(jié)構(gòu)，為使提升過(guò)程穩(wěn)定，需對(duì)上吊點(diǎn)及下吊點(diǎn)進(jìn)行加固，上吊點(diǎn)牛腿和下吊點(diǎn)牛腿安裝及加固等(見(jiàn)圖4)。

3.3.3 試提升

以計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的各提升吊點(diǎn)反力值為依據(jù)，對(duì)連廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行分級(jí)加載(試提升)，各吊點(diǎn)處的液壓提升系統(tǒng)伸缸壓力以20%幅度緩慢分級(jí)增加至80%；在確認(rèn)各部分無(wú)異常的情況下，可繼續(xù)加載到90%,95%,100%，直至連廊全部脫離拼裝胎架。連廊離開(kāi)胎架約100 mm后，將液壓提升系統(tǒng)設(shè)備鎖定，空中停留12 h以上并作全面檢查(包括吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)、承重體系和提升設(shè)備等)，并將檢查結(jié)果以書(shū)面形式報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)總指揮部。各項(xiàng)檢查正常無(wú)誤，再進(jìn)行正式提升。

3.3.4 一次提升

用測(cè)量?jī)x器檢測(cè)各吊點(diǎn)的離地距離，計(jì)算出各吊點(diǎn)相對(duì)高差。通過(guò)液壓提升系統(tǒng)設(shè)備調(diào)整各吊點(diǎn)高度，使結(jié)構(gòu)達(dá)到水平姿態(tài)。以調(diào)整后的各吊點(diǎn)高度為新的起始位置，復(fù)位位移傳感器。在結(jié)構(gòu)整體提升過(guò)程中，保持該姿態(tài)直至提升到設(shè)計(jì)標(biāo)高，因?yàn)榭罩凶藨B(tài)調(diào)整和桿件對(duì)口等原因，需要對(duì)結(jié)構(gòu)高度進(jìn)行微調(diào)，使其高度及桿件接口達(dá)到對(duì)接精度范圍以內(nèi)。

在結(jié)構(gòu)一次提升就位并微調(diào)后，立即鎖定提升器，并使用耳板對(duì)主桁架鋼箱梁進(jìn)行臨時(shí)固定，然后進(jìn)行分區(qū)二和分區(qū)三之間連接桿件拼裝，同時(shí)進(jìn)行分區(qū)一與分區(qū)二的拼裝，使其形成整體并達(dá)到二次提升條件(見(jiàn)圖5)。

3.3.5 二次提升

在一次提升完成，分區(qū)一、分區(qū)二及分區(qū)三連接完成，并探傷完成后，需對(duì)錯(cuò)層拼裝后鋼結(jié)構(gòu)連廊進(jìn)行二次提升。二次提升將使用吊點(diǎn)1～吊點(diǎn)4四個(gè)吊點(diǎn)，需進(jìn)行一次吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換。在吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，臨時(shí)吊點(diǎn)1～臨時(shí)吊點(diǎn)4仍然處于持荷狀態(tài)，不得卸載。按照加載程序，由計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的反力作為依據(jù)，對(duì)吊點(diǎn)1～吊點(diǎn)4進(jìn)行逐級(jí)加載，加載幅度控制為10%,30%,50%，然后鎖定油缸持荷，并對(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查。此時(shí)，臨時(shí)吊點(diǎn)1～臨時(shí)吊點(diǎn)4將產(chǎn)生被動(dòng)卸載，在經(jīng)過(guò)檢查確認(rèn)無(wú)誤后，對(duì)臨時(shí)吊點(diǎn)1～臨時(shí)吊點(diǎn)4按照卸載程序進(jìn)行卸載，卸載幅度以此時(shí)荷載的20%為一級(jí)進(jìn)行，直至完全卸載并拆除臨時(shí)吊點(diǎn)。

由于臨時(shí)吊點(diǎn)卸荷，荷載將轉(zhuǎn)移至吊點(diǎn)1～吊點(diǎn)4，因此，需卸載程序必須緩慢，并通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x器觀測(cè)，確保卸載安全。

繼續(xù)加載吊點(diǎn)1～吊點(diǎn)4直至連廊全部脫離裙房高位胎架，連廊結(jié)構(gòu)離開(kāi)二次胎架約100 mm，鎖定液壓提升系統(tǒng)，并執(zhí)行全面檢查程序。確認(rèn)無(wú)誤后，開(kāi)始進(jìn)行連廊二次提升。提升速度控制為4 m/h，當(dāng)提升達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，將自動(dòng)提升系統(tǒng)調(diào)整為手動(dòng)模式，并對(duì)結(jié)構(gòu)高度及桿件接口位置進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到準(zhǔn)確對(duì)接目的。鎖定液壓提升系統(tǒng)，利用耳板對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)定位，采用500 t汽車吊進(jìn)行剩余桿件安裝(見(jiàn)圖6)。

3.4 卸載

后裝桿件全部安裝完成，按計(jì)算的提升載荷為基準(zhǔn)，分5級(jí)進(jìn)行卸載，卸載幅度每次控制在荷載的20%以內(nèi)，如遇吊點(diǎn)偏載超過(guò)卸載前載荷的10%，或者吊點(diǎn)位移不同步達(dá)到10 mm，則立即停止其他點(diǎn)卸載，檢查并處理完成后繼續(xù)卸載，直至鋼絞線完全松弛。

4 SAP2000配合驗(yàn)算

本工程采用通用有限元分析軟件SAP2000V21.1.0進(jìn)行提升系統(tǒng)力學(xué)計(jì)算。

4.1 胎架驗(yàn)算

將拼裝胎架與連廊進(jìn)行整體建模型計(jì)算，胎架與連廊支架采用壓桿進(jìn)行模擬(見(jiàn)圖7～圖9)，分析系數(shù)取1.5。

計(jì)算結(jié)論：胎架最大豎向變形約10.3 mm，桿件最大應(yīng)力比約0.74<0.9，滿足施工要求。

4.2 風(fēng)荷載計(jì)算

連廊提升高度約80 m，所以需要考慮風(fēng)荷載的作用，由于連廊二次提升時(shí)，連廊迎風(fēng)面積較大，因此將此階段作為最不利因素考慮，提升時(shí)僅考慮桿件的迎風(fēng)面積，迎風(fēng)面積A≈260 m2，按照珠海市十年一遇風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算，w0=0.5 kN/m2，風(fēng)振系數(shù)取βz=1.3，風(fēng)荷載體型系數(shù)μs=1.3，地面粗糙度按A類考慮，風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=1.95，計(jì)算如下：

風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值wk=βzμsμzw0=1.3×1.3×1.95×0.5=1.65 kN/m2。

連廊受到的風(fēng)荷載值F=Awk=1.65×260=429 kN，提升施工時(shí)，風(fēng)荷載會(huì)通過(guò)鋼絞線傳遞至提升支架，總共4個(gè)吊點(diǎn)，所以每個(gè)吊點(diǎn)承受的水平風(fēng)荷載為429/4=107.3 kN。

4.3 高位連廊整體提升計(jì)算

連廊結(jié)構(gòu)桿件均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，在吊點(diǎn)處進(jìn)行豎向約束加水平向彈簧約束，彈簧剛度0.000 1 kN/mm(可忽略不計(jì))，荷載為結(jié)構(gòu)自重，提升部分質(zhì)量約710 t，荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.5，桿件應(yīng)力比限值為0.9，下?lián)峡刂撇怀^(guò)跨度的1/400。經(jīng)過(guò)分析，兩次提升過(guò)程中第二次提升過(guò)程為最不利過(guò)程，因此需重點(diǎn)關(guān)注二次提升過(guò)程計(jì)算(見(jiàn)圖10～圖12)。

計(jì)算結(jié)論：由上述提升工況分析結(jié)果可知，連廊結(jié)構(gòu)跨中最大下?lián)霞s17 mm<70 000/400=175 mm，桿件最大應(yīng)力比約0.4<0.9，滿足施工要求。

4.4 提升支架驗(yàn)算

4.4.1 第一次提升架驗(yàn)算

第一次提升支架底部采用鉸接約束，荷載為支架自重及吊點(diǎn)的提升荷載，最大荷載約1 102 kN，水平荷載按照豎向提升荷載的5%進(jìn)行取值，計(jì)算變形荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.0，計(jì)算強(qiáng)度荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.5。

計(jì)算結(jié)論：提升支架端部位移約28 mm，最大應(yīng)力比約0.69<0.9，最小屈曲系數(shù)為33.3>4.2，滿足施工要求。

4.4.2 第二次提升架驗(yàn)算

第二次提升利用原結(jié)構(gòu)D1,D2預(yù)裝段作為二次提升架使用，根部采用剛接約束，荷載為自重荷載及吊點(diǎn)的提升荷載，吊點(diǎn)豎向荷載分別為1 832 kN和1 756 kN，水平荷載按照吊點(diǎn)荷載的5%進(jìn)行取值，計(jì)算變形荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.0，計(jì)算強(qiáng)度荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.5。

計(jì)算結(jié)論：豎向變形約2.4 mm，桿件最大應(yīng)力比約0.3<0.9，滿足施工要求。

5 質(zhì)量控制

5.1 錯(cuò)層拼裝

胎架安裝需嚴(yán)格控制胎架梁及短柱平面位置及水平度，確保短柱與混凝土結(jié)構(gòu)面充分接觸，如出現(xiàn)縫隙，需采用補(bǔ)強(qiáng)措施。由于考慮到提升時(shí)跨中的撓度變形，需在胎架中間設(shè)置預(yù)拱度。

鋼結(jié)構(gòu)連廊的安裝順序依次為下弦桿、腹桿及水平梁、上弦桿。安裝控制的關(guān)鍵為下弦桿安裝定位的精度，因此，在安裝時(shí)需全站儀全程配合吊車精準(zhǔn)定位，定位精度為±5 mm。待下弦桿全部焊接完畢，將預(yù)先在地面拼裝好的腹桿組吊裝到位，隨后安裝上弦桿，關(guān)鍵控制腹桿頂部定位精度及上弦桿標(biāo)高及水平度。

5.2 多次提升質(zhì)量控制

在兩次提升過(guò)程中需要注意以下事項(xiàng)：

1)檢查導(dǎo)向架安裝方向，以方便拆除油管、傳感器和不影響鋼絞線自由下墜為原則。

2)檢查鋼絲繩，不得碰觸提升器支承通孔孔壁。

3)檢查地錨，使上下吊點(diǎn)的垂直度偏差小于1.5°。

4)檢查泵站與提升器油管連接，且檢查油管編號(hào)是否對(duì)應(yīng)，測(cè)試油缸伸縮功能。

5)檢查油缸傳感器和位移傳感器工作是否正常。

6)監(jiān)測(cè)臨時(shí)吊點(diǎn)格構(gòu)柱穩(wěn)定性。

7)多點(diǎn)同步監(jiān)測(cè)提升速率和整體穩(wěn)定性。

8)兩次提升就位時(shí)提升器微調(diào)。

9)第二次提升吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換加載與卸載程序轉(zhuǎn)換。

5.3 焊接控制

鋼結(jié)構(gòu)工程的焊接是質(zhì)量控制的關(guān)鍵，隨著結(jié)構(gòu)跨度和高度以及重量的不斷增加，也導(dǎo)致結(jié)構(gòu)所使用的鋼板厚度越來(lái)越厚。因此，焊接過(guò)程必須進(jìn)行嚴(yán)格的焊接控制，如：

1)由于整個(gè)焊接作業(yè)均在室外完成，極易受到大風(fēng)的影響，因此在焊接施工前需搭設(shè)防風(fēng)措施，并增大CO2氣體流量以達(dá)到焊接保護(hù)效果，提高焊接過(guò)程的抗風(fēng)能力，形成對(duì)熔池的渣-氣聯(lián)合保護(hù)。

2)焊接前進(jìn)行焊口清理，清除焊口處表面的水、氧化皮、銹、油污等。

3)焊接前使用火焰加熱設(shè)備將焊接坡口兩側(cè)150 mm范圍內(nèi)進(jìn)行加熱，加熱溫度根據(jù)不同的板厚不同，最低溫度不得低于80 ℃。

4)焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制層間溫度，層間溫度控制在120 ℃～190 ℃之間。分次完成的焊縫，再次焊接前要進(jìn)行預(yù)熱處理。

5)對(duì)于母材厚度25 mm≤T≤80 mm的焊縫，焊后進(jìn)行后熱處理，后熱應(yīng)在焊縫兩側(cè)各100 mm寬幅均勻加熱，加熱時(shí)自邊緣向中部，又自中部向邊緣由低向高均勻加熱，嚴(yán)禁持熱源集中指向局部。

6)應(yīng)避免雨天施工，如遇下雨，需設(shè)防潮、防雨、防砸措施，對(duì)重要焊接口要搭設(shè)專用防雨棚或其他有效防雨措施，在雨量較大無(wú)法施工時(shí)，需及時(shí)進(jìn)行覆蓋，當(dāng)相對(duì)濕度大于90%時(shí)應(yīng)停止焊接作業(yè)。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊以及其他鋼桁架結(jié)構(gòu)吊裝的需求越來(lái)越多，傳統(tǒng)的胎架高空散拼的弊端已經(jīng)越來(lái)越明顯。本工程通過(guò)“錯(cuò)層拼裝累積液壓同步提升控制技術(shù)”，結(jié)合力學(xué)計(jì)算分析，綜合研判，合理安排，實(shí)現(xiàn)了連廊吊裝工期縮短2個(gè)月，減少措施材料投入約1 000 t，且大大降低施工難度并降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，從而節(jié)約了成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益，為業(yè)內(nèi)同類工程提供了有效借鑒。