大平面多筒支承的大懸挑多層空腹鋼桁架樓蓋整體提升關(guān)鍵技術(shù)*

尋奧林,張明亮,江 波,劉 維,王江營

(1.湖南省第六工程有限公司,湖南 長沙 410015; 2.湖南建設(shè)投資集團有限責任公司,湖南 長沙 410004; 3.湖南省第二工程有限公司,湖南 長沙 410015)

隨著我國建筑水平、建筑理念不斷更新與進步及人們對建筑審美的多樣性變化,大平面多筒支承的大懸挑多層空腹鋼桁架樓蓋結(jié)構(gòu)作為一種新型建筑形式,因其充分利用空腹桁架大空間特點,同時造型新穎且兼具科技感,近幾年越來越得到建筑師青睞。其應(yīng)用范圍覆蓋辦公樓、酒店、高空連廊、大型體育場館屋蓋等公共建筑。施工方法按適用范圍和技術(shù)特點主要分為群錨大型液壓提升施工技術(shù)、頂升施工技術(shù)、高空滑移施工技術(shù)等[1-4]。

以湖南廣播電視臺節(jié)目生產(chǎn)基地漂浮辦公樓為例,基于多筒支承的大懸挑多層空腹鋼桁架樓蓋結(jié)構(gòu)受力特點和傳力路徑,創(chuàng)造性提出大平面多筒支承的大懸挑多層空腹鋼桁架樓蓋整體提升施工關(guān)鍵技術(shù),將離散的多層大懸挑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為具有足夠抗側(cè)和抗扭剛度的整體提升單元,形成多層環(huán)形箍受力體系,解決去除核心筒后多層大懸挑桁架結(jié)構(gòu)零散獨立、剛度較弱、整體性差等難點,指導(dǎo)大平面多筒支承的大懸挑多層空腹鋼桁架樓蓋現(xiàn)場安裝工作并提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

湖南廣播電視臺節(jié)目生產(chǎn)基地及配套設(shè)施建設(shè)項目是包含1座美術(shù)館、6個非新聞類演播廳和1棟辦公樓的現(xiàn)代化非新聞類節(jié)目生產(chǎn)基地,工程效果如圖1所示。該建筑地下室為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),地上部分為鋼結(jié)構(gòu),工程主體用鋼量約36 000t[5-6]。 漂浮辦公樓位于整個項目東側(cè)地勢最高處,結(jié)構(gòu)總長度為154m,寬度為64.4m,空腹桁架高度為9.05m,位于7～9層;采用鋼框架核心筒+巨型空腹式桁架結(jié)構(gòu),樓層結(jié)構(gòu)由10個鋼框架核心筒作為豎向支撐,結(jié)構(gòu)短邊外側(cè)和內(nèi)側(cè)空腹桁架懸挑長度分別為7.0,4.2m,長邊外側(cè)空腹桁架懸挑長度為11.2m。

圖1 工程效果

結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件為焊接H型鋼梁、箱形柱和H形斜腹桿。其中H型鋼梁最大截面為H1 000×400×24×36,材質(zhì)為Q345B。箱形柱最大截面為□800×800×30×30,材質(zhì)為Q390GJB。H形斜腹桿最大截面為H1 000×500×40×60,材質(zhì)為Q390GJC。漂浮辦公樓樓板結(jié)構(gòu)采用鋼筋桁架樓承板,樓板厚度有120,150mm不等。工程施工BIM模型如圖2所示。

圖2 工程施工BIM模型

2 施工方案

根據(jù)建筑功能設(shè)計要求,漂浮辦公樓樓蓋結(jié)構(gòu)平面呈日字形,結(jié)構(gòu)形式為大跨度空腹鋼桁架結(jié)構(gòu),其中北區(qū)(見圖3藍色區(qū)域)樓面以下5.8m為劇院式演播廳F屋面,南區(qū)(見圖3紫色區(qū)域)樓面以下33m為中央主軸和下沉廣場。漂浮辦公樓BIM模型如圖3所示,結(jié)構(gòu)剖面如圖4所示。

圖3 漂浮辦公樓 BIM模型

圖4 漂浮辦公樓樓蓋剖面

漂浮辦公樓南區(qū)采取整體提升方案,待提升單元體整體呈U字形(見圖5),總重1 800t,三面均為非均勻懸挑結(jié)構(gòu),懸挑于南區(qū)6個核心筒上的空腹桁架為主要傳力結(jié)構(gòu);提升單元內(nèi)6個核心筒為主要豎向受力構(gòu)件,同時為懸挑桁架提供側(cè)向剛度。提升過程中單元體與核心筒處于脫離狀態(tài)(見圖6),漂浮辦公樓拆分為13個相互無聯(lián)系的零散獨立結(jié)構(gòu)(見圖7),各獨立單元均無法滿足提升要求,因此需設(shè)置臨時加固工裝和提升工裝形成多層環(huán)形箍+王字形扁擔梁受力體系,代替核心筒對提升單元約束和傳力作用,保證提升單元結(jié)構(gòu)安全可靠,同時確保安裝精度和質(zhì)量。待單元體液壓提升就位后,進行高空焊接合龍及拆桿施工。

圖5 提升單元結(jié)構(gòu)整體計算模型

圖6 脫離核心筒后提升單元平面布置

圖7 脫離核心筒后分拆為零散獨立單元

3 提升單元結(jié)構(gòu)體系設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

3.1 提升單元結(jié)構(gòu)整體分析

針對漂浮辦公樓南區(qū)整體呈U字形,三面均為非均勻懸挑結(jié)構(gòu)特點,利用MIDAS Gen,ABAQUS有限元軟件進行提升單元結(jié)構(gòu)整體數(shù)值模擬分析,量化分析了提升單元體結(jié)構(gòu)各部位最大形變、桿件最大應(yīng)力比,最終確定加固工裝、提升工裝、提升反力架等設(shè)計。

3.2 加固工裝設(shè)計

3.2.1環(huán)形橫梁加固

原結(jié)構(gòu)設(shè)計中,通過核心筒側(cè)向剛度及各單元間水平傳力平衡保證懸挑結(jié)構(gòu)不會發(fā)生較大翻轉(zhuǎn),懸挑結(jié)構(gòu)提升單元脫離核心筒后,在靠近對接口處,與核心筒連接橫梁相互之間拉結(jié)3道水平加固桿件,形成環(huán)形箍受力體系(見圖8),保證其具有足夠側(cè)向剛度,從而不會發(fā)生整體結(jié)構(gòu)和局部懸挑單元上下翻轉(zhuǎn)及端口錯動。

圖8 環(huán)形橫梁加固提升單元

1)設(shè)計模型一次成型狀態(tài) 提升單元位移、軸力如圖9所示。

圖9 設(shè)計模型一次成型提升單元位移、軸力云圖

2)環(huán)形橫梁加固提升單元 提升單元位移、軸力如圖10所示。

圖10 環(huán)形橫梁加固后提升單元位移、軸力云圖

3.2.2豎桿加固

根據(jù)有限元計算結(jié)果對提升單元整體變形趨勢和局部區(qū)域傳力路徑分析可知,提升單元設(shè)計水平環(huán)形橫梁后,水平剛度極大增強,但3層桁架層間連系仍較弱,豎向力傳遞無法形成整體受力體系。模擬原結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)對提升單元約束和傳力作用,各桁架層間豎向相互連接,代替核心筒角部立柱傳力和提供豎向剛度作用。在靠近對接口處,各桁架層間增設(shè)立桿,核心筒周邊局部區(qū)域形成日字形結(jié)構(gòu),立桿上部對應(yīng)位置設(shè)置提升點(見圖11)。環(huán)形橫梁+豎桿加固后提升單元位移、軸力如圖12所示。

圖11 桁架層間豎桿代替核心筒立柱軸測圖

圖12 環(huán)形橫梁+豎桿加固后提升單元位移、軸力云圖

3.2.3提升工裝設(shè)計

采用環(huán)形橫梁+豎桿提升單元結(jié)構(gòu)體系設(shè)計后,提升單元整體豎向和水平向剛度均增強,可滿足整體提升要求。但采用此方案,整片漂浮桁架提升單元提升點位多達40個,提升措施和工裝用量較大,整體提升同步控制難度增加;從提升難度控制和經(jīng)濟性角度考慮,需優(yōu)化提升單元結(jié)構(gòu)體系,減少提升點位。

優(yōu)化設(shè)計思路:工裝豎桿主要作用為傳遞提升反力,角度相鄰2根豎桿因距離較近,并未產(chǎn)生“1+1=2”的效果,反而增加提升點位,可考慮將2根豎桿歸并為1根,形成王字形扁擔梁受力體系。優(yōu)化設(shè)計方案:將位于桁架端部2根豎桿歸并至角部橫梁中部(見圖13),用1根豎桿代替,同時提升下錨點同樣移位至橫梁中部,同時增大橫梁和豎桿桿件截面,保證豎向剛度和層間抗側(cè)力剛度,并將整體提升點位及相對應(yīng)措施(提升反力架、提升器和鋼絞線)優(yōu)化一半。環(huán)形橫梁+歸并豎桿加固后提升單元位移、軸力如圖14所示。

圖13 環(huán)向橫梁+歸并豎桿加固后提升單元模型

圖14 環(huán)形橫梁+歸并豎桿加固后提升單元位移、軸力云圖

3.2.4斜向桿加固

提升單元因斜腹桿上半部分被打斷,部分豎向荷載通過斜腹桿傳遞至工裝豎桿,導(dǎo)致歸并后的工裝豎桿上半部分傳力效應(yīng)明顯;同時角部3層橫梁中,中間層橫梁彎矩作用效應(yīng)明顯大于上、下2層橫梁,具體工裝設(shè)計時,這2處為關(guān)鍵受力桿件。提升單元兩側(cè)核心筒周邊區(qū)域剛度較弱,會發(fā)生彎扭變形,相應(yīng)部位局部需進行加固,控制對接口錯動變形和懸挑端豎向變形。

因U字形提升單元左右兩邊結(jié)構(gòu)寬度(19.6m)和高度(9m)比值(約為2.2∶1)較小,且外側(cè)懸挑長度為7m,提升單元原核心筒周邊區(qū)域為抗側(cè)向翻轉(zhuǎn)薄弱部位,頂層和底層弦桿會發(fā)生較大相對錯動,因此提升結(jié)構(gòu)體系需考慮局部加固。

加固思路為:原U字形提升單元左、右兩邊結(jié)構(gòu)局部區(qū)域形成空腹桁架受力體系,抗彎剛度較弱,可通過桿件加固形成帶斜腹桿桁架受力體系,增強抗彎剛度。加固方案為:在U字形兩側(cè)薄弱部位2層空腹桁架間拉設(shè)X形斜撐,保證構(gòu)件受力及結(jié)構(gòu)整體變形與設(shè)計狀態(tài)基本相符(見圖15,16)。

圖15 薄弱部位X形斜撐加固后模型

圖16 薄弱部位X形斜撐加固后軸測示意

環(huán)形橫梁+歸并豎桿+斜撐加固后提升單元位移、軸力如圖17所示。

圖17 環(huán)形橫梁+歸并豎桿+斜撐加固后提升單元位移、軸力云圖

由圖9～17可知,提升單元一次成型狀態(tài)最大z向位移16.02mm,最大xy向位移1.4mm,最大軸力-933.12kN。 環(huán)形橫梁加固后提升單元最大z向位移26.37mm,最大xy向位移11.19mm,最大軸力 -1 086.95kN。 環(huán)形橫梁+豎桿加固后提升單元最大z向位移18.07mm,最大xy向位移6.17mm,最大軸力-1 227.32kN。環(huán)形橫梁+歸并豎桿加固后提升單元最大z向位移22.93mm,最大xy向位移10.36mm,最大軸力2 498.56kN。 最終優(yōu)化結(jié)果環(huán)形橫梁+歸并豎桿+斜撐加固提升單元最大z向位移23.06mm,最大xy向位移5.95mm,豎桿最大軸力950.32kN;由模擬可知,上弦最大軸力225kN,下弦最大軸力-314kN,斜腹桿最大軸力380kN,滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

3.3 提升反力架設(shè)計

提升反力架作為液壓提升器底座,是將提升器反力傳遞至主體結(jié)構(gòu)的重要連接構(gòu)件,因此應(yīng)保證其具有足夠強度和剛度。

大平面多筒支承的大懸挑多層空腹鋼桁架樓蓋結(jié)構(gòu)提升反力架通常位于核心筒頂部,主要采用核心筒立柱、橫梁和立面斜撐構(gòu)成的懸挑三角架形式,平面上通過在懸挑橫梁尾部設(shè)置與之垂直的箱形梁,增強提升工裝整體側(cè)向穩(wěn)定性,同時作為懸挑梁抗彎第2道防線;懸挑梁與核心筒立柱頂部焊接,尾部箱形梁兩端與主體結(jié)構(gòu)梁鉸接。

漂浮辦公樓巨型空腹桁架和環(huán)形橫梁加固工裝豎桿組合結(jié)構(gòu)每個提升架上設(shè)置1個提升點,共22個提升點,提升點均設(shè)在環(huán)形橫梁加固工裝豎桿上。提升點布置BIM模型如圖18所示。提升反力架如圖19所示,數(shù)值模擬結(jié)果如圖20所示。

圖18 提升點布置BIM模型

圖19 提升反力架示意

圖20 提升反力架數(shù)值模擬結(jié)果

由圖20可知,提升反力架工裝桿件最大應(yīng)力為372.80MPa,最大豎向位移為6.29mm。為滿足提升過程中側(cè)向位移要求,三角反力架安裝時向側(cè)向變形反方向預(yù)調(diào)7.00mm可消除該變形影響,構(gòu)件變形和受力均滿足整體提升作業(yè)要求。

4 對接口精度控制關(guān)鍵技術(shù)

4.1 層間對接口相對變形控制

單個核心筒四周漂浮桁架結(jié)構(gòu)提升合龍對接口數(shù)量多達24個,根據(jù)此類結(jié)構(gòu)特點,其扭轉(zhuǎn)趨勢較弱,翻轉(zhuǎn)趨勢較強,因此需采取措施增強層間剛度。加固方案為:在核心筒四周形成箍狀加固體系,通過在工裝間傳遞內(nèi)力形成整體受力自平衡體系,同時角部為王字形構(gòu)造形成局部穩(wěn)固體系,保證層間對接口相對錯動變形降至最小。

4.2 深化階段對接口焊縫寬度預(yù)調(diào)

漂浮辦公室在提升狀態(tài)下,因提升單元外側(cè)存在大懸挑桁架,3層對接口軸向變形各不相同;同時核心筒作為提升基座,其側(cè)向剛度較弱,提升結(jié)構(gòu)平面上重心向外側(cè)偏移,在二階作用效應(yīng)下,核心筒存在水平向變形。在提升狀態(tài)下兩者變形同時發(fā)生,因此提升單元對接口和上部核心筒牛腿相對變形疊加后情況異常復(fù)雜,需在深化前,建立演播廳F框架結(jié)構(gòu)+核心筒+漂浮辦公樓提升單元整體模型,分析相對變形,指導(dǎo)深化設(shè)計對接口焊縫寬度,從而保證拼裝和就位精度。

在深化階段,根據(jù)漂浮辦公室提升單元對接口和核心筒牛腿相對變形有限元計算結(jié)果,對焊縫寬度進行預(yù)調(diào),預(yù)調(diào)原則為保證提升變形后焊縫寬度≥15mm,以～?/～軸核心筒周邊提升單元下弦對接口為例對焊縫寬度深化預(yù)調(diào)(見圖21)。

圖21 寬度深化預(yù)調(diào)示意

4.3 拼裝階段提升單元對接口預(yù)調(diào)

提升過程中,因提升單元邊界約束與設(shè)計狀態(tài)發(fā)生變化,為保證提升就位后提升單元端口與上部牛腿端部對接精度,需在提升單元拼裝階段對其接口端部水平向變形進行預(yù)調(diào)。例如,單根鋼梁一端位于對接端口,一端位于懸挑端部,兩端應(yīng)根據(jù)調(diào)整值分別進行調(diào)整,相互不產(chǎn)生影響。

4.4 提升測量控制

設(shè)置16個監(jiān)測點,測點平面布置如圖22所示。主要監(jiān)測樓蓋空腹桁架在拼裝完成、提升過程、桿件連接(含高空補桿)及就位卸載后的位移變化,其中部分豎向位移監(jiān)測值如表1所示。由表1可知,最大豎向變形位于漂浮辦公樓懸挑桁架端部,側(cè)邊懸挑端部變形次之,核心筒間桁架變形最小,實際監(jiān)測值與結(jié)構(gòu)有限元軟件計算值最大差異值為3.5mm,在D15測點處,但所有監(jiān)測點位計算值與監(jiān)測值均滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工相關(guān)技術(shù)要求。計算值和實測值偏差在合理范圍內(nèi),能滿足結(jié)構(gòu)安裝精度需求。

圖22 提升單元位移監(jiān)測區(qū)域平面

該偏差主要因素有:實際結(jié)構(gòu)與計算軟件約束假定有一定偏差,存在測量溫度、構(gòu)件地面拼裝誤差、測量誤差影響。提升單元設(shè)置的監(jiān)測關(guān)鍵點均位于變形敏感部位,可有效把控提升單元整體變形,同時提高監(jiān)測效率,實現(xiàn)提升階段監(jiān)測快速響應(yīng),指導(dǎo)提升狀態(tài)同步性控制及提升就位。

因此,巨型空腹桁架樓蓋結(jié)構(gòu)提升全過程中有限元軟件模擬位移值與實測值吻合度高,完全可用于指導(dǎo)提升施工作業(yè)。

5 結(jié)構(gòu)提升焊接合龍及拆桿施工關(guān)鍵技術(shù)

5.1 焊接合龍

提升單元提升就位后,焊接順序在平面上遵循由內(nèi)向外、單桿雙焊和雙桿單焊原則。整體焊接順序為:先焊接核心筒間構(gòu)件焊縫,再焊接懸挑構(gòu)件焊縫,由軸向軸整體施焊。

核心筒間構(gòu)件先形成整體剛度較大結(jié)構(gòu),再焊接懸挑端部構(gòu)件,有助于控制焊接變形;同時整體焊接順序為由軸向軸施焊,～軸構(gòu)件先形成整體結(jié)構(gòu)。同時焊接過程中,提升單元產(chǎn)生由軸向軸的變形趨勢,結(jié)構(gòu)受力更加合理。

5.2 加固工裝拆除

待提升結(jié)構(gòu)與牛腿整體焊接完成后方可逐步卸載提升器,再拆除各提升加固工裝。提升加固工裝豎向拆除順序為:先按核心筒1～4順序,從下至上拆除工裝加固梁,再按核心筒1～4、提升點1～6順序,從下至上先拆除工裝豎桿,再從下至上拆除工裝反力梁。

6 結(jié)語

大平面多筒支承的大懸挑多層空腹鋼桁架樓蓋整體提升施工技術(shù)融合了計算機模擬、監(jiān)測與控制、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計等多方向技術(shù)體系,結(jié)合現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)成熟施工工藝,實現(xiàn)了大平面、大跨度、超重型鋼構(gòu)件高空整體提升。

以湖南廣播電視臺節(jié)目生產(chǎn)基地漂浮辦公樓南區(qū)大跨度多層樓蓋巨型空腹式鋼桁架實際施工為工程背景,通過有限元分析、過程監(jiān)測、構(gòu)件對接口實際就位精度測量等方法,對加固工裝設(shè)計、提升工裝設(shè)計、構(gòu)件對接口精度控制、結(jié)構(gòu)提升焊接合龍及拆桿施工技術(shù)進行研究,解決了整體提升過程中大平面多筒支承的大懸挑多層空腹鋼桁架樓蓋脫離核心筒后分離為多個零散獨立單體結(jié)構(gòu)的整體受力、保證提升結(jié)構(gòu)體系設(shè)計與原設(shè)計傳力路徑和受力模式保持一致、整體提升單元對接口較多時保證對接精度和成型質(zhì)量等技術(shù)難題。實現(xiàn)了漂浮辦公樓南區(qū)鋼結(jié)構(gòu)整體同步提升施工作業(yè),為類似鋼結(jié)構(gòu)施工提供了經(jīng)驗參考。