双塔高层钢拱连体结构的安装施工

2021-12-22李今兴

建筑施工 2021年9期

李今兴王勇

1. 杭州双塔置业有限公司浙江杭州 310013；2. 杭州宋都房地产集团有限公司浙江杭州 310013

大跨度钢拱结构在市政桥梁工程项目中应用较为广泛，在民用建筑中主要应用于一些体育建筑，如文献[1]中采用的步进式顶推滑移施工方法。

本文重点介绍了在民用双塔高层建筑间设置钢拱连桥的施工方案，通过综合比较和施工模拟分析，创新性采用了地面低空拼装、旋转起扳提升、高空嵌补连接的方式，目前该钢拱连桥已完成结构施工，从实际实施效果来看，工期得到了有效控制，综合成本得到了有效节约。

1 工程概况

杭州之门项目位于杭州市萧山区钱江世纪城，为办公楼、酒店及商业等一体的综合大型项目，如图1所示，用地面积约77 572 m2，总建筑面积约为513 226 m2。项目包括2幢高302.6 m的对称塔楼，塔楼地上63层，地下室3层，总建筑面积约513 226 m2，其中地上建筑面积约359 454 m2，地下建筑面积约153 772 m2。

图1 杭州之门项目总体效果图

双塔间在底部设有跨度约60 m、高约22 m的钢拱连桥，连桥上方设有悬垂屋面体系。连桥与塔楼在±0 m层以上通过伸缩缝完全脱开，悬垂屋面从双塔21层的悬挑钢桁架端部挑出，悬垂屋面与钢拱连桥间没有竖向约束，竖向变形相互不影响。钢拱连桥包括底层钢拱结构层、拱上柱梁结构、6层型钢桁架结构。底部为6榀钢拱杆件，采用连接杆连接，拱上柱梁为H型钢构件，拱顶标高以上设有5层钢结构楼面，楼面上支撑有6层钢结构屋面结构（图2）。

图2 钢拱连桥施工单元划分示意

2 钢结构施工特点和难点

本工程钢拱连桥造型独特新颖，结构节点复杂，制作和安装的精度要求高。且焊接构件采用了大量中厚板材，厚板的焊接质量对本工程有直接的影响，确保高强钢厚板焊接质量是本工程的重点之一。钢拱结构采用地面低空拼装，旋转提升过程中的钢拱及节点受力需要进行全过程模拟计算。旋转提升后在钢拱中间部位进行高空焊接嵌补合拢，施工测量精度要求高，且施工时必须以合理的施工工序并选择合适的气候环境对变形予以控制，以减少钢拱产生的次应力。每2榀钢拱合拢完成后需要安装横向连接杆件将两整榀钢拱形成稳固单元，并需通过计算模拟来判定内力转换过程中结构和临时支撑的安全性和稳定性。

3 施工方案的确定及计算模拟分析

本项目的钢拱连桥平面结构如图3所示。

图3 6榀钢拱及提升支撑架平面布置

根据本项目钢拱连桥的结构特点及工期控制要求确定对6榀钢拱分别分2段进行地面低空拼装，并在半榀钢拱的塔楼根部一端设置转轴，另一端设置高空塔吊标准节支撑架，支撑架上端设置提升设备。待每半榀钢拱拼装完成后，采用提升设备将钢拱旋转起扳提升至钢拱安装的高度位置，如图4所示。待2个半榀钢拱均采用同样方法提升至安装位置后，对钢拱最中间的一支后装段进行嵌补安装，钢拱最大提升质量64 t。待相邻两整榀钢拱均按照此施工方法完成安装后，将两整榀钢拱之间的横向连接杆件进行安装，以便使两整榀钢拱形成稳固单元，南侧2榀和北侧2榀钢拱均按此方法进行安装。对于中间2榀钢拱，由于起扳提升行程相同，对其采取同步提升的方法进行施工，拼装方法与其他4榀钢拱相同，起扳提升时同侧的2个半榀钢拱同时起扳提升。待6榀钢拱构件均安装完成后，依次安装钢拱上方3—5层的立柱和楼层梁，最后进行6层17榀型钢桁架的安装。为验证该施工方案的安全性和稳定性，采用有限元软件对钢拱的旋转起扳提升结构的应力和变形等受力状况进行了综合分析，计算结果如图5、图6所示。

图4 1/2结构即半榀钢拱起扳提升模型

图5 起扳提升开始状态拱肋应力变形

图6 起扳提升结束状态拱肋应力变形

起扳提升开始时，拱梁最大应力比为0.21＜1.00，结构悬挑端最大竖向变形为37 mm，为悬挑长度的1/378，小于1/200，均满足规范要求。为验证旋转起扳提升塔架的安全性和稳定性，采用有限元软件对支承结构进行了有限元仿真分析，计算结果如图7、图8所示。

图7 支承塔架应力分布

图8 支承塔架变形分布

起扳提升时，结构最大应力比为0.97＜1.00，支架顶部最大水平变形为210 mm，其高度约为23 000 mm，变形为高度的1/110，满足规范要求。

为验证旋转铰接点的应力情况，采用了Ansys软件对局部节点进行了结构建模，并根据旋转起扳过程中产生的最大节点力分析应力和变形等受力状况，如图9所示。

图9 旋转铰接点应力和位移云图

根据以上结果可知，节点最大应力为53 MPa＜295 MPa，最大变形为0.2 mm。结构的强度和刚度均满足要求。

根据对钢结构、支承塔架及旋转铰接点的有限元模拟计算，提升过程中产生的应力和变形均在可控范围之内，满足施工过程中安全性和稳定性要求，且施工过程中对钢拱结构产生的次应力对原设计的影响基本可以忽略不计。

4 主要施工技术

4.1 钢拱连桥构件的分段

为了保证构件质量满足塔吊额定荷载，以及保证构件长度满足运输要求，需对钢拱连桥的箱形钢拱杆件、钢拱上方立柱、钢拱端部立柱以及钢拱6层桁架进行分段。

4.2 钢拱构件安装工艺流程

钢拱分段拼装及旋转起扳提升安装的主要施工工艺流程如图10所示。先搭设先拼装的半榀钢拱的高空提升支撑架，在钢拱两侧各设1个支撑架，在2个支撑架上端设置提升横梁，在横梁上安装提升设备（支撑架高度高出钢拱的就位高度，支撑架高度22.400 m，钢拱高度 20.225 m）。

图10 钢拱杆件地面低空安装流程

采用提升设备将先拼装的半榀钢拱旋转起扳提升至安装高度，同步可以将后拼装的半榀钢拱的端部剩余杆件拼装完成，如图11所示。再按照先拼装的半榀钢拱的操作流程，搭设后拼装的半榀钢拱的高空提升支撑架，在钢拱两侧各设1个支撑架，在2个支撑架上端设置提升横梁，在横梁上安装提升设备（支撑架高度高出钢拱的就位高度，支撑架高度22.400 m，钢拱高度20.225 m）。