超高巨型转换桁架自平衡快速施工关键技术*

2023-12-13陈钰明佘志刚姚建忠周志刚

施工技术(中英文) 2023年20期

陈钰明,佘志刚,李奇,姚建忠,周志刚,胡新,张杨,李科

(中建三局集团有限公司,湖北武汉 430000)

1 工程概况

优必选总部大厦项目在1～9层进行结构转换,以36m超高巨型转换桁架将4根角部巨柱转换为地上16根竖向钢柱。转换桁架钢柱倾斜角度为14°,单个构件最大质量为42.5t,拼装整体起吊最大质量为58t,整个外立面转换桁架重约5 120t(见图1)。由于桁架承担塔楼标准层荷载转换传递,其构件具有巨型化、节点复杂化特点,施工采用依次逐层逐段高空散装法,复杂构件施工快速提升是关键。转换桁架施工阶段存在倾斜悬臂状态,在未形成桁架体系前结构应力和变形控制至关重要。

2 施工技术

2.1 异形构件快速吊装技术

转换桁架构件质量大,且形状不规则的偏心构件数量多,为实现构件快速吊装,桁架结构能形成体系,将外立面典型构件吊装分类管理:第1类为偏心小的多对接口异形构件,第2类为倾角大且相对规则的构件。

1)对于第1类构件,采用固定钢丝绳长度调整吊耳位置的四吊点吊装方法(见图2a)。其原理是在深化阶段找到异形构件重心,并在两侧布置临时吊耳(兼作临时固定耳板),通过调整吊耳位置确保同类型构件钢丝绳长度一致,实现构件起吊后角度与图纸相符或者与对接口平行,方便紧固和快速就位,缩短二次调节时间。

图2 转换桁架构件吊装方法

2)对于第2类构件,选用固定吊耳位置调节钢丝绳长度的四吊点吊装方法(见图2b)。构件设置主吊耳和辅助吊耳,主吊耳2个,布置在构件重心上方沿构件轴线方向偏移150～250mm处,确保主吊耳在吊装期间承受构件85%以上自重。辅助吊耳设置在距离斜撑底部50～100mm位置,用于调节段连接。在构件轴向上表面设置数显水平尺,通过重力感应实现倾角数字化显示,反复调节倒链长度,快速调整至图纸角度,便于节点对接和安装。

复杂节点及倾斜构件对接设置导向板,导向板由2块楔形和2块矩形钢板组成,分布在构件下表面和两侧,斜撑安装时沿导向板滑入指定位置即可就位和临时紧固(见图3)。复杂异形构件节点为偏心构件,采用加强型双排孔吊耳和连接板紧固,并在临时连接板一端设置圆孔,另一端设置长圆孔,避免施工和制作误差导致穿孔困难。

图3 构件导向板设置和临时连接

2.2 转换桁架结构施工自平衡技术

转换桁架体系结构对称布置,施工期间存在6层高双向倾斜悬臂阶段,倾斜悬臂最高点偏离首层柱中心水平距离为10m,为解决偏心导致首层巨柱节点附加倾覆弯矩问题,采用门式刚架对撑结构体系,每2层位置对撑,将镂空部分补全形成环向封闭结构,并优化6～9层施工顺序,优先实现结构环向封闭再向上施工。通过结构环向封闭,对称安装,施工高度同步,水平撑杆内力抵消,最终实现结构内部自平衡。塔楼1～9层转换桁架支撑布置如图4所示。

图4 塔楼1～9层转换桁架支撑布置

3 施工工艺流程

转换桁架施工流程如图5所示。

图5 转换桁架施工流程

4 施工准备

4.1 施工技术准备

4.1.1深化设计

对于不同类型异形构件,利用BIM软件找好构件重心,根据选用的吊装方法布置好构件吊点。此外,构件存在超宽、超重和偏心情况,深化设计时根据构件装车方式考虑卸下吊耳。

4.1.2预起拱值确定

转换桁架深化阶段要进行预起拱值确定,考虑结构对称分布特点,施工采用构件安装预起拱。起拱值主要考虑支撑刚架卸载后上部结构荷载和活荷载的作用,通过施工模拟计算确定。

4.1.3确定桁架构件安装顺序

根据结构对称特点,依次逐层对称安装外立面转换桁架,安装至相应楼层时,同步安装门式刚架对撑结构,确保外立面形成封闭环状,实现结构平衡。

4.1.4计算模拟分析

塔楼2个角部因与楼层无连接,施工阶段存在悬臂倾斜情况,对首层转换节点影响大。通过MADIS软件对转换桁架施工阶段进行模拟分析,分析构件安装对结构的影响,以及将应力、变形值控制在设计要求内所需门式刚架对撑结构的要求。模拟分析找出施工阶段结构最不利位置,并进行包络汇总,指导现场施工和结构安全管控。施工阶段桁架结构应力分析如图6所示。

4.2 现场施工准备

1)施工前对吊装班组进行技术交底,提前明确好构件位置和方向、安装顺序和施工控制要点。

2)在三维模型中输出异形构件控制点三维坐标,并转换成现场实际控制网三维坐标,在控制点上粘贴反光片。

3)对构件进场验收,严格控制构件外观和尺寸,尤其是异形构件多牛腿的相对关系。

4.3 门式刚架对撑结构制作

门式刚架对撑结构受力较小,施工阶段主要保证结构稳定性。根据受力特点,优先制作宽翼缘热轧H型钢。支撑柱截面选用HW400×400,水平支撑梁、对撑梁和斜撑截面选用HW300×300。加工前对刚架图纸进行深化、放样和编号,重点控制梁柱斜撑交汇处节点、支撑梁与结构连接的变截面处理。

5 施工控制要点

5.1 构件吊装

对于无倾角或偏心小的构件,按照吊装方法匹配相应的钢丝绳长度,构件竖起完成后直接达到图纸安装角度,并在地面将临时夹板通过螺栓固定在耳板上,随着钢构件同步吊装一次就位。垂直构件吊装如图7所示。

图7 垂直构件吊装

对于倾角大的构件,构件竖起完成后,将辅助吊绳设置在构件下端预留吊耳处,辅助吊绳由钢丝绳和手拉葫芦组成。调整手拉葫芦长度,改变构件倾斜角度。在构件上表面设置数显水平尺,可以动态数字显示构件倾斜角度,方便人员调节。构件角度满足要求后,吊装至安装位置就位(见图8)。

图8 倾斜构件吊装

构件吊至安装位置附近后,沿导向板滑入,精准就位,采用双排孔加厚连接板进行临时紧固,构件安装阶段无须二次加固。

5.2 转换桁架施工

5.2.12层桁架立面构件及对应门式刚架对撑结构安装

门式刚架对撑钢柱柱脚设置在首层混凝土环梁上(见图9)。在环梁上设置预埋件,采用铰接柱脚连接。

图9 门式刚架对撑钢柱柱脚大样

转换节点分叉为3个柱后超出板面一定高度,用于上部结构安装。2层结构施工期间,优先安装外立面角部直柱和中心支撑筒柱,再安装角部斜柱,每个立面对称安装。此外,同步安装2层范围门式刚架对撑结构、角部直柱与斜柱间的拉结钢梁、门式刚架对撑结构面外与中心支撑筒柱的拉结钢梁,最终使2层外立面形成封闭环状。施工过程严控构件安装精度,通过模型三维坐标和现场坐标系转换,得到现场实控三维坐标,并在构件顶部粘贴反光片,采用全站仪全程监控。外立面桁架和中心支撑筒柱安装完成后,进行2层钢梁安装。1～2层结构施工如图10所示(带圈数字代表安装顺序,下同)。步骤1为首层钢柱及对应门式刚架对撑结构安装,步骤2为2层立面结构及门式刚架对撑结构安装。

图10 1～2层结构施工

5.2.23～4层桁架立面构件及对应门式刚架对撑结构安装

3～4层结构采用逐层逐段依次向上施工。施工期间同立面对称安装。3层桁架立面施工期间,优先安装角部直柱,再安装斜柱及与斜柱间的拉结钢梁,与此同步安装3～4层对撑结构,包括支撑筒柱、X形斜撑、与中心支撑筒柱拉结的钢梁,由于对撑结构梁布置在4层,3层结构安装完成后会出现单节高度的悬挑,因此暂不浇筑柱内混凝土,开始安装4层桁架立面结构,施工方法同3层,并补齐水平对撑钢梁,使结构在4层形成封闭环状,再浇筑柱内混凝土。斜柱质量大、不规则,安装期间为方便构件角度调整,柱顶与直柱拉结手拉葫芦,用于精调。3～4层结构施工如图11所示。步骤1为3层钢柱、斜柱及对应门式刚架对撑安装,步骤2为4层立面结构及门式刚架对撑结构安装。

5.2.35～9层桁架立面构件及对应门式刚架对撑结构安装

根据结构特点,5～9层桁架立面施工原则为优先保证外立面结构形成封闭环状,确保传力路径贯通,实现内部平衡。5层结构先施工角部直柱、斜柱,然后柱间钢梁或拉结钢梁安装,形成稳定体系再施工楼层钢梁,同步安装6层下弦梁对应的支撑刚架。从6层开始进入标准桁架阶段,受构件质量和塔式起重机性能影响,结构从下向上依次施工,先施工角部桁架柱,再施工6层桁架下弦箱梁,然后依次施工斜腹杆、直腹杆、9层上弦梁。施工先保证角部稳定,再实现环向封闭。5～9层结构施工如图12所示。步骤1为5层立面结构安装;步骤2为安装6层角部钢柱、桁架斜腹杆及拉结钢梁;步骤3为桁架6层下弦梁安装及7～9层角部钢柱和斜撑安装,6层实现环向封闭;步骤4为安装7～8层桁架斜腹杆及结构拉结梁;步骤5为桁架7层直、斜腹杆及对应钢梁施工,7层形成封闭环状;步骤6为桁架8层直、斜腹杆及对应钢梁施工,8层形成封闭环状;步骤7为桁架9层上弦梁、柱施工;步骤8为完成外立面桁架安装。

图12 5～9层结构施工

5.2.4钢管柱内混凝土浇筑

外立面角部直钢柱和斜钢柱焊接及无损检测合格后,放置钢柱内钢筋笼,并利用塔式起重机和料斗浇筑柱内混凝土,2层浇筑1次,高度≤9m,并采用自密实混凝土浇筑。由于钢柱隔板浇筑孔径为800mm,期间采用混凝土振动棒振捣密实。

5.3 门式刚架对撑结构卸载和拆除

外立面门式刚架对撑结构及与楼层拉结的钢梁需在1～9层转换桁架、楼层钢梁施工完成后拆除。整体拆除方向为西面→北面→南面→东面,单个结构立面拆除遵循由上到下、先次后主的顺序。楼层中的水平支撑钢梁由上到下逐层拆除。每个立面支撑结构拆除时先完成支撑柱与结构梁的卸载,再根据拆除分段逐步将结构单元吊运至地面解体,人员高空作业采用曲臂车辅助。支撑柱分级卸载如图13所示(每次对称切割10mm,分级卸载,直至支撑结构与钢梁脱离)。

图13 支撑柱分级卸载

5.4 应力和位移监测

5.4.1应力监测

9层转换桁架施工期间,在施工及卸载阶段影响最大的首层4个角部转换节点和其他关键位置布置应变监测点(见图14),施工过程中实时监测节点应力变化,并和计算模拟值分析对比,确保各节点应力控制在设计允许范围内,其中首层转换节点位置应力控制在15MPa以内。

图14 应变监测点布置

5.4.2位移监测

转换桁架施工期间的位移监测主要在支撑卸载阶段,监测部位为6层箱梁,每个立面布设3个监测点(见图15)。

图15 位移监测点布置

5.5 上部结构施工

上部标准层施工,优先安装中心支撑筒结构,再进行外框钢柱、柱间斜撑和框梁施工,最后完成楼层辐射钢次梁安装,依次循环完成上部结构施工。

6 质量控制

6.1 施工质量控制措施

6.1.1复杂构件分段分节控制

巨型转换桁架中节点1,2处在桁架关键位置,节点整体性至关重要。由于构件截面尺寸及板厚大,导致节点1,2质量均达66t,构件外轮廓尺寸为6.6m×5.3m,已远超构件运输条件,因此节点拆分位置非常重要。为保证结构安全和施工质量,对关键节点采用ABAQUS 进行计算分析(见图16)。根据受力分析结果,结合运输和焊接空间需求,在节点受力较小部位进行深化拆分(见图17),保证节点完整性及受力性能。

图16 节点拆分及验算

6.1.2巨型桁架施工精度控制

对于复杂巨型桁架施工,一方面要控制构件本体制作尺寸,另一方面要保证现场安装精度。构件制作从组装顺序、装配定位、厚板焊接等方面入手,优化组装顺序,减小狭小空间作业,所有零部件装配采用同一个基准点,并提前考虑焊接变形收缩带来的结构尺寸偏差,做好预留。制作期间复杂构件每道工序组织验收,对构件牛腿定位、角度、本体尺寸等重点把控。通过结构模型转换得到现场构件三维控制点坐标,以此作为构件控制的理论坐标,并不断修正现场实测坐标值,直至接近理论坐标。构件测量校正宜在上午或下午温度较低时进行,避免因温度影响导致校正偏差。