329.4 米高空屋盖大跨度重型钢桁架施工技术
2016-12-23 09:51:43

 █    王永好  张益民  苏铠  章二龙  喻正国(中国建筑第二工程局有限公司深圳分公司)

[摘要]汉国城市商业中心大厦在329.4米的屋盖设置了45米跨度的重型钢桁架,钢桁架结构异形、质量大、跨度大,施工困难,施工中项目采用了“标准化格构式支撑胎架、架空式底部分配梁、BIM技术模拟预拼装、应力应变监测、有限元分析”等施工技术,高效率、高质量地完成了重型钢桁架的安装,该施工技术工艺先进、安全可靠、工期缩短。

[关键词]超高层屋盖;标准化格构式支撑胎架;架空式底部分配梁;回顶支撑;有限元分析

1工程概况

建筑概况

汉国城市商业中心大厦位于深圳市福田区,大厦主要功能为酒店、商业、写字楼、文体活动设施,建成后将成为华强北新地标,项目总建筑面积163745m2,地上共78层,地下5层,建筑总高度为329.4m,钢结构用量2万吨。该工程在塔楼74层(标高:301.8m)至78层(标高:329.4m)的屋盖设置有大跨度重型钢桁架,钢桁架最大跨度为45m,总重量达到2200吨。大厦屋盖设计大跨度钢桁架,象征着与天际相连,皇冠加冕,见图1。

屋盖结构概况

该屋盖造型独特、结构复杂,采用空间异型多变形面的桁架结构,由上千根定制冷弯焊接方通用十字节点板组合而成,构件受力复杂,多杆件相交节点的空间坐标位置唯一,该屋盖由东西两侧共8根立柱支撑,76层的观景平台采用悬挑钢梁,78层的屋盖四周设置大型箱型边梁,屋盖中部由4榀主桁架和18个次桁架组成,75层仅在核心筒内设置楼层板,见图2。

76层观景平台由核心筒向筒外延伸有大量的悬挑钢梁组成,悬挑长度为10m,悬挑钢梁规格为HN900*300*16*28,见图3。

78层的屋盖东西向长度为45米,南北向长度为30米。箱型边梁尺寸为2000×1000×50(mm),每延米重量为2.5吨多,整根箱型钢梁为100吨重。桁架的杆件采用箱型截面,上、下弦为800×800×30(mm),腹杆为400×400×16(mm)、250×250×12(mm),每榀主桁架重量约为100吨。屋盖桁架为异形结构,用钢量大、节点复杂、现场焊接量大,安装精度不易控制,见图4。

2施工重难点分析

屋盖桁架吊装方案的选择

本项目76层观景平台由10米悬挑钢梁构成,离下一楼层板面高度达8.45m,悬挑长度大且钢梁重量大;安装76层观景平台后,还需进行屋盖大跨度钢桁架的安装,屋盖桁架距离76层悬挑观景观台高度达18m,单榀主桁架和箱型钢梁重达100t。塔吊无法吊装整榀桁架进行原位拼装。在这种情况下,传统的吊装方案通常为单件高空散拼和液压整体提升技术的施工技术。

若采用单件高空散拼施工方案,需搭设脚手架作为临时支撑系统,脚手架搭设高度达27.5m,耗时耗力且质量难以保障。

若采用液压整体提升技术,需要将桁架在76层观景平台进行拼装,76层存在大范围的悬挑钢梁,均布活荷载值为5KN/m2,拼装均布荷载大大超过5KN/m2,楼层板将无法承受荷载而产生破坏。

屋盖桁架安装精度的控制

本项目屋盖钢桁架安装为高空作业,安全隐患大且质量难以保障;屋盖桁架的施工环境狭小、桁架复杂多向,如何控制钢桁架变形及保证对口精确度,并使操作简便,技术经济可靠,也是本项目屋盖桁架安装工程需要解决的重要问题。

屋盖桁架的安全性的计算

屋盖大跨度钢桁架在安装过程中的受力状况,均与完工状态有较大差别,需要对钢结构及其安装辅助装置在安装过程中各阶段进行结构的内力、稳定性、位移量做理论计算,以确保钢结构及其安装辅助装置在整个安装过程的安全性及结构的安装精度。

3施工方案的确定

项目部对本钢结构工程的重难点、各种吊装方案进行了充分的分析并对比后,在74层和76层连续设置两层共24个格构式支撑胎架进行支撑和回顶,将屋盖钢桁架荷载向下进行传导,在胎架底端设计架空式底部分配梁。

项目预先在剪力墙上和结构柱柱顶端设置埋件,埋件比楼层板高出20mm,将埋件与架空式底部分配梁焊接固定,有效的将屋面桁架上部结构荷载和胎架自身荷载传至塔楼核心筒墙和外框钢柱上,避免了原结构的楼板因承载荷载导致的破坏变形。见图5。

4施工流程

5施工方案

桁架整体预拼装

屋面桁架复杂节点多、焊缝多,焊缝遍布于桁架各部位,在钢结构制作厂内进行桁架整体预拼装,一方面可以加快现场安装效率,另一方面也可以检验构件加工的质量和精度,对有问题的部位提前进行整改。通过利用BIM技术在电脑中模拟预拼装,反复演练,结合BIM软件特性,对整个预拼装进行有效的组织和策划。见图7。

屋盖桁架分段工艺

因塔楼共设置2台ZSL750动臂塔吊,根据现场构件卸车位置等情况,限定构件起重量为20t。每榀主桁架重量约为100t,因此将主桁架分为5段,钢桁架在加工厂直接焊接成分段后的结构运送现场,使用捆绑方式吊装结构,钢桁架的安装方法是高空原位拼装,钢桁架的分段拼接点位置设置在格构式支撑胎架正上方,见图8。

架空式底部分配梁的安装工艺

首先进行架空式底部分配梁埋件的安装,埋件根据钢桁架结构荷载、结构柱、剪力墙大小和位置进行设计,埋件安装在混凝土柱上方和剪力墙的立面处,混凝土柱上方埋件安装好后,埋件上表面比楼层板高出20mm,剪力墙立面处埋件锚板和剪力墙立面水平突出20mm,埋件采用全站仪与电子经纬仪联测定位放样,然后对放样点位进行自检并校核。

架空式底部分配梁根据格构式支撑胎架设置位置和埋件安装位置进行摆放,架空式底部分配梁摆放平面图参照见图9。

H型钢连接件连接件与剪力墙埋件和结构柱柱顶埋件焊接连接,埋件连接图参照见图10。

架空式底部分配梁及其埋件的截面大小由midas gen软件计算结果确定,安装时根据图纸要求严格控制安装偏差,采用二氧化碳气体保护焊,焊接形式采用开坡口进行半熔透形式,焊缝高度为5~7mm,具体高度应根据设计确定。在架空式底部分配梁的翼缘板焊接2个吊耳,以避免吊装过程中造成钢梁变形。

标准化格构式支撑胎架的安装工艺

本项目采用了标准化格构式支撑胎架,包括底座、底座节、2.1米调整节、0.9米顶梁节,可根据项目情况跟换顶部调整节和顶梁节,实现标高调整,拆装方便,可重复利用、回收,符合国家绿色材料使用规定。底部分配梁、埋件和格构式支撑胎架等截面大小,需根据有限元计算软件midas gen分析结果选择设计,尽可能减少安装过程中的荷载对主体结构的影响,见图11。

胎架拼装完成后,塔吊吊起整个胎架,根据布置位置,吊往架空式底部分配梁上,吊格构式支撑胎架与架空式荷载分配梁焊接连接,焊接形式为角焊缝,连接在格构式支撑胎架的底部,格构式支撑胎架连接构架照见图12。

74层格构式支撑胎架的设置  

在74层板面设置8个格构式支撑胎架,南北两侧各4个,这些格胎架一方面为76层悬挑钢梁安装做支撑,另一方面为屋盖钢桁架安装时,传导76层板面的荷载,因此74层胎架的位置要与76胎架的平面位置上下重合。

76层格构式支撑胎架的设置  

78层大跨度钢桁架位于约328米的高空,距离76层悬挑观景观台高度约18m,桁架东西跨度为45米左右,每榀主桁架重量约为100吨,采用原位拼装方法施工。在主桁架及箱型边梁的拼接点位置格构式支撑胎架,共四榀主桁架和两根箱型边梁,每个构件分为5段,中间有4个拼接点,因此共设24个胎架。其中16个胎架位置位于核心筒墙体上方,另外8个胎架与74层的胎架上下重合,见图14、15。

76层的胎架底部设置架空式底部分配梁,为了最大保证建筑结构的安全性,底部分配梁在楼面平面上尽量和混凝土梁摆放位置重合,因此76层架空式底部分配梁的位置与76层悬挑钢梁上下重合,分配梁与核心筒墙和下层结构柱的连接方式同74层。

桁架的安装

每个格构式支撑胎架均设置在两段桁架构件的焊缝接口处,胎架顶部设置两个20吨千斤顶,当构件吊装完成后,通过千斤顶进行标高调整。标高调整完毕后,在顶端型钢上用多个5mm厚度的钢板垫高型钢,最后的空隙塞不下5mm厚度的钢垫片时,可更换其他较小厚度的钢板,直到塞满。

格构式支撑胎架每节的杆件为圆管,通过焊接成型,每节之间通过螺栓进行连接,构式支撑胎架构件的组合设计与选用应根据被支承结构设计底标高与底部分配梁标高之间的设计高度进行计算确定,杆件截面大小根据相关荷载计算得出。

有限元分析

在屋盖桁架施工过程中,本项目采用无线振弦应变采集系统对被安装构件关键受力构件进行应力应变监测,并采用midas gen有限元软件模拟分析,以找出应力应变较大部位。从一次成型应力及应变分析图上看,在设计的恒荷载和风荷载情况下,一次形成的位移峰值位于箱型边梁和主、次桁架中部范围,见图17。

根据分析结果,桁架安装按顺序分为10个步骤,各施工阶段屋盖桁架安装系统位移及受力验算情况见表1。

表1 屋盖桁架安装系统位移及受力理论值

步骤 最大位移 最大应力

步骤1 0.16mm               4.4N/mm2

步骤2 0.239mm 4.08N/mm2

步骤3 1.05mm              19.1N/mm2

步骤4 1.076mm 19.5N/mm2

步骤5 1.318mm 25.4N/mm2

步骤6 17.3mm              33.5N/mm2

步骤7 18.06mm 36.7N/mm2

步骤8 24.3mm              70.1N/ mm2

步骤9 22.1mm 92.9N/ mm2

步骤10 21.38mm 93.8N/ mm2

步骤11 20.57mm 99.9N/ mm2

验算结果表明,安装阶段最大应力为99.9 N/ mm2,远小于Q345钢材的强度设计值,结构安全,证明该安装方案安全可靠。

应力应变监测

本屋盖桁架安装过程中,每个步骤监测得的安装系统z轴向下位移及应力数据见表2。

表2 屋盖桁架安装系统位移及受力实际值

步骤 最大位移 最大应力

步骤1 0mm              2.30N/ mm2

步骤2 0.14mm               3.58N/ mm2

步骤3 0.72mm   9.40N/ mm2

步骤4 0.86mm   12.90N/ mm2

步骤5 1.05mm   15.50N/ mm2

步骤6 11.80mm 25.45N/ mm2

步骤7 12.10mm 27.67N/ mm2

步骤8 15.53mm 30.01N/ mm2

步骤9 15.10mm 34.12N/ mm2

步骤10 11.39mm 40.09N/ mm2

步骤11 11.02mm 44.33N/ mm2

6总结

汉国城市商业中心“329.4米高空屋盖大跨度重型钢桁架施工技术”的成功应用,为超高超重空中钢结构的吊装提供了一种安全、可靠、经济的施工方法,,经广东省住建厅成果鉴定,该技术达到“国际先进水平”,该方法与常规施工方法相比,减缓了普遍紧张的超高层主体进度的压力,并且支撑系统为其他专业如幕墙、机电提供了施工工作面,整个拼装作,业均在支撑系统上进行,控制了桁架安装的精度变形、提高了工效,安全可控。

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