大型连廊钢结构整体液压提升施工技术
2017-05-04 10:05:07

1.工程概况

连廊钢结构平面上位于结构的1-4~3-A轴之间,立面位于建筑的20层~24层之间,标高位于+84.595m~+101.700m之间。连廊结构20~22层为桁架结构,22层以上为框架结构。桁架结构层由2榀主桁架组成,其跨度分别为38.836m和30.600m,桁架自身高度8.4m,桁架上、下弦杆的两端同主楼钢骨柱上的钢牛腿连接。连廊钢结构提升总重量约为350t。

2.连廊钢结构整体提升的特点和难点

2.1现场平面需重新布置

根据主楼顶部钢结构和主楼底部钢结构的平面布置及钢结构的安装特点:钢结构的施工现场平面布置首先要保证足够的面积堆放数量众多的构件,每天安装的钢结构构件需提前运输到堆场,堆场的布置尽量在履带吊的作业区域内,堆场的布置还应结合现场土建施工的进度进行灵活调整,不能影响其它工种的关键工序的施工。因此,要求:主楼南侧的区域(地下室顶部区域)主要为钢结构构件堆放场地;靠近钢构件堆放场地处的施工道路应作为桁架组装时吊车的作业区域,其作业区的临时建筑物或其它与钢结构安装无关的杂物一并搬离或拆除;原有布置的塔式起重机可利用。

2.2连廊钢结构组装平台的搭设

由于受到场地限制和为了满足连廊钢结构整体提升,连廊钢结构组装位置只能在主楼下方配套裙楼的顶部,其提升钢结构的总量约为350t,因此必须在配套裙楼的顶部搭设连廊钢结构组装的组装平台,以避免对配套裙楼顶部楼板及地下室顶部楼板结构造成破坏。

2.3合拢温度的控制

由于连廊钢结构在提升到位以后,在进行对接接口焊接时,需要控制桁架的温度变化,减小因温差而产生的收缩变形。以保证桁架安装的精度和质量。

2.4对结构混凝土结构安全稳定性要求高

4组液压提升器的提升力是通过在标高+101.700m框架顶部混凝土柱顶设置的提升平台梁直接传到梁底下部的前后立柱上,前后立柱通过混凝土柱顶的预埋件直接传给顶部混凝土柱,直至传至基础底板上。因此,对顶部混凝土梁柱结构的钢筋需进行加粗加密设计。

2.5连廊钢结构的拼装精度要求高

连廊钢结构通过桁架两端的上下弦杆端部,与主楼钢骨混凝土柱上预留的8个钢牛腿进行对接连接。因此要求连廊在现场拼装时,必须保证桁架本身的拼装精度,使其弦杆端部的横向、竖向及对角线尺寸与钢牛腿之间的相互距离尺寸相符。

3.施工方案的确定

工程中,连廊钢结构最大安装标高+101.700m,若采用分件高空散装,不但高空组装、焊接工作量大、现场机械设备很难满足吊装要求,而且所需高空组拼胎架难以搭设,存在很大的安全、质量风险。施工的难度大,成本无法有效降低和控制,不利于钢结构现场安装的安全、质量以及工期的控制。

根据以往类似工程的成功经验,若将结构在安装位置的正下方的投影位置上设置组装平台,并将构件拼装成整体后,利用“超大型构件液压同步提升技术”将其整体提升到位,将大大降低安装施工难度,于质量、安全、工期和施工成本控制等均有利。

钢结构提升方案具体思路是:在其正下方的裙房屋面上在投影位置区域搭设组装平台,于组装平台上将连廊结构拼装为整体,利用主楼的框架结构设置提升平台(上吊点),共设置4组提升平台,每组提升平台配置1台液压提升器;在连廊钢结构提升单元的桁架上弦杆上与上吊点在上弦杆投影位置处安装提升临时吊具(下吊点),上下吊点间通过专用底锚和专用钢绞线连接。利用液压同步提升系统将钢结构提升单元整体提升至设计标高,并与已经安装好的钢牛腿连接,完成安装,具体见如下提升立面图(图3)。

4.主要的施工方法和技术措施

4.1现场接口位置和后装段的确定

连廊钢结构整体提升过程中,结构单元需从下至上通过各层钢牛腿。为保证已安装牛腿结构不影响结构单元的提升过程,并从利于拼接尺寸精确调整的角度出发,主桁架上下弦杆的分段接口到相邻轴线的距离,从下至上依次朝中部方向错开不小于50mm;框架层后装段构件待连廊钢结构提升就位后再行拼接,具体见如下图4所示。

4.2组装平台的搭设

连廊钢结构需在组装平台上进行。在原有混凝土结构地下室混凝土柱顶和配套裙房21.60m标高柱顶部,通过设置钢立柱搭设钢结构组装平台,所有平台构件与原有混凝土柱通过高强化学锚栓连接,组装平台见如下图5所示。

4.3桁架弦杆的分段与拼接

4.3.1桁架弦杆的分段

按260吨履带吊的起重性能表,对连廊钢结构中桁架弦杆进行分段,分段后弦杆构件重量在3.29∽11.11吨之间(其它钢构件重量小于2吨),履带吊吊车的作业半径在55m∽30.3m之间,完全能保证连廊钢结构的拼接要求。

4.3.2连廊钢结构的拼接

(1)预拱度设置

连廊钢结构拼接前,在组装平台纵梁上设置支撑板(支撑板设置于桁架下弦杆的节点处),桁架的预拱度根据支撑板的高度来进行调节。

(2)拼接顺序

连廊钢结构拼接按如下顺序进行拼接:

连廊钢结构支撑板的设置→桁架下弦安装→下弦平面钢梁安装→固定焊→竖向腹杆安装→桁架上弦组装→上弦平面钢梁安装→桁架斜腹杆安装→桁架焊接→上部钢框架构件拼接→焊缝探伤检查→涂装补漆→验收。

(3)吊车站位基础的处理

采用260吨履带吊直接将散件吊运至拼接位置。履带吊站位于地下室南侧挡墙外的施工便道路面上,对局部凹坑需进行回填并将吊车作业处施工便道上铺设500mm厚戈壁石,压实。再于吊车履带正下方铺设30mm钢板。

4.4提升平台(上吊点)设置方案

于连廊钢结构设计位置的正上方设置4套提升平台(上吊点),提升平台梁通过前立柱、后立柱与混凝土结构柱顶预先埋设的钢板相连接。

采用3D3S软件对提升单元建模受力分析,计算出下吊点处的提升反力,该提升反力通过钢绞线直接传递到提升平台梁端部,考虑钢绞线、液压提升器等的荷载,对提升平台进行结构设计;同时计算出提升平台前立柱(后立柱)处对混凝土柱顶的作用力,通过此作用力对预埋件进行验算。

通过计算确定:提升平台梁前半段选用B700×400×25的箱型截面,后半段(前立柱向后立柱方向2000mm开始)选用H700×400×16×25的H型截面,平台前立柱选用B300×300×25的箱形截面,平台后立柱选用B200×200×20的箱形截面,材料材质均为Q345B。平台立柱通过预埋件与主楼混凝土结构焊接连接,平台各杆件之间亦采用焊接连接,焊缝采用熔透焊缝,焊缝质量等级为二级,如下图6所示。

4.5提升下吊点设置方案

提升时液压提升器通过采用1860MPa级直径Φ17.8mm内侧7根(外侧9根)钢绞线与下吊点进行连接。钢绞线要求:应有材质证明书及复试报告。

提升单元在整体提升过程中主要承受提升单元自重产生的垂直荷载。根据提升上吊点的设置,下吊点分别设置在每一对应上吊点在待提升单元上弦杆的投影点处。下吊点与提升单元弦杆间采用全熔透坡口焊缝,焊缝质量等级为二级。

5.计算机模拟分析

5.1组装平台设计分析

采用3D3S9.0对连廊钢结构提升单元进行整体建模计算分析,考虑连廊结构自身的重量(节点增大系数1.1),将计算得出的连廊结构的作用力加载到组装平台上,对组装平台进行设计计算(平台设计时考虑:恒载*1.2+活载*1.4),计算分析得到:

(1)组装平台各支座Z向反力值在2.75kN∽942.16kN之间,全部作用到主体建筑的混凝土立柱上,由设计人员对主体结构进行验算,全部满足设计要求;

(2)平台本身的Z向最大位移为-23.8mm(跨度22.217m),满足施工过程中的结构的挠度要求;

(3)强度应力比在0∽0.79之间,满足平台结构本身的受力要求。

5.2提升过程的计算机分析

提升过程采用SAP2000有限元程序仿真分析:提升的作用荷载有连廊自重荷载,由程序自行考虑,考虑1.1的节点荷载增大系数;提升应力计算时,考虑1.4的荷载分项系数,变形计算不考虑分项系数。得出的计算结果如下:

(1)连廊结构本身构件的强度应力比均在0.1以下,满足结构的安全要求;

(2)连廊桁架结构跨中最大竖向变形11mm,下吊点间跨度为37.32m,变形为跨度的2.95/10000,小于规范规定的1/400的变形限值。

(3)结构的最小失稳安全系数为1.7,大于1,满足稳定安全要求。

6.连廊钢结构整体提升技术

6.1测量监控

6.1.1连廊结构变形监控

连廊结构组焊完成,经检验合格后,进行试提升。连廊结构向上提升离开组装平台200mm后,锁定所有液压提升器,停留一个晚上或12小时左右,用全站仪观测桁架结构弦杆上事先设置好的6个反射片和上吊点提升平台梁端部设置的4个反射片,测量桁架本身和提升平台梁的变形情况,并和试提升前的结果进行对比:

(1)桁架的挠度变形值为13mm,基本与计算机模拟分析的结果相符;

(2)提升平台梁端部的挠度变形值为5∽6mm之间,基本与计算机辅助计算挠度值5.5mm相符。

6.1.2提升过程的监控

试提升时采用逐渐上调油缸压力的方法按设计荷载的20%、40%、60%、70%、80%、90%、95%、100%进行分级加载,直至提升单元脱离组装平台,目的是避免连廊结构本身产生过大的应力集中。

在整体提升过程中,每个吊点及提升平台前后立柱处均需安排至少一人监视该点的情况,发现有位移、钢绞线断裂、脱锚、混凝土开裂及与原有建筑有干涉等现象时,及时通知操作人员发出指令停止操作,进行全面检查和维修后再继续提升。同时安排专业测量人员配备全站仪随时观测连廊结构的位移、标高及钢绞线的垂直度和提升平台梁端部的变形、水平位移情况,确保提升过程的绝对安全。

6.2同步提升控制

液压同步提升施工技术采用传感监测和计算机集中控制,通过数据反馈和控制指令传递,可全自动实现同步动作、负载均衡、姿态矫正、应力控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种功能。

液压同步提升系统设备采用CAN总线控制、以及从主控制器到液压提升器的三级控制,实现了对系统中每一个液压提升器的独立实时监控和调整,从而使得液压同步提升过程的同步控制精度更高,实时性更好。

操作人员可在中央控制室通过液压同步计算机控制系统人机界面进行液压提升过程及相关数据的观察和(或)控制指令的发布。

通过计算机人机界面的操作,可以实现自动控制、顺控(单行程动作)、手动控制以及单台提升器的点动操作,从而达到提升安装工艺中所需要的同步提升、空中姿态调整、单点毫米级微调等特殊要求。

计算机同步控制及传感检测系统人机操作界面如下图所示。

6.3整体提升合拢

提升就位后,为了防止水平方向上由于风力的影响可能会发生微小的晃动的发生,采用在安装接口位置利用葫芦或点焊固定板进行固定,然后再进行合拢工作;

连廊结构合拢时,采用葫芦和千斤顶调节桁架弦杆端部与预留的钢牛腿之间的间隙、错边或错位,使其符合规范要求;

连廊结构合拢温度控制:连廊结构对口完成经检查无误后,可先焊接完成桁架一端的所有接口焊缝,桁架另外一端的焊缝必须在环境温度达到5±5℃(当地当年最高温度、最低温度之间的中间值)时才能最后焊接,以达到连廊结构本身热胀冷缩所产生的应力值的均衡。

6.4桁架的卸载

6.4.1卸载条件

(1)连廊钢结构弦杆的现场接口的焊接工作全部完成并经探伤检查全部合格;

(2)各种施工资料齐备,经四方验收合格。

6.4.2卸载方法

卸载过程中总的的原则是:要充分考虑到桁架结构的整体稳定性及系统均匀受力——接近自由状态下增加荷载。要求:所有现场安装接口均完成后,四个点同时卸荷,分级卸载,每次卸荷25%。

6.4.3卸载过程中的注意事项

(1)在卸载时桁架两边各架设一台水平仪,随时对主桁架变形进行观测,若出现不正常(标高偏差过大),要及时报告现场技术负责人,并停止作业,情况分析后,报监理、设计和业主单位相关负责人,确定方案后,再继续进行施工。

(2)每个提升点的卸载均需在一天内完成,并于12小时后进行整体观测。

(3)卸载事关重大,施工前必须提前备好卸载用的工具、材料,并对全体参与卸载人员进行详细交底,施工人员必须严格按方案执行,听从现场卸载总指挥协调,保证卸载安全有序下进行,保证成功完成卸载。

7.提升注意事项

7.1提升前需建立一套完整的提升操作人员指挥控制系统,各小组或岗位人员各负其职。

7.2整个提升过程的检查应分多阶段分别进行。本工程共分为6个阶段:试提升前的检查;提升200mm后的检查;正式提升前的检查(隔夜检查);提升过程中的检查;快接近设计标高后的检查;提升就位后的检查。

7.3试提升前应进行全面细致的检查。主要检查内容:桁架结构本身焊接及拼接质量(含下吊点)的全面检查;桁架与组装平台间应完全脱离;桁架端部尺寸与钢牛腿尺寸的相符性;提升平台结构本身的焊接质量;上、下锚点的锚固情况;桁架预拱度的初始测量情况;提升平台梁端部的初始测量情况;提升平台前后立柱处混凝土的检查情况;钢绞线的垂直度检查等。

7.4试提升至200mm后锁定,观察一整夜或12小时,测量桁架的变形和提升平台梁的变形。同时对上述7.3条的检查内容再次进行全面的检查。

7.5连续提升就位后锁定,然后进行桁架纵横方向的调整并临时固定,合拢时要先完成桁架的一端,在完成桁架的另外一端。

7.6提升速度应控制在小于10m/h。

8.结语

工程于2015年9月开工,10月中旬开始连廊钢结构的现场拼装,同年11月底连廊采用整体液压个技术,选用4个提升吊点,每个提升吊点设一台XY-TS-135型液压提升器,经过8个小时的提升,终于将长38.8m、宽7.32m、高度近16.8m、重量近350吨的组合连廊钢结构,从8层楼面30.15m标高顺利提升至23层楼面93.15m标高,整个提升过程中均按事先制定的方案实施,未出现任何质量安全方面的问题,达到了预期的效果。在今后提升类似桁架时,还需注意如下几点:

(1)在桁架构件工厂制造时,应对桁架弦杆端部节段留有足够的余量,便于根据预留钢牛腿的位置对桁架弦杆组焊完成后的长度进行较准确的截取,确保现场接口安装的一次成功率。

(2)在桁架组装过程中,必须反复测量并控制桁架端部的拼装尺寸与钢牛腿端部的尺寸相符,确保安装接口质量的一次安装成功。

(3)在安装上、下吊点时,应根据组装平台上桁架下吊点的理论位置确定上吊点位置,待上吊点位置确认无误后再安装下吊点,保证上下吊点在同一垂直线上。在上下吊点的安装过程中应反复进行测量确认。

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