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特式吊楼分体与临时支撑施工技术

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （中国建筑工程总公司国内工程事业部李保平 安建民 余建国 赵连伟 张旭擘）

    【摘 要】 北京新保利大厦工程是一座造型新颖、结构型式复杂多变、外装修独特的大型综合性商务办公楼，位于其正面大厅一侧的悬挑式吊楼是本工程的一大特色，也是施工中的重点与难点。本文从工程施工角度论述了国内仅有、世界罕见的超大悬挑式钢结构吊楼的主要施工技术措施和方法，是对悬挑式结构设计与施工实例的探索。
    【关键词】 悬挑结构 分体施工 临时支撑体系 临时机构 铸钢组合节点

    一、 工程概况
    新保利大厦的外挑悬挑式钢吊楼共8层，高度自7.1m~45.1m，悬挑长度23.98m，宽30.58m，吊楼总建筑面积4439m2，吊楼总重设计值为4900t，其中钢结构总重1200t。吊楼主体结构由三个剪刀撑（XHJ-1~3）结构、与剪刀撑连接桁架梁结构以及悬挑桁架梁结构三个部分组成。吊楼的内侧与核心筒劲性结构焊接连接，外侧顶部的两个上顶点分别与两端锚固于22层核心筒的‘V’型预应力主钢索相连，吊楼外侧的两个顶点为多杆件特大组合铸钢节点，重约92t，主钢索为直径Φ260mm的组合高强钢绞线。安装完成后整个吊楼成外挑悬吊状态。四道斜拉预应力主钢索承受大部分结构荷载。

    特式吊楼的结构特殊性带来施工高难度。特式吊楼一侧立面与3#核心筒焊接连接，其余三面及结构底面均无连接和支撑。在顶部主钢索张拉前吊楼及施工荷载均需通过特别设计的临时支撑体系来承担；安装完成并主索张拉后，整个吊楼成悬吊状态，吊楼的大部分承重构件（特别竖向杆件）的内应力产生反向变化。
    二、 主要技术方案
    1. 支撑体系的设计与分析
    根据悬挑式吊楼的结构特点，须首先进行临时支撑的设计与安装，吊楼临时支撑的计算采用美国REI公司通用有限元程序Staad.pro，剪力墙通过板单元模拟，各钢构件均按杆系模拟。

    经过对施工过程的综合分析，将吊楼施工过程取两个状态进行计算，即a.米字剪刀撑与核心筒牛腿未焊接时(米字钢架上半部分仅起有限作用)模型。此时临时支撑系统仅承受吊楼钢结构自重以及施工荷载；b. 米字剪刀撑与核心筒牛腿焊接完成后，开始逐层浇筑砼楼板，此时临时支撑系统除了承受吊楼钢结构自重以及施工荷载之外，还需承受新浇筑砼楼板荷载。然后将这两个状态一次加载的力相加，就可以得出临时支撑系统所需承受的最大设计承载力。根据计算吊楼临时支撑系统的设计值分别为：
    A：N=2335+1506=3841 KN； B：N=3118+1851=4969 KN； C：N=2103+1275=3378 KN
    D：N=2423+1509=3932 KN
    考虑到安装吊楼悬挑结构部分所增加的荷载部分(1.2悬挑部分钢结构自重+1.4悬挑部分施工荷载1.5KN/m2)，经计算，将以上结果调整为：
    A：N=5400 KN； B：N=5950 KN； C：N=3720 KN； D：N=3730 KN

    经计算A~D点支撑柱分别采用Φ820×12、Φ820×142、Φ500×16、Φ500×16钢管，材质为Q345B。支撑柱自吊楼底部伸至基础底板，将上部荷载通过支撑柱传递支结构基础。地下室楼板在支撑柱位置预留洞口，并按设计要求将此处钢筋加密。钢柱利用塔吊吊装就位。为保证支撑柱的稳定性，柱间增加横梁及斜撑。
    2. 支撑柱（B、C点）顶标高的确定
    通过分析计算，由于主钢索预应力的作用，整个吊楼在主钢索张拉后B、C点将提高20～30mm。为了保证吊楼楼层结构标高，B、C支撑点按设计标高起反拱25mm。


    在吊楼各层混凝土楼板浇筑完毕、主索张拉到一定值后，支撑柱可拆除。临时支撑拆除后，将洞口处预留钢筋搭接10d，焊接牢固，采用吊模将洞口用微膨胀混凝土填实。
    3. 悬挑式吊楼钢结构安装
    3.1 吊楼安装顺序
    吊装顺序由下至上逐层安装，具体安装顺序原则为：临时支撑架安装→操作脚手架的搭设→剪刀撑结构安装→剪刀撑结构间连接桁架安装→连接桁架上、下弦支撑安装→压型钢板及栓钉安装→悬挑结构安装→斜拉钢索安装。根据安装顺序对构件进行分段如下页图示。
    3.2 米字剪刀撑的安装
    米字剪刀撑为吊楼主要受力构件，其节点结构形式复杂，均为进口GR.60级热轧型钢。米字剪刀撑截面尺寸最大为H569×545×78×125mm，构件单重最大达13.71t，板厚达125mm，吊装、焊接均有较大困难。且节点处受力复杂，对安装精度要求较高，因此吊装时必须保证其安装精度，焊接时须保证焊接产生的残余应力最小。同时由于米字剪刀撑安装时结构未形成稳定体系，因此必须使用两台塔吊进行配合作业。


    4. 吊楼的焊接
    4.1 焊接工艺
    钢结构焊接是特式吊楼安装工程中的另一难点，由于节点复杂，板厚度大，因此合理的焊接工艺参数和焊接顺序就显得尤为重要，针对特式吊楼的节点的板厚、焊接位置及焊接方法、焊接设备，现场进行了焊接工艺评定，以确定最佳参数，保证节点受力需要，减小热输入。焊接时为防止厚板收缩引起整体变形和减少焊接残余应力，米字剪刀撑厚板节点焊接时先焊2/3，然后进行其他构件焊接，最后完成米字剪刀撑剩余1/3焊接。在常温下采取这样的焊接方法，对工效影响不大，既能够减小结构整体变形，同时减少了焊接节点的热输入。
    4.2 焊接顺序
    竖向分三段进行，吊楼2L～4L层吊装完成后即进行此段焊接，先焊2L层，形成平面刚性体系，保证“底座”的安装精度并为上部结构提供安装基准。然后吊装和焊接5L～7L层段、8L～9L层段。焊接时先焊剪刀撑节点，后焊钢梁，最后焊接桁架。米字撑焊接顺序详见下图：

    米字撑焊接顺序
    5. 非标高强螺栓安装
    吊楼顶部钢索工作点为高强度钢铸件，碳当量高，可焊性差，因此工作点与吊楼之间为高强螺栓预应力连接。螺栓的规格为Φ36×830mm、Φ36×930mm和Φ30×800mm三种。非标高强螺栓性能参数如下，等级：10.9级；材料：42CrMo；冲击韧性：≥59J/cm 2；抗拉强度1040～1240MPA,硬度HRC33～39；表面处理：发黑。
    5.1 钢铸件与过度节的组合和就位
    安装时先将吊楼与钢铸件间的过渡构件在地面插入钢铸件的榫型接头，然后把高强螺栓插入栓孔，并按既定顺序完成初拧。利用塔吊将钢铸件连同过渡构件一同吊装就位，然后在高空完成非标高强螺栓预应力张拉和终拧。
    5.2 非标准高强螺栓的安装和张拉
    Φ36非标高强螺栓为钢厂特制双头螺栓，但两端螺纹长度不等，螺纹较长一端为张拉端。安装时须考虑张拉设备高空作业面要求，确定螺栓张拉端朝向。
    特式吊楼钢铸件中M36高强螺栓为国内目前首次使用，经与设计院及国内相关专家多次探讨，确定用特制预应力设备采用张拉法施工。根据已选定的预应力张拉施工工艺，采用柳州VLM预应力有限公司生产的全套张拉设备，整套设备包括电动油泵、穿心式千斤顶及为本项目特制的其它工装设备。M30高强螺栓采用大型扭矩扳手施工。
    根据《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》（JGJ82-91）中对大六角头高强度螺栓施工预拉力的计算及规定结合节点张拉状态后的有限元分析，M30高强螺栓的施工预拉力为 390kN，M36高强螺栓的施工预拉力为 515kN。
    在张拉过程中为保证张拉过程中的预应力值，以控制预应力的施加防止出现超张拉现象。在液压穿心千斤顶使用前进行标定，求出其力的回归方程，力值F(kN)与压力值P(MPa)的直线方程：F=-0.623902+12.1296P
    施工前为验证施加的预拉力满足设计要求，用现场张拉设备辅以传感器检测手段对其中的六个点用六根特制加长高强螺栓进行同条件下的预拉力测试。通过传感器数据校核张拉设备的回归方程，确定最终油压值。


    M30、M36高强螺栓初拧值为终拧值的50%，初拧后24h内完成终拧。施拧顺序由上至下从中间到两边的原则施工。
    6. 钢铸件组合节点安装

    特式吊楼顶部钢铸件组合节点位于特式吊楼标高44.785米处。钢铸件组合节点为三个剪刀撑结构XHJ-1~3在外侧顶部相交处。钢铸件与吊楼钢结构之间通过过渡构件连接，过渡构件与钢铸件之间为M30、M36非标高强螺栓及销轴连接，过渡构件与吊楼钢结构则为焊接。钢铸件共有七个连接端，因此安装阶段必须保证结构杆件、钢铸件就位准确，才能保证所有节点均能有效连接。在构件安装前必须在钢构件相应位置上精确放线。
    6.1 临时机构安装
    为确保结构的整体性，当单个构件柱、梁校正完毕，进行临时或永久固定，必须将构件间的临时结构安装好，以增强吊楼结构的总体刚度，保证已安装结构的稳定。
    临时结构设计图如下：


    6.2 钢铸件安装
    临时结构安装完毕后，搭设脚手架操作平台，进行钢铸件吊装。首先就位组合式钢铸件，校正其平面位置及各个方向角度，然后将七个连接端逐一连接。校正时使用塔吊、手拉葫芦、20t千斤顶，使各个方向的安装误差均在规范要求范围内。与钢铸件连接的所有杆件由内至外逐个就位，安装销轴。最后进行过渡构件与吊楼钢结构之间的焊接。
    待钢铸件所有焊接及机械连接节点完成且主索安装后方可拆除临时结构。


    7. 临时支撑拆除条件
    7.1 钢结构构件全部焊接或机械连接完成并验收。
    7.2 吊楼各层混凝土楼板浇筑完成，并达到设计强度。
    7.3 安装4根主钢索，并张拉至0.4 Fcon后吊楼和支撑脱离，此后可以随时拆除临时支撑。
    三、 特式吊楼安装过程中的检测
    1. 过程检测
    本工程中的特式吊楼结构形式特殊，受力复杂，吊楼整体位移及关键应变监测十分必要，通过对结构受作用前后的性能进行观测，对主要监测数据进行分析以反映结构的整体工作的状况，从而对结构的工作性能作出正确的评估。在为本工程结构施工期间的安全施工提供必要参考同时也为结构在使用期间的监控提供可靠的原始数据。

    2. 位移测量结果
    最终位移测量结果和设计计算值、安装反起拱值一致。
    主索张拉过程吊楼位移检测详见下表：


    四、 结束语
    新保利大厦悬挑式吊楼钢结构安装工程完成后，通过应变和位移监测，吊楼在钢索张拉过程中结构受力稳定，吊钢索张后变形楼结构整体在设计允许范围之内。本工程的成功实施，对建筑钢结构的高强厚板焊接、临时支撑体系的应用、非标高强螺栓张拉法施工及铸钢组合接点安装都具有很大参考意义。
    1. 设计变形数据与实际检测数据完全吻合，证明了设计计算模型是完全正确的。
    2. 构件的加工精度直接影响现场施工，特别是组合式钢铸件和米字剪刀撑等复杂节点的必须从加工到安装全过程应用QC方法进行全面控制方可保证正常施工。
    3. 安装过程中，控制安装精度是保证变形控制的关键，故在安装方案中不仅需安排合理的焊接顺序，每个节点的安装和焊接必须精益求精才能减小焊接内应力产生的变形。
    4. 四根主索（大直径预应力钢索张拉施工技术）作为吊楼使用过程中的受力机构，其张拉对吊楼的影响非常大。吊楼采用临时支撑系统的安装过程与其使用时的悬吊状态受力完全相反，主索张拉过程中吊楼内力重新分配，其施工过程的控制是关键所在。在主索张拉过程中，对结构应力应变、位移进行全过程的检测，随时掌握吊楼关键部位的受力状态，对保证结构安全具有重大意义。

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