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整体提升及高空滑移综合技术在高层建筑施工中的应用

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    王煦 孙伟 兰勇 候文洪 姜峰
    （长江精工钢结构股份有限公司 广州510630）

    [摘要] 随着钢结构工程施工技术的进步，钢结构工程的起吊技术不断进步，其中整体提升技术以效率高、成本低而得到广泛应用，本文重点结合施工工程详细介绍了整体提升与高空滑移相接合的施工工艺的主要技术和控制措施，以及整个施工过程的仿真分析方法、施工过程中相关土建结构的加固方法和施工安全防护措施等。
    [关键词] 起吊技术 整体提升 高空滑移 仿真分析
    Abstract: With the development of construction technology in steel structure,
    the heave technology in steel structure make progress, in that overall
    elevation erecting is comprehensively apply by right of high efficiency and
    low cost. This paper focus on technology and control measure in overall elevation
    erecting with top slide construction as well as the simulate analysis in the
    construction and reinforce measures in civil work.
    Key work: heave technology overall elevation erecting top slide simulate analysis


    1 工程概况
    大渡河流域梯级电站调度中心工程位于成都市南沿线三环路天府立交桥边城南副中心W2地块，是国电大渡河流域水电开发有限公司的经营管理中心、生产调度中心、工程建设指挥中心、流域开发策划中心、财务核算中心、员工培训中心等。

    工程总建筑面积74267平方米，地上20层，地下2层，建筑高度82.90米。本工程建筑防火分类为一类，耐火等级为一级。抗震设防烈度为七度。
    整个建筑19层以下平面呈“匚”形布置，19～20层则采用巨型钢桁架连接成封闭的“口”形结构，桁架高8.3m；结构中部2～6层设置阶梯形水幕桁架结构，层高5.2m；另有椭球形单层网壳结构位于2层副楼结构顶部；局部采用劲性钢柱结构

    2 结构体系及施工条件
    本工程19层以下为钢筋混凝土框架??剪力墙结构（局部钢结构），19～20层为巨型钢桁架结构，最大跨度42.3米。


    桁架一侧与劲性钢柱牛腿采用钢性连接，另一端则设置抗震支座，很好地满足钢桁架结构在各种荷载（如恒载、活载、风、地震力等）下所产生的反力传递、转动、移动要求，保证反力合力集中、明确、可靠，提高结构的抗震能力，支座位于混凝土牛腿上部。两侧牛腿均突出在结构外部，且混凝土牛腿与钢桁架杆件之间的间隙仅50mm，桁架弦杆距离混凝土结构200mm，钢牛腿的安装间隙仅10mm，以上都对该工程的提升造成较大影响，同时也对提升过程中结构的稳定性及安装精度等提出了更高要求。具体节点见下图：

    19～20层巨型钢桁架共分为西侧、北侧和东侧三部分。其中西北两侧由于下部均存在17层土建结构，而东侧桁架19层以下基本无其它结构，但钢连廊内侧支撑钢桁架与下部水幕结构2层楼盖边缘的梁柱投影位置重合；桁架南北两侧与之连接的为混凝土结构，且两侧结构垂直无突出，为提升施工的实施提供了有利条件；两侧结构虽已在土建施工时预埋了幕墙埋件，但对提升施工无较大影响。

    另外两侧的土建楼面局部向外悬挑，但为钢连廊的提升作业提供了平台，经过适当加固可完全满足施工要求。
    现场施工场地较小。拼装场地前面7m处为现场工人宿舍及办公用房，提升过程中的安全防范措施要有严格保证。
    3 提升和滑移相结合工艺的选择
    根据本工程各部分结构自身特点及现场施工条件的限制，本工程钢结构施工中综合采用了高空散装、双机抬吊等多种施工方法。东侧19～20层巨型钢桁架连廊的施工更是采用了整体提升和高空滑移相接合的综合施工技术，成为本工程施工的重点、难点及亮点。
    东侧钢连廊结构底部标高72.319m，且下部无其它结构，如采用常规的高空散装施工方案，不仅施工成本高，而且施工工期长；但采用单纯的提升施工，虽提升通道的垂直度等满足施工要求，又受到钢桁架结构自身特点的限制，原位提升则无法通过上部的混凝土牛腿及钢牛腿等障碍物，同时也受到下部2层土建结构的影响，原位拼装需要较高的临时支撑胎架，因此在此工程的实施中我们确定了整体提升与水平滑移相接合的综合施工方案，即先将钢连廊结构整体向外偏移750mm后在±0.000m标高位置进行整体拼装，然后再通过提升与滑移相接合的综合施工技术完成东侧钢连廊的施工安装。
    采用整体提升与高空水平滑移相结合的施工工艺，既减少施工临时措施，降低施工成本，又解决了桁架地面拼装场地与下部土建结构的重叠问题，避免了钢结构施工与土建施工存在过多的交叉作业，缩短施工工期。
    4 施工过程中存在的主要问题
    为顺利实现本工程安全，可靠施工，我们重点针对以下主要问题进行了研究，并制定了一系列详尽的解决方案。
     提升架的设计计算和提升、滑移过程提升架稳定控制
     提升结构的计算分析和加固
     提升通道的直线度保证
     提升过程的同步控制和提升力限定
     结构的就位及相应精确就位措施措施
     施工全过程的计算机仿真技术
     施工过程的安全防护措施（包括结构安全、设备安全、人员安全等）
    5 主要技术参数及施工过程简述
    5.1 主要技术参数
    提升重量：270t
    跨度：42.3 m；宽度：10.75 m；高度：8.3 m
    提升高度：72.319m
    水平移位：750mm

    5.2 施工工艺流程
    钢结构桁架结构的整体提升及高空滑移施工流程如下所示。

    5.3 计算机控制液压同步提升工艺
    整体提升施工采用的液压同步提升系统主要由液压提升器、泵源系统、传感检测及计算机同步控制系统组成。采用计算机控制，自动完成同步动作、负载均衡、姿态矫正、应力控制、操作锁闭、过程显示以及故障报警等多种功能，是集机、电、液、传感器、计算机控制于一体的现代化先进设备，自动化程度高，操作方便灵活，安全性好，可靠性高。
    本工程共设置4个提升架，提升架分别设置于连廊钢结构的四个角部上方，每个提升架对应桁架位置处设置一个提升吊点。

    本工程所使用的TJ-2000型液压提升器为穿芯式结构，中间分别可穿过18钢绞线，两端有主动锚具，利用锲形锚片的逆向运动自锁性，卡紧钢绞线向上提升。
    TJ-2000型液压提升器最大设计提升重量200t，提升速度控制在5～10米/小时。
    5.4 高空滑移施工工艺
    滑移措施由滑移轨道箱形梁、滑移支座、反力支座、限位板、千斤顶组成。
    轨道梁上需抹黄油以降低滑移摩擦系数。根据相关数据，钢对钢润滑后静摩擦系数、动摩擦系数均不大于0.1。提升点最大压力为80吨，摩擦系数取0.2，25t螺旋千斤顶可以满足要求。要求四个千斤顶为同一型号，行程、大小一致。
    滑移支座两侧限位板与支座间距5mm，保证滑移按要求轨迹进行。滑移支座下表面四条棱边须倒角，减小滑移阻力。
    滑移支座滑移前端设限位板（用角钢点焊即可），防止滑移距离过多。
    反力支座和千斤顶提供滑移动力。
    滑移同步须有一定保证。滑移方向上在轨道梁侧面设刻度尺，四个提升点每滑移5mm均停下核对一次，确保同步。另外四个同型号千斤顶根据指挥统一动作，确保千斤顶操作同步。
    6 主要的技术及控制措施
    6.1 提升架的设计计算和提升、滑移过程提升架稳定控制
    本工程提升架身兼两职，在作为连廊钢结构提升支撑架的同时作为其高空水平滑移的承重平台。提升架需承担总计270t的连廊钢结构的荷载以及施工机械、施工作业人员等施工荷载，另外还需考虑风荷载等其它不利因素。
    提升架计算分析过程中动载系数取1.4。根据计算分析，提升点1与提升点4的提升反力为55t，提升点2与提升点3的提升反力为80t。将提升反力值用于提升架的设计与计算分析。并要求施工过程中要满足在风力在6级以下才可进行提升施工。



    图13 提升架到位工况下的结构应力
    提升架后拉杆在整个结构的稳定中起到决定性作用，施工中通过在锚固点设置预埋劲性柱固定提升架与土建楼面，后拉杆与预埋劲性柱采用插板节点连接。

    劲性柱顶板前后加20*600*800钢板（Q345B），每块钢板采用7颗φ24化学螺栓或对穿螺柱（45号钢）固定，以增加预埋基础面积和强度。钻孔位置在梁、柱未穿处则采用化学螺栓。钻孔位置在楼板（120mm厚）钻穿采用对穿螺柱紧固，螺母与楼板下表面间加整块钢板，改善楼板受力。
    插板采用25mm/Q345B钢板，与预埋劲性柱顶板及相邻钢板熔透焊接，后拉杆尾部中间开槽与插板坡口焊接。这样拉杆尾部与劲性柱顶板有三条焊缝连接，同时与劲性柱顶板前后钢板均有焊缝连接，有效地保证了节点强度。
    提升架安装完成后，对后拉杆与立柱、预埋件的焊缝，悬挑梁与立柱焊缝等关键受拉焊缝采用超声波检测，确保焊缝有效强度。
    6.2 提升结构的计算分析和加固
    考虑到提升架位于80m高处的土建楼面以上，提升架本身固定条件差，难以满足钢结构的锚固要求，因此解决问题是本工程顺利施工的关键。
    通过以下两方面解决钢结构的锚固问题：1）通过在锚固点设置预埋劲性柱结构固定提升架与土建楼面；2）对土建结构进行加固来实现，从而确保了提升架及下部土建结构的安全性和可靠性。
    本工程中我们设计了劲性柱预埋在剪力墙中，其主要受力方向与剪力墙平行。根据对施工过程中各种可遇工况进行仿真计算的结果可知，作为拉杆预埋件的辅助劲性柱受到较大的拉力、剪力。

    施工中我们采用了图14所示的插板节点，有效保证了后拉杆与预埋劲性柱连接节点强度，同时也改善了节点周边楼板的受力状况。
    施工过程中荷载通过提升架传给土建结构，经对土建结构进行复核，发现北楼屋面、20层、19层各有三根梁不能满足施工荷载要求，南楼屋面、20层、19层各有两根不能满足施工荷载要求，须对相应土建结构作适当加固方可满足受力要求。

    对不能满足荷载要求的结构须进行加固补强后，悬挑梁下方采用钢管支撑、斜撑加固两层，其他部位采用钢管立向剪刀撑加固两层。进行加固后，经验算可以满足荷载要求。

    6.3 提升通道的直线度保证
    提升通道的垂直度的保证是本工程钢桁架能否顺利提升到位的重要因素。
    影响提升通道垂直度的主要因素在于土建结构上部的幕墙预埋件及土建挑檐等突出物，提升前利用激光垂直仪在桁架端部向上投射激光束，安排施工人员进行观测，发现南楼9轴混凝土支座与桁架立柱冲突，南端10轴主梁端头与土建挑檐相碰，边次梁翼缘板边缘与幕墙预埋件冲突。处理办法如下：土建混凝土支座外缘从北向南切除70mm，南端10轴主梁端头及边次梁翼缘板边缘切割一部分。
    6. 4 提升过程的同步控制和提升力限定
    提升过程的同步控制一方面利用提升系统自身的计算机同步控制系统进行控制，另一方面人工水平仪测量控制。每提升一个楼层后进行一次人工水平仪测量，主要控制对四个提升地锚位于同一个水平面内，当高差大于2cm时，需及时进进调整。
    同时，我们在本工程施工中制定了详细的应力监测方案，对提升桁架及反力架支撑点附近土建结构等关系施工安全的关键位置设置应力监测点，每个监测点设专人负责，当监测点应力达到报警上限值时监测人员应通知提升安装总指挥，达到许用上限值时应停止吊装，相关各方共同确定处理方案，确保施工安全。
    本工程施工的主要测试内容包括以下三方面：提升过程中相关构件的应力水平监测；桁架构件长期应力水平监测；提升过程中相关混凝土结构应力水平监测。

    根据提升桁架及提升架计算分析结果，选择桁架近支座构件、跨中构件等应力水平相对较大的杆件进行提升过程监控，共布置测点30个，具体测点布置见下图。主要监测仪器为应变片及振弦式应变计。

    为进行温差补偿，另外布置了5个温度补偿应变片。
    另外，根据现场条件和构件的受力情况，混凝土结构上共布置9个测点，其中北楼3个测点，布置在提升点2处的屋面层、20层的挑梁上以及20层柱上；南楼共布置6个测点，即提升点3处的屋面层相邻的两根梁上及柱上布置3个测点，提升点4处的屋面层、20层、19层的挑梁上布置共3个测点。
    吊装过程中对桁架起吊前、起吊后、至5层、至15层、至21层、滑移完、松索后共7个过程进行了监测记录。
    根据监测数据，四个提升点符近杆件应力最大值为114MPa，大多时间不超过80MPa，其它杆件内力基本不超过50 MPa。与施工仿真分析的计算结果基本吻合。
    6.5 结构的就位及相应精确就位措施
    按照本工程施工流程，结构就位时，首先要求将桁架整体提升到设计标高以上100mm处后通过螺旋千斤顶顶推到设计位置，顶推前先根据测量确定桁架就位点的位置，并在提升架的相应位置设置限位板，确保桁架水平位置准确。
    由于桁架拼装及牛腿安装等的误差，导致钢桁架杆件安装到位后不可避免的存在部分主梁与牛腿对接坡口有错边，施工中采用楔形铁块进行校正。

    6.6 施工全过程的计算机仿真技术
    为了确保整个屋顶提升块在提升过程中的安全性以及稳定性，需对提升块过程进行计算分析，以便及时了解提升块在提升时的内力和变形状态。计算时考虑了均匀提升及不均匀提升两种情况。根据经验及结构分析，提升点的不均匀提升量控制为3cm以内。


    从计算结果可以看出，提升过程中，在保证非均匀提升点与其他提升点的提升位移差不大于3cm的情况下，屋顶提升块在提升过程中出现不同步提升时，结构的强度、刚度依然满足要求，桁架各杆件的最大应力比不超过0.5。
    提升到位后，桁架的三层楼层梁与劲性柱焊接完成，且平面水平支撑安装完毕后，拆除提升点处临时新增的柱，而后再去除提升点。为保证此施工步骤时提升桁架结构的安全性与可靠性，对此工况进行了详细分析。


    分析证明桁架提升到位后与劲性柱连接工况下，在不去除提升点的情况下拆除提升点处临时新增的柱时结构安全、可靠。
    6.7 施工过程的安全防护措施
    （1）加强施工人员安全教育培训及安全交底工作，做好一切常规安全措施。
    （2）设置东面零标高层警戒区域、屋面层警戒区域、2层~20层警戒区域三个施工警戒区。确保在桁架施工区四周形成封闭的警戒区域，用隔离带作为警戒线，并张贴警示标识。
    东面工人住房在提升滑移操作期间不准住人，夜间在桁架钢绞线锁死的情况下可以住人。滑移到位后确定结构可以承受施工荷载，不存在坠落可能后方可住人。
    屋面层为液压提升设备及提升滑移作业区域，为保证提升滑移期间设备、用电等安全，只有施工有关人员和有特殊通行证者方可入内，其他人员严禁入内。另外需夜间派2人通宵值班，南北屋面各一人。
    （3）提升滑移操作区域安全措施
    操作区域20米范围内临边须搭设钢管栏杆防护（双横杆），楼板洞口须封闭。
    提升架操作平台搭设栏杆（双横杆），挑梁上满铺跳板，栏杆四周挂安全兜网（密目网影响操作视线）。沿提升架后拉杆两侧搭设扶手栏杆、底部搭设横杆，铺设跳板作为上下通道，跳板上钉木条作为防滑措施。
    螺旋千斤顶位于两件箱形梁之间，下方悬空，须垫铺木板，防止千斤顶下落。
    （4）桁架滑移就位后操作平台搭设
    吊点2、吊点4下方的操作平台，考虑到下方有混凝土柱，故采用在18、19、20层楼层内混凝土柱生根往外搭设悬挑架，并向上向下搭设至操作位置，将吊点下方三个平面上的操作平台相连接，并与预埋牛腿相连以保证脚手架的稳定。
    吊点3下方的操作平台，考虑到19、20层离预埋牛腿不远处都有一个土建洞口，故采用在这些洞口处生根往外搭设悬挑架至牛腿处并与上下层操作平台及牛腿相连的方式保证脚手架的稳定。
    吊点1下方的操作平台，由于下方是剪力墙，旁边离土建楼层距离远，脚手架生根困难。但考虑到其伸出的牛腿长度较长有1.15米，故考虑从吊点2下方搭挑架出来利用桁架搭设临时跳板和过渡脚手架至吊点1下方，在这个基础上搭设吊点1的操作平台，操作平台与伸出的牛腿上下卡紧，并利用土建挑出的局部短挑檐安放立杆，增加操作平台的稳定性。操作平台搭好之后把过渡脚手架和跳板撤去。
    具体搭设方式如下图，脚手架搭设后须满铺跳板：

    （5）提前对现场提升滑移设备故障、天气变化、停电、人员伤亡等突发性事件制定详细的施工紧急预案，做到未雨绸缪。
    7 结论
    （1）整体提升与高空滑移相结合的施工技术充分发挥了提升与滑移技术各自的优点，有效解决了结构自身条件对提升施工的限制及施工空间重叠的矛盾，大大节约了此类高层结构安装的施工成本。
    （2）提升架的设计安全、合理、牢固，施工安全防护措施得当，针对性强，满足现场施工需要。
    （3）施工过程仿真分析科学、详尽，充分做到了对本工程施工的指导作用，可以作为今后类似工程施工仿真分析的参考。
    （4）施工监测技术有效的保证了钢结构施工过程中桁架结构及提升反力架、混凝土结构的应力水平得到有效的监控。保证了施工过程的安全、可靠。

    参 考 文 献

    ［1］鲍广?等，钢结构施工技术及实例 [M] . 北京：中国建筑工业出版社，2005.
    ［2］王景文等，钢结构工程施工与质量验收实用手册 [M] . 北京：中国建筑工业出版社，2005.
    ［3］钢结构设计规范（GB50017-2003） ［S］. 北京：中国计划出版社，2003.
    ［4］北京土木建筑学会，张伯熙等，钢结构工程施工技术措施 [M] . 北京：经济科学出版社，2005.
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