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广州新电视塔结构施工关键技术

作者：吴欣之等    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要：610m高的广州新电视塔是世界最高的电视塔，也是一个典型的超高层建筑，具有高、扭、偏等复杂结构特征。本文对其关键施工技术和措施进行了分析和论述。 关键词：广州新电视塔、超高层、复杂钢结构、施工技术
    关键词：广州新电视塔结构施工关键技术

    一、 广州新电视塔简介
    广州新电视塔是为2010年广州亚运会建设的广播电视塔。位于珠江岸边，是广州新城市中轴线上的主要建筑物。总用地面积约 18万m2，总建筑面积 10 万m2，结构总高 610 m ，钢结构总量 5.5 万吨，7.2m平台层 3万m2。形体扭转向上，形成纤纤细腰，体态优美。

    广州新电视塔有一座454m的塔身和156m的钢结构桅杆组成，总高610m。塔身由钢结构外框筒和钢筋混凝土核芯筒构成。内外框筒通过楼层结构相连，但楼层缺失一半。功能层分段分布，外框筒由24根钢柱和46个钢椭圆环及钢斜撑组成，由下到上，截面由大变小，再由小变大，扭转而成，钢柱截面由2000mm渐变到1200mm。核芯筒结构高达448m，截面呈椭圆形，外壁壁厚由1200mm随高度减小到400mm，混凝土标号由C80变化到C40，内置14根工字型截面的劲性柱。24根外框筒柱呈空间三维倾斜，且环间距离高达10余米，且采用低收缩的C60混凝土。
    二、 广州新电视塔的特点和难点
    广州新电视塔这样一个标志性建筑，由于建筑师创新性的设计，使得结构具有以下特点和难点：
    （1）高：塔楼高454m，天线桅杆顶高610m，超高度带来施工高风险。
    （2）扭：钢外筒自下而上扭转45度，使结构呈三维倾斜，万余构件无一相同。施工变形控制难度大。
    （3）偏：钢结构底座与核心筒偏心9.3m，而顶部钢结构又与底座偏位9m，使结构在自重作用下发生侧移。
    （4）柔：结构细长，内外框筒连接较弱，核芯筒截面只有14X17m，高度却达450余米。
    （5）外：外框筒位于功能层外侧，因此施工时不能依靠楼层作操作面，大大增加了施工难度。
    三、 广州新电视塔的关键施工技术和措施
    由于面临上述结构上的特点和难点，广州新电视塔施工过程必然面临很多的技术难点和困难。技术攻关的难点主要是钢结构施工技术和超高混凝土施工技术。
    1、 钢结构施工技术
    广州新电视塔工程的最大特色和难点是钢结构的施工工艺，由于结构的高度和形体上的特殊性，钢结构施工的吊装、测量、焊接、变形控制等方面都存在很多的难题，在技术上采用了十大技术措施来解决这些难题。
    3.1.1 机械设备选择
    广州新电视塔外框筒钢结构柱子直径2m～1.2m，壁厚50mm～30mm，根据外框筒构成的情况及重量分布，宜将结构柱按环分节分段（约8～12m/段），环梁按照柱间长度分段，斜撑按间断点分段，柱子单件吊重约为20～40t。
    依据这样的情况和核芯筒的特点，选用两台1200t.m级的M900D塔吊作为主力起重设备，进行钢结构的吊装和就位。两台M900D分别安装于塔吊南北两侧，M900D塔吊的安装、爬升和拆除的技术要求非常高，创新设计了附墙体系，确保了塔吊的安全施工。另外，考虑到工期和结构重量的分布以及M900D安装的时间，100m以下吊装时，辅助以两台300t的履带吊，构成四条作业线，同步吊装，大大提高了速度。而且，通过对恰当的支撑手段和措施，在不改变永久结构的前提下，实现了300t履带吊上结构平台作业的技术路线。

    2、测量技术
    广州新电视塔由于体形特殊，结构高，同时条件差，所以结构测量的难度很大。针对这种情况，我们以GPS定位系统进行测量基线网的测设，以高精度全站仪为重要手段，进行构件空中三维坐标定位。
    为满足钢结构安装定位需要，利用周边通视条件好、稳固的高层建筑物，构建了空间测量基准网。空间测量基准网由五个空间点和一个地面点组成。
    由于现场施工条件的限制，平面测量基准网分阶段进行布设。鉴于电视塔结构远高于周边其他建筑物，为了满足结构施工的测量定位要求，位于地面的平面测量控制网沿核心筒壁进行垂直传递。在C区底板的核心筒外周设置投影基准点，每隔4至6层向上设置相应的高空施工控制点。设置投影基准点以及高空施工控制点时，考虑到在每节立柱测量时需与两个控制点保持通视，以便必要时进行校核。此外，施工时，核心筒外的6个施工控制点同场外空间测量基准网能够通视，以方便传递后的校核及观测时将作为后视。

    钢结构外筒均采用钢管构件，高空节点均为等强焊接连接。焊接量大，质量要求高，但高空作业条件差，气候影响明显。
    从保证焊接质量、提高焊接功效、减少焊接变形等因素考虑，并结合以往的焊接经验，采用了二氧化碳气体保护半自动焊为主，手工焊为辅，进行钢结构节点高空全位置焊接的焊接工艺。焊接时对节点采用对称分布焊接的施焊顺序，焊接单元内按立柱－斜撑－环梁的顺序控制，同环内节点采用对称分布、交错焊接，最大限度控制焊接变形的不利影响。

    4、 施工仿真分析技术
    在施工（焊接、施工荷载等）和自重作用影响下，以及在环境条件（风、温度、日照等）的影响下，结构会不断发生变形，如果不加以控制，会造成安装的困难和精度的不可控制，甚至留有安全隐含。因此需要事先对各种因素引起的结构变形和内力进行计算分析，并结合现场实测数据掌握结构在各个施工阶段和各种环境条件下的变形规律，指导结构施工。
    因此，以计算机模拟施工阶段结构验算为先导，进行施工工艺设计和施工控制是一项重要的施工技术措施。通过采用先进的软件平台MIDAS和ANSYS对施工全过程的工况进行了仿真分析，了解了结构在重力作用下的变形规律，同时对温度以及风荷载对施工各阶段的影响进行了评价和分析，确定了关键的工艺过程和方案。如确定了核芯筒领先外框筒50～70m等的技术方案，并确保最后施工完毕时，达到变形不超差，内力不超限的要求。

    5、 预变形技术
    由于广州新电视塔具有偏，扭的结构特征，因此结构在施工过程中，不仅会产生压缩变形，不均匀沉降，也会发生较大的水平变形，因此必须进行预变形控制，否则，即使初始安装位置精确，但在后续荷载的作用下，会发生较大的累积变形，使得节点偏离原设计位置。
    通过严谨的分析计算，制定了以阶段调整、逐环复位为特征的预变形方案，进行钢结构在恒载作业下的变形补偿。由于风荷载和温度荷载为可变和随机荷载，影响可恢复，因此仅对其影响范围进行了分析，确保安全，而不对其进行补偿。

    6、 实时监控技术
    由于广州新电视塔结构细长，施工时间跨度大，因此结构施工过程中受温度影响比较大，同日温差，阴阳面温差，季节温差这些变化始终贯穿于结构施工的全过程。因此必须其对结构变形的影响规律，对主体结构温度分布情况进行检测，并辅助计算机模拟计算，提前对结构温度变形情况进行分析和预测，以减小温度变形对结构施工的影响。
    根据上述情况，制定了以无线传输，实时检测的结构温度的检测系统，进行结构在环境温差条件下的温度监测的方案。具体实施方案是在均匀分布的8根立柱、3道环梁上和核芯筒的6根测轴上，布置温度传感器，其中同根柱子内外都布置温度传感器，采用无线传输技术进行采集，然后对其数据进行分析和处理，指导施工。
    同时也布置了少量应力传感器对结构内力变化情况进行监控，确保施工目标的实现。

    7、临时支撑技术
    广州新电视塔楼层分段集中分布，有大量楼层缺失，给钢外筒施工过程中的结构稳定和登高作业带来极大难度。因此制定了以径向布置的临时支撑作为结构在安装阶段的稳定措施的技术方案。即在楼层缺失处钢外筒结构施工时设置径向临时支撑作为外筒钢柱安装定位和结构临时稳定的措施，并作为核心筒通往钢外筒施工作业面的临时通道。
    径向临时支撑依据外筒钢环位置对应布置。每道环共布置12根临时支撑，原则上每间隔一根外筒钢柱布置一根临时支撑。临时支撑的长度不等，最长达31m,考虑支撑的侧向稳定，长度大于20m时增设侧向支承。其一端连接到核心筒劲性钢骨预设的连接件上，另一端搁置在外筒钢柱的环梁牛腿上。选取与外筒钢环梁相近标高的核心筒楼层处，布置临时支撑的内侧支点，尽量减小临时支撑两端的高差，便于现场施工人员通行

    8、 安全操作系统
    广州新电视塔钢结构安装为超高空作业，楼层的不连续，造成悬空作业。高空坠物带来的伤害风险也随着高度增加。同时由于外框筒外露于结构的外侧，因此钢结构施工安全设施设置的困难大大增加。根据结构和施工特点，合理规划、统筹安全作业设施就极为重要。
    综合分析后，制定了以垂直爬梯，水平通道，临边围栏，操作平台和防坠隔离设施，组成了安全操作系统。其中钢结构施工的安全措施操作平台进行了创新设计，适应了由于外框筒柱子密集，空间狭小的特点，具有安全可靠，装拆方便的优点。

    9、 气象保障措施
    风、雨、雷电、高温等构成的不利气候条件始终是建筑施工，特别是超高层建筑施工的一大威胁，广州新电视塔施工周期长达3年，且电视塔处于雷电的高发区域，因此更应重视不利气候的防御。因此，施工过程中委托广州市气象站负责工程周边地区的近地和高空的气象监测，对风力、温度、湿度和异常气候条件进行近期、中期及长期的气象预报，必要时（如天线钢桅杆安装时）进行实时监测和即时报告。同时建立了严密的防雷、防风、风雨措施。
    这样，就形成了以气象预测为主要手段，以防风，遮雨，避雷击为重点的全天候应对保障系统。
    10、 天线桅杆整体提升技术
    广州新电视塔156m高的天线桅杆，重约1800t左右，分成格构段和实腹段，设置于454～610m的高空，施工难度高。下部格构段施工时，可以利用移置放置于454m楼面的M900D塔吊，进行吊装。但是顶部约75m，220吨的实腹段是M900D难以达到的吊装高度。因此制定了以计算机控制，液压整体提升技术完成超高空桅杆的安装就位的技术方案。即将实腹段在格构段内组装完成后，利用在格构段顶部处设置的提升平台（设8组导轮和八根导轨作导向及抗风纠偏装置，以八组(16只)穿心式液压千斤顶及钢绞线为提升设备，由计算机多参数自动控制）实现提升段天线的超高空连续提升，快速就位安装。

    四、钢筋混凝土施工技术
    广州新电视塔钢筋混凝土结构，特别是钢筋混凝土核芯筒和钢管混凝土施工也是结构施工中的关键问题。这是因为，电视塔核芯筒内径只有17X14m，空间非常狭小；层高5.2m，层高较大；核芯筒截面呈椭圆形，线型控制难度高；内部剪力墙密集，操作空间狭小。而钢管混凝土柱直径较大（2～1.2m），空间倾斜，且位于功能层外侧，施工难度大，质量控制难度高。

    1、超高混凝土核芯筒施工技术
    根据核芯筒上述特点，制定了以整体提升钢平台模板体系的施工方案。整体提升钢平台体系由提升系统、平台系统、模板系统、挂脚手系统构成，外墙采用钢大模体系，内墙采用定型小钢模体系。依据项目特点设计的整体提升钢平台系统具有如下优点和特点：
    （1）充分利用了核芯筒内的劲性柱作为承力体系，具有较好的经济性。
    （2）核芯筒内部采用定型小钢模体系，实现了核芯筒内水平结构和竖向结构同步施工，使施工过程中的安全得到更好的控制，也使得施工过程中，核芯筒刚度大大提高，确保了核芯筒超高50～70m施工过程中，核芯筒结构的安全。
    （3）整体提升钢平台具有封闭的操作环境，避免了高空坠落的危险，确保了施工的安全。
    （4）钢大模体系整体性好，刚度大，保证了混凝土的施工的质量。
    （5）钢平台体系可以带载提升，提高了施工的效率。

    2、 超高混凝土泵送技术
    由于广州新电视塔结构超高，混凝土泵送高度将达到450m左右，且标号达到C45，因此混凝土泵送成为一项关键的技术。借鉴以往成功的经验，通过优化混凝土配合比和采用两泵两布，一泵到顶的技术，完成超高程混凝土的泵送。

    3、 钢管混凝土施工技术
    广州新电视塔钢管混凝土施工有别于普通钢管混凝土结构，一是空间倾斜，易造成那隔板底部产生空洞，二是由于钢管位于楼层外侧，难以采用布管，混凝土运输困难大。通过对比泵送顶升法、高位抛落法、立式浇捣法，最终决定采用高位抛落法施工，为此在进行了足尺模型实验，证明此工艺满足混凝土的施工和质量要求。
    为了克服布管的困难，在核芯筒东西两侧各布置一台38m臂长外挂爬升式布料机进行钢管砼的浇注，这大大提高了钢管混凝土浇注的效率。对于两台布料机不能全部覆盖到的区域，用M900D塔吊通过吊斗吊运混凝土，完成混凝土的浇注。

    五、其它专项施工技术
    由于广州新电视塔结构上的特殊性，施工技术面临多方面的挑战，如外框筒的涂装，超高空垂直运输，垃圾清理等都需要采用创新的专项技术才能解决。另外，如幕墙安装、机电安装都有其独特的特点，这些技术的解决，都将为以后超高层建筑的施工提供有益的指导。
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