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法门寺合十舍利塔钢结构安装技术

作者：雷文秀等    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要: 法门寺合十舍利塔工程属异性钢骨混凝土结构，本文着重对其钢结构部分的特点、安装方法及采取的技术措施进行介绍。关键词: 钢骨混凝土结构 悬挑结构 安装
     

    一、工程概况
    法门寺合十舍利塔工程位于陕西省扶风县保存释迦摩尼真身舍利之地法门寺，该塔在设计造型上结合佛教文化，选型双手合十状，立面呈多次折线型，属标志性特种结构。设计单位为上海建学建筑与工程设计所有限公司，安装单位为陕西省机械施工公司。
    该塔主体结构为钢骨混凝土结构，其中钢骨结构由竖向钢骨柱和水平钢骨梁组成，竖向钢骨柱采用十字形柱以及矩形、方形、日字形、L形、折线形多种箱型柱，水平钢骨梁有工字形钢骨梁、箱型钢骨梁、桁架、槽钢格构梁等。
    钢骨总用量约1.48万吨；分塔楼、牟尼珠、塔刹、堂塔四部分构成。塔楼总高127m，唐塔标高约在84m，牟尼珠标高133m，塔萨标高147m，。
    钢骨柱、钢骨梁构件钢材选用Q345GJ-C低合金钢，要求热轧或正火状态交货，其碳当量ceg≤0.42，焊接裂纹敏感性系数Pcm≤0.29。
    底脚螺栓、柱基底板、钢骨柱底板、［32a、［40a及连接角钢和钢板均采用Q345B低合金钢。


    二、钢结构施工特点
    1、结构复杂
    钢骨结构体系平面展示为双对称结构，体系沿高度方向平面变化大，转换、转折节点以及开口数量多，层间尺寸大，外形三次折线往复变化，钢骨柱长度变化多，加之采用悬挑形式施工，使施工安装难度加大。
    2、结构体系的不稳定性
    本工程为筒体钢骨砼结构，从计算模型来分析，钢骨结构体系不稳定(变形大)，在工期相当紧张的情况下，钢骨结构超前安装定位必须采取预变形值来调整，或采取加强结构刚度与调整变形值相结合的方式。
    3、工期紧，工程量大
    本工程钢结构总重量超过1.48万吨，钢骨构件数量多， 2007年4月下旬进场，要求在年底完成吊装任务，因此对制作、安装的工期要求非常紧。
    4、结构变形测试复杂，难度大
    结构的整体变形主要体现在结构的各个拐点的位移变化，该变化是累加的，需要连续观测，直至整个工程竣工；局部的变形主要监测单层结构完成后的该层的位移变化，包括钢骨架完成、混凝土浇筑前后的变化，这只是阶段性的观测，该施工段过后就不需再监测。舍利塔各控制部位的变形随着结构的上升，不断的累加。根据累加计算结果，附加一定的经验系数，确定各控制点处的初始预调值。使结构完成后达到设计要求。
    5、构件就位精确测量控制影响因素多
    在施工各阶段包括主体钢骨、楼层混凝土工程施工，随着结构自重、活荷载、温度荷载、风荷载以及相对沉降等不断变化，将对塔楼产生不同的作用效应，特别是在悬挑部分施工的各个阶段对精确测量带来影响。预设调整值和精确测控在整个施工中至关重要，也是保证结构最终状态的关键。
    6、焊接作业量大，焊接要求高
    本工程各层基本均有约160根钢骨柱对接，对接焊缝等级为一级，检验等级为B级，评定等级为Ⅰ级；有上千根槽钢、型钢墙肢、10-20根H型钢骨梁和桁架梁需要焊接，每层一级全熔透对接焊缝达1000-1500m，加之于土建工序参差，焊接量大，作业时间短。本工程焊接质量等级要求高，控制焊接变形、消除残余应力，消氢、防风措施，是本工程钢结构焊接的重点内容。
    7、结构施工中的倾斜悬挑大
    塔楼高127m，54m-74m向外倾斜54°，74m-104m向内倾斜54°，悬臂部分外伸22.5m。悬臂部分安装是本工程最为关键的部分，施工难度增大。
    8、特殊节点复杂
    该塔属特殊结构，节点受力大且复杂，故选取了以下各种节点类型。

    9、施工安全技术要求高
    施工安全包括结构安全和生产安全，其中首先要保证结构安全，结构安全是生产安全的前提。大量倾斜的单根构件在形成框架前需采用大量的临时加固措施以及预变形值来保证其稳定和设计就位。操作平台必须通过设计计算确定，采用结构型轻质类装配式体系，来保证作业安全。
    三、吊装方案的确定
    1、外支撑体系安装法：第一，外支撑体系用钢量较大，不经济；第二，不能满足74m以上内倾斜部分不稳定现象；第三，四周群房与舍利塔安装同步施工，无条件搭设支撑架。
    2、内支撑体系安装法：在79m标高处，内侧设支撑桁架。第一，用钢量小；第二，不占用施工场地；第三，起到撑拉作用，即解决54m—74m外倾稳定，又解决了74m—109m内倾稳定，其技术经济效果比较明显。
    3、考虑每层钢筋，混凝土及土建施工荷载对钢骨柱产生的局部变形，在预调值变形计算中将钢骨与土建参差行作为先决条件：
    0-54m钢骨安装超前土建施工面10m左右；
    54m-117m钢骨安装超前土建施工面20m。
    79米-84米处增设水平支撑桁架。
    四、结构吊装及设备选择
    1、24米以下钢骨结构的安装
    由于塔内不允许设起重设备，±0以下施工阶段无条件设立外围塔吊，故 -19-24m所有结构采用一台400t和一台300t履带吊吊装，两台50t汽车吊倒运。
    先立四角筒体再搭设操作平台，由内向外安装，逐层积累。因该部分无切斜，所以安装工艺与普通高层钢结构接近。
    本层方案的采取主要是由于地下结构安装完毕，上层结构随即进行安装，而塔吊还未安装到位所决定的。
    2、24米-44米的安装
    按每10m一层安装，顺序为：钢骨柱→墙肢钢骨→槽钢墙肢→梁钢骨。每个钢骨柱均整根吊装，先竖向钢骨柱，再斜向钢骨柱。
    采用四台外附着式塔式起重机吊装，其中主吊为MC480型、辅吊为MC320型，各两台，对角布置，吊臂半径40m（见图6），最大起重量25t（见表1）。
    先筒内后筒外，先钢骨柱后钢骨梁(墙肢)，先竖向钢骨柱后斜向钢骨柱，最后安装筒体间水平钢骨梁，（见图7）。


    3、44米-54米的安装
    该段最为复杂，由以下部分构成：第一、四个角部筒体 ；第二、筒体之间的钢梁及墙肢柱；第三、筒体之间的桁架及桁架之间的联结构件；第四、中部的穹顶；第五、穹顶上部的钢梁。其节点复杂，用钢量大，最重构件38t。

    本层作为整个结构的主要转换层之一,在整个结构上起着承前启后的作用,所以决定了此部分结构构件的特殊性,构件在结构布置上的复杂性,尤其是其中的桁架与穹顶,给吊装均带来一定的难度。基于对结构的分析及吊装过程保证结构稳定的分析，吊装顺序为：先四个角筒体构件，后桁架，再穹顶，最后安装横梁。
    其中桁架的吊装是本层安装的难点与重点，桁架的顺利安装是保证工期及钢结构不影响后续混凝土施工的先决条件，对8榀重型桁架采用双机抬吊进行安装。主要安装措施为：第一、塔吊负荷不大于允许起重量的80%；第二、起升和回转力求同步；第三、吊车司机和指挥必须有抬吊经验；第四、抬吊过程中加强观测。

    4、54米以上及79-84米支撑桁架的安装
    先筒内后筒外，先钢骨柱后钢骨梁(墙肢)，先竖向钢骨柱后斜向钢骨柱，最后安装筒体间水平钢骨梁。
    从施工计算得出，安装至79米标高时，其结构变型较大，为防止混凝土裂缝和变形问题，在此增设四榀支撑桁架。每榀桁架设置两个断面为三角型的格构式立柱, 桁架主要构件规格为: φ711*16,φ299*20,φ168*10。（见图12-14）
    桁架吊装采用地面拼装，分段吊装，高空对接完成。先吊装桁架的立柱，然后吊装两侧的两段桁架，最后吊装中间段。

    五、施工措施
    综合工程的设计特点、现场复杂条件及工期紧等因素，钢结构安装采取了以下几项措施。
    1、对各种安装方案进行验算、比较，选择既满足工期要求，又安全稳妥的最优方案。
    2、对施工阶段结构的整体稳定和各层钢结构的局部稳定进行了计算分析，并采取了有效的加固方案。图15为合十舍利塔主体完工照片。
    3、采用北京CCTV 钢结构预调值方法，对施工过程中的变形进行了有效的控制。
    4、为解决悬挑结构施工阶段的不稳定性，在79米柱高处设水平支撑体系。
    5、钢结构安装定位采用内外双向测量控制，即以结构中心为控制点逐层安装；外控采用两台全站仪配反光贴对各角点、拐点进行空间定位控制。
    6、对所有上岗电焊工针对该工程的特殊要求进行了培训考试，并做了焊接工艺试验，制定了相应的焊接工艺，现场焊缝进行100%超声波探伤检验。
    7、施工期间，加强与设计部门紧密联系，及时解决设计与施工中存在的技术问题。
    8、斜柱安装就位利用操作平台H型钢和缆风进行撑拉临时固定。
    六、结束语
    法门寺合十舍利塔钢骨体系结构已经全部安装完毕。安装阶段，各部门严格按照设计及规范进行验收，合格后再进行后续的混凝土施工。该钢结构工程经过8个月的努力,于2007年1月8日封顶，其质量、安全、进度各项指标均满足计划要求，得到了业主与各部门的好评.图15为合十舍利塔主体完工照片。


    文 参 考 献
    郭彦林等. 中央电视台新台址主楼施工技术及变形预调值研究.北京：中国建筑工业出版社，2007.
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