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特式吊樓分體與臨時支撐施工技術

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （中國建筑工程總公司國內工程事業部李保平 安建民 余建國 趙連偉 張旭擘）

    【摘 要】 北京新保利大廈工程是一座造型新穎、結構型式復雜多變、外裝修獨特的大型綜合性商務辦公樓，位于其正面大廳一側的懸挑式吊樓是本工程的一大特色，也是施工中的重點與難點。本文從工程施工角度論述了國內僅有、世界罕見的超大懸挑式鋼結構吊樓的主要施工技術措施和方法，是對懸挑式結構設計與施工實例的探索。
    【關鍵詞】 懸挑結構 分體施工 臨時支撐體系 臨時機構 鑄鋼組合節點

    一、 工程概況
    新保利大廈的外挑懸挑式鋼吊樓共8層，高度自7.1m~45.1m，懸挑長度23.98m，寬30.58m，吊樓總建筑面積4439m2，吊樓總重設計值為4900t，其中鋼結構總重1200t。吊樓主體結構由三個剪刀撐（XHJ-1~3）結構、與剪刀撐連接桁架梁結構以及懸挑桁架梁結構三個部分組成。吊樓的內側與核心筒勁性結構焊接連接，外側頂部的兩個上頂點分別與兩端錨固于22層核心筒的‘V’型預應力主鋼索相連，吊樓外側的兩個頂點為多桿件特大組合鑄鋼節點，重約92t，主鋼索為直徑Φ260mm的組合高強鋼絞線。安裝完成后整個吊樓成外挑懸吊狀態。四道斜拉預應力主鋼索承受大部分結構荷載。

    特式吊樓的結構特殊性帶來施工高難度。特式吊樓一側立面與3#核心筒焊接連接，其余三面及結構底面均無連接和支撐。在頂部主鋼索張拉前吊樓及施工荷載均需通過特別設計的臨時支撐體系來承擔；安裝完成并主索張拉后，整個吊樓成懸吊狀態，吊樓的大部分承重構件（特別豎向桿件）的內應力產生反向變化。
    二、 主要技術方案
    1. 支撐體系的設計與分析
    根據懸挑式吊樓的結構特點，須首先進行臨時支撐的設計與安裝，吊樓臨時支撐的計算采用美國REI公司通用有限元程序Staad.pro，剪力墻通過板單元模擬，各鋼構件均按桿系模擬。

    經過對施工過程的綜合分析，將吊樓施工過程取兩個狀態進行計算，即a.米字剪刀撐與核心筒牛腿未焊接時(米字鋼架上半部分僅起有限作用)模型。此時臨時支撐系統僅承受吊樓鋼結構自重以及施工荷載；b. 米字剪刀撐與核心筒牛腿焊接完成后，開始逐層澆筑砼樓板，此時臨時支撐系統除了承受吊樓鋼結構自重以及施工荷載之外，還需承受新澆筑砼樓板荷載。然后將這兩個狀態一次加載的力相加，就可以得出臨時支撐系統所需承受的最大設計承載力。根據計算吊樓臨時支撐系統的設計值分別為：
    A：N=2335+1506=3841 KN； B：N=3118+1851=4969 KN； C：N=2103+1275=3378 KN
    D：N=2423+1509=3932 KN
    考慮到安裝吊樓懸挑結構部分所增加的荷載部分(1.2懸挑部分鋼結構自重+1.4懸挑部分施工荷載1.5KN/m2)，經計算，將以上結果調整為：
    A：N=5400 KN； B：N=5950 KN； C：N=3720 KN； D：N=3730 KN

    經計算A~D點支撐柱分別采用Φ820×12、Φ820×142、Φ500×16、Φ500×16鋼管，材質為Q345B。支撐柱自吊樓底部伸至基礎底板，將上部荷載通過支撐柱傳遞支結構基礎。地下室樓板在支撐柱位置預留洞口，并按設計要求將此處鋼筋加密。鋼柱利用塔吊吊裝就位。為保證支撐柱的穩定性，柱間增加橫梁及斜撐。
    2. 支撐柱（B、C點）頂標高的確定
    通過分析計算，由于主鋼索預應力的作用，整個吊樓在主鋼索張拉后B、C點將提高20～30mm。為了保證吊樓樓層結構標高，B、C支撐點按設計標高起反拱25mm。


    在吊樓各層混凝土樓板澆筑完畢、主索張拉到一定值后，支撐柱可拆除。臨時支撐拆除后，將洞口處預留鋼筋搭接10d，焊接牢固，采用吊模將洞口用微膨脹混凝土填實。
    3. 懸挑式吊樓鋼結構安裝
    3.1 吊樓安裝順序
    吊裝順序由下至上逐層安裝，具體安裝順序原則為：臨時支撐架安裝→操作腳手架的搭設→剪刀撐結構安裝→剪刀撐結構間連接桁架安裝→連接桁架上、下弦支撐安裝→壓型鋼板及栓釘安裝→懸挑結構安裝→斜拉鋼索安裝。根據安裝順序對構件進行分段如下頁圖示。
    3.2 米字剪刀撐的安裝
    米字剪刀撐為吊樓主要受力構件，其節點結構形式復雜，均為進口GR.60級熱軋型鋼。米字剪刀撐截面尺寸最大為H569×545×78×125mm，構件單重最大達13.71t，板厚達125mm，吊裝、焊接均有較大困難。且節點處受力復雜，對安裝精度要求較高，因此吊裝時必須保證其安裝精度，焊接時須保證焊接產生的殘余應力最小。同時由于米字剪刀撐安裝時結構未形成穩定體系，因此必須使用兩臺塔吊進行配合作業。


    4. 吊樓的焊接
    4.1 焊接工藝
    鋼結構焊接是特式吊樓安裝工程中的另一難點，由于節點復雜，板厚度大，因此合理的焊接工藝參數和焊接順序就顯得尤為重要，針對特式吊樓的節點的板厚、焊接位置及焊接方法、焊接設備，現場進行了焊接工藝評定，以確定最佳參數，保證節點受力需要，減小熱輸入。焊接時為防止厚板收縮引起整體變形和減少焊接殘余應力，米字剪刀撐厚板節點焊接時先焊2/3，然后進行其他構件焊接，最后完成米字剪刀撐剩余1/3焊接。在常溫下采取這樣的焊接方法，對工效影響不大，既能夠減小結構整體變形，同時減少了焊接節點的熱輸入。
    4.2 焊接順序
    豎向分三段進行，吊樓2L～4L層吊裝完成后即進行此段焊接，先焊2L層，形成平面剛性體系，保證“底座”的安裝精度并為上部結構提供安裝基準。然后吊裝和焊接5L～7L層段、8L～9L層段。焊接時先焊剪刀撐節點，后焊鋼梁，最后焊接桁架。米字撐焊接順序詳見下圖：

    米字撐焊接順序
    5. 非標高強螺栓安裝
    吊樓頂部鋼索工作點為高強度鋼鑄件，碳當量高，可焊性差，因此工作點與吊樓之間為高強螺栓預應力連接。螺栓的規格為Φ36×830mm、Φ36×930mm和Φ30×800mm三種。非標高強螺栓性能參數如下，等級：10.9級；材料：42CrMo；沖擊韌性：≥59J/cm 2；抗拉強度1040～1240MPA,硬度HRC33～39；表面處理：發黑。
    5.1 鋼鑄件與過度節的組合和就位
    安裝時先將吊樓與鋼鑄件間的過渡構件在地面插入鋼鑄件的榫型接頭，然后把高強螺栓插入栓孔，并按既定順序完成初擰。利用塔吊將鋼鑄件連同過渡構件一同吊裝就位，然后在高空完成非標高強螺栓預應力張拉和終擰。
    5.2 非標準高強螺栓的安裝和張拉
    Φ36非標高強螺栓為鋼廠特制雙頭螺栓，但兩端螺紋長度不等，螺紋較長一端為張拉端。安裝時須考慮張拉設備高空作業面要求，確定螺栓張拉端朝向。
    特式吊樓鋼鑄件中M36高強螺栓為國內目前首次使用，經與設計院及國內相關專家多次探討，確定用特制預應力設備采用張拉法施工。根據已選定的預應力張拉施工工藝，采用柳州VLM預應力有限公司生產的全套張拉設備，整套設備包括電動油泵、穿心式千斤頂及為本項目特制的其它工裝設備。M30高強螺栓采用大型扭矩扳手施工。
    根據《鋼結構高強度螺栓連接的設計、施工及驗收規程》（JGJ82-91）中對大六角頭高強度螺栓施工預拉力的計算及規定結合節點張拉狀態后的有限元分析，M30高強螺栓的施工預拉力為 390kN，M36高強螺栓的施工預拉力為 515kN。
    在張拉過程中為保證張拉過程中的預應力值，以控制預應力的施加防止出現超張拉現象。在液壓穿心千斤頂使用前進行標定，求出其力的回歸方程，力值F(kN)與壓力值P(MPa)的直線方程：F=-0.623902+12.1296P
    施工前為驗證施加的預拉力滿足設計要求，用現場張拉設備輔以傳感器檢測手段對其中的六個點用六根特制加長高強螺栓進行同條件下的預拉力測試。通過傳感器數據校核張拉設備的回歸方程，確定最終油壓值。


    M30、M36高強螺栓初擰值為終擰值的50%，初擰后24h內完成終擰。施擰順序由上至下從中間到兩邊的原則施工。
    6. 鋼鑄件組合節點安裝

    特式吊樓頂部鋼鑄件組合節點位于特式吊樓標高44.785米處。鋼鑄件組合節點為三個剪刀撐結構XHJ-1~3在外側頂部相交處。鋼鑄件與吊樓鋼結構之間通過過渡構件連接，過渡構件與鋼鑄件之間為M30、M36非標高強螺栓及銷軸連接，過渡構件與吊樓鋼結構則為焊接。鋼鑄件共有七個連接端，因此安裝階段必須保證結構桿件、鋼鑄件就位準確，才能保證所有節點均能有效連接。在構件安裝前必須在鋼構件相應位置上精確放線。
    6.1 臨時機構安裝
    為確保結構的整體性，當單個構件柱、梁校正完畢，進行臨時或永久固定，必須將構件間的臨時結構安裝好，以增強吊樓結構的總體剛度，保證已安裝結構的穩定。
    臨時結構設計圖如下：


    6.2 鋼鑄件安裝
    臨時結構安裝完畢后，搭設腳手架操作平臺，進行鋼鑄件吊裝。首先就位組合式鋼鑄件，校正其平面位置及各個方向角度，然后將七個連接端逐一連接。校正時使用塔吊、手拉葫蘆、20t千斤頂，使各個方向的安裝誤差均在規范要求范圍內。與鋼鑄件連接的所有桿件由內至外逐個就位，安裝銷軸。最后進行過渡構件與吊樓鋼結構之間的焊接。
    待鋼鑄件所有焊接及機械連接節點完成且主索安裝后方可拆除臨時結構。


    7. 臨時支撐拆除條件
    7.1 鋼結構構件全部焊接或機械連接完成并驗收。
    7.2 吊樓各層混凝土樓板澆筑完成，并達到設計強度。
    7.3 安裝4根主鋼索，并張拉至0.4 Fcon后吊樓和支撐脫離，此后可以隨時拆除臨時支撐。
    三、 特式吊樓安裝過程中的檢測
    1. 過程檢測
    本工程中的特式吊樓結構形式特殊，受力復雜，吊樓整體位移及關鍵應變監測十分必要，通過對結構受作用前后的性能進行觀測，對主要監測數據進行分析以反映結構的整體工作的狀況，從而對結構的工作性能作出正確的評估。在為本工程結構施工期間的安全施工提供必要參考同時也為結構在使用期間的監控提供可靠的原始數據。

    2. 位移測量結果
    最終位移測量結果和設計計算值、安裝反起拱值一致。
    主索張拉過程吊樓位移檢測詳見下表：


    四、 結束語
    新保利大廈懸挑式吊樓鋼結構安裝工程完成后，通過應變和位移監測，吊樓在鋼索張拉過程中結構受力穩定，吊鋼索張后變形樓結構整體在設計允許范圍之內。本工程的成功實施，對建筑鋼結構的高強厚板焊接、臨時支撐體系的應用、非標高強螺栓張拉法施工及鑄鋼組合接點安裝都具有很大參考意義。
    1. 設計變形數據與實際檢測數據完全吻合，證明了設計計算模型是完全正確的。
    2. 構件的加工精度直接影響現場施工，特別是組合式鋼鑄件和米字剪刀撐等復雜節點的必須從加工到安裝全過程應用QC方法進行全面控制方可保證正常施工。
    3. 安裝過程中，控制安裝精度是保證變形控制的關鍵，故在安裝方案中不僅需安排合理的焊接順序，每個節點的安裝和焊接必須精益求精才能減小焊接內應力產生的變形。
    4. 四根主索（大直徑預應力鋼索張拉施工技術）作為吊樓使用過程中的受力機構，其張拉對吊樓的影響非常大。吊樓采用臨時支撐系統的安裝過程與其使用時的懸吊狀態受力完全相反，主索張拉過程中吊樓內力重新分配，其施工過程的控制是關鍵所在。在主索張拉過程中，對結構應力應變、位移進行全過程的檢測，隨時掌握吊樓關鍵部位的受力狀態，對保證結構安全具有重大意義。

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