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廣東省博物館新館鋼結構工程施工技術

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    長江精工鋼構集團華南事業部
    王 煦 陳國棟 婁 峰 姜 峰

    主題詞：懸掛結構、體內預應力結構、水平桿件內灌混凝土結構、等標高累積滑移、軌道分離式滑移
    摘要：廣東省博物館新館鋼結構工程是目前國內最大的吊掛式結構，總用鋼量1.8萬噸。屋蓋桁架中還采用了內灌混凝土和體內預應力索提高構件剛度，節點設計、鋼結構施工、結構累積變形的分析和結構施工過程的精度控制難度大。經過多種方案的比選，施工采用了多個工作面同時展開的施工思路。其中主桁架施工采用利用核心混凝土柱作滑移軌道支撐，等標高、直線、累積滑移工藝
    1、工程概況
    廣東省博物館新館外形為盛滿珍寶的容器（見圖1.1），總建筑面積約66280平方米，建筑總高度為44.5米，地下室1層，地面以上共5層。基礎及二層以下采用鋼筋混凝土結構，三層以上以懸臂預應力桁架鋼結構為主。總用鋼量1.8萬噸。
    鋼結構分為四大部分（見圖1.2）：核心筒鋼管柱及樓層圈梁，五六層懸臂桁架體系，吊桿及樓層結構，外圍護立面墻體系。

    鋼管柱及圈梁：布置于核芯筒體混凝土剪力墻內，鋼管柱為直徑650mm直縫鋼管，與樓層結構對應的標高框架圈梁則采用箱形、H型鋼結構（見圖1.3）。
    五六層懸臂桁架體系：是本工程主要的受力系統，支撐在核心筒混凝土墻上部，與鋼管柱直接焊接。桁架共8榀，采用雙向交叉平面桁架，桁架高度8m，上下弦采用1.5m×1m箱型截面，腹桿與弦桿等寬為1m，高度從800mm×1500mm不等。上弦穿體內預應力索，單榀桁架長度113.5m，兩端各懸挑出核心筒23m。沿懸臂桁架外端設4榀封口邊桁架。上、下弦分別設置五層和六層樓層鋼梁，形成整體桁架屋蓋體系（見圖1.4）。

    吊桿及樓層結構：封口桁架下伸600×600的箱型鋼吊桿，核心筒內部下伸Φ299圓鋼管吊桿，懸吊3～4層樓面結構體系。
    外圍護立面墻體：采用由H型鋼骨架形成的凹凸立面墻架。

    按照結構設計，結構體系有三大特點：
    懸掛結構: 鋼桁架外挑23m，通過剛性吊桿懸掛下部三層樓蓋結構，樓面與混凝土核心筒鉸接，形成了典型的懸掛結構體系（見圖1.7）。

    組合結構;混凝土核心筒承擔主要豎向和水平承載（見圖1.8），支撐上部桁架鋼結構。桁架下弦及部分受壓腹桿內灌混凝土（見圖1.9），形成鋼?混凝土組合結構。桁架及樓層梁內灌混凝土形成鋼-混凝土組合構件。

    預應力結構：桁架、核心筒內外吊桿內設預應力索，形成水平和立面共同作用的預應力體系（見圖1.10）。桁架預應力每榀四束，每束由31根Φ15.24mm 鋼絞線組成群索，索從上弦穿過腹桿錨固在下弦，索在箱形梁內轉彎（見圖1.11）。懸掛吊桿內設Φ7×121纜索，外吊桿內設四束一組，內吊桿1束一組。

    2、施工條件
    土建施工面條件：在移交鋼結構施工前，土建已完成地下室一層、二層6.5m混凝土結構施工，核心筒鋼柱施工到7.5m標高。樓面荷載達到設計值，即室外30KN/?，室內15KN/?。

    3、施工重點、難點
    3.1 桁架上下弦、腹桿均采用箱形截面，弦桿截面全部采用1500×1000，主方向帶牛腿的桁架合計重量為670t。構件截面大、重量重，場地狹窄，吊裝施工異常困難。（見圖3.1）

    3.2 主體桁架箱形截面縱橫交叉，吊桿與斜撐、吊桿與樓面梁、鋼管柱與樓面梁連接節點翼板均需整體下料（見圖3.2）。復雜的節點構造限定了結構的分段，大量節點需要在工廠制作成為整體，不僅使深化設計、構件加工難度大。同時給構件的運輸和鋼結構安裝帶來困難。

    3.3 不同于普通的結構體系，施工過程需要與結構特殊的受力秩序吻合。施工順序需要根據各部分構造對結構的貢獻來確定。
    3.4 預應力索為體內索，索錨的設計、穿索、張拉施工難度都非常大。索存在與桁架混凝土和吊桿的相互協同作用，張拉預應力值控制難度大。
    3.5 因結構采用特殊的懸掛式，主要受力桁架的變形會隨施工的順序不斷發生變化，桁架的變形是一個隨施工過程反復變化和疊加的過程。因此預變形值的設定和施工過程控制難度大。
    4、施工方案
    本工程施工分為三條主線：核心筒框架、五六層屋蓋桁架體系、吊桿及樓層結構。
    五六層桁架體系共10000噸，采用高空拼裝，累積滑移（見圖4.1）。

    核心筒鋼管柱分三層吊裝，連接相應樓層圈梁，形成穩定框架體系(見圖4.2)。
    樓層結構采用正序安裝，按吊桿?主梁?次梁分層吊裝。支撐架設置在底層吊桿下，吊桿在安裝過程中臨時作為鋼柱拆除支撐，形成吊掛結構。

    方案優點：(1)利用核心筒鋼管混凝土柱的豎向承載力和側向剛度大以及直線、等標高的特點，作為滑移的軌道支撐（2）核心筒鋼管柱、屋蓋桁架、樓層結構三個作業面可同時施工，做到立體交叉水平占滿；（3）屋蓋桁架采用液壓爬行器同步滑移，實現滑移體系內力自平衡和滑移過程結構穩定。(4)豎向承載及滑移軌道分離，充分利用鋼結構自身剛度，減小了支撐體系集中力作用。
    5、施工順序（見圖5.1）
    （1）西側空地為鋼結構的地面拼裝場地，構件分段臥拼裝。
    （2）場地的東、南、北側各布置一臺固定式塔吊，西側布置滑移支撐架，采用大型履帶吊吊裝。
    （3）進行鋼管柱和框架梁的吊裝。鋼管柱吊裝分三層，安裝到滑移軌道的底標高。
    （4）核心筒施工的同時可進行西側滑移拼裝平臺和樓層核心筒外樓層安裝支撐架的搭設。
    （5）滑移拼裝平臺每次只拼裝一榀桁架，采用等標高滑移。
    （6）滑移第一榀為東側邊桁架，拼裝可組成三角形穩定體，分10主段進行吊裝。吊裝采用一臺500履帶吊和一臺200t履帶吊抬吊。
    （7）在第一榀桁架滑移時，設置8臺100t液壓爬行器，頂推桁架，一次滑移21.4m距離。
    （8）滑移軌道設在B、E軸，剪力墻和拼裝支撐胎架安裝完畢后，從1/01軸至5軸東西通長布置，長108m。
    （9）在滑移支撐架上進行第二榀主桁架的高空拼裝，主桁架分6段采用一臺500t履吊吊裝由一邊向另一邊吊裝，中間散件穿插吊裝；
    （10）安裝桁架間另一方向分段主桁架，吊裝采用500t履帶吊吊裝，200履帶吊配合吊裝。
    （11）安裝桁架間樓面鋼梁，增設8個100t爬行器，進行兩榀桁架的滑移，滑移距離為一個跨距。
    （12）依此類推，進行六榀屋頂鋼桁架和屋頂鋼梁的累積滑移。共24個100t爬行器進行頂推。
    （13）屋蓋結構滑移的同時，南北兩側及核心筒內的樓層結構，也由三臺C7050塔吊從西向東順次吊裝。
    （14）吊裝采用分區退吊，分區內按吊桿?主梁?次梁分層吊裝。支撐架設置在三層吊桿位置上。
    （15）第一榀桁架滑移到軌道5軸處，爬行器換置在第四榀桁架上。懸挑部分滑出軌道，推到設計位置。
    （16）吊桿與桁架連接的最后一段，留待最后安裝。
    （17）屋蓋整體滑移到設計位置，完成鋼管柱與桁架下弦的焊接。
    （18）拆除軌道和支撐架，采用塔吊和200t履帶吊先后進行東側和西側核心筒外側樓層鋼結構的安裝。
    （19）進行四層吊桿安裝。隨后屋蓋結構開始進行預應力穿索。
    （20）第一次張拉屋蓋主桁架的預應力索到設計值的70%，桁架懸臂部分上拱，樓層吊桿脫離支撐架，樓層結構吊掛在屋蓋桁架上。
    （21）拆除樓面支撐，張拉吊桿預應力鋼索，實現懸掛鋼結構體系。
    （22）進行土建樓面和主桁架混凝土的澆注，第二次張拉桁架預應力索到設計值。
    （23）安裝外墻立面結構，完成鋼結構施工。

    6、主要技術要點和質量保證措施
    6.1結構預拱
    本工程結構在施工過程中存在五個階段：
    （1）屋蓋滑移到位，下部結構樓層結構與屋蓋結構還未連接；
    （2）四層吊桿與屋蓋結構連接，下部三層結構懸掛在屋蓋桁架上；
    （3）桁架施加部分預應力，屋蓋桁架有部分反向變形；
    （4）樓面及屋蓋結構內部澆注混凝土；
    （5）施加預應力到設計值，結構完成變形，在恒載和0.5倍活載作用下的結構最終變形。


    桁架預拱：按照上述計算原則將各種荷載作用下結構的變形，反向施加于結構，確定為1.0恒載＋0.5活載最用下的工況作為控制階段和結構預拱值，且屋蓋結構預拱只在懸臂桁架的端部進行；預拱采用直線式起拱，工廠構件制作不考慮預拱的影響，預拱依靠地面拼裝和高空拼裝的定位實現。
    桁架端部預拱值見圖6.1。

    按照吊桿長度不變的原則，吊桿的預拱需要通過底部標高的調整進行。
    具體預拱措施為樓層結構最外圈吊桿的標高定位值為：設計標高+預拱值+桁架自重變形值，（設計值+5階段值-1階段值）。
    6.2支撐架設計
    支撐架分為：滑移拼裝平臺支撐架，滑移軌道支撐架，樓層結構安裝支撐架（見圖6.2，6.3））。
    拼裝平臺處支撐胎架分主胎架和副胎架，主胎架設置在地下室邊界線外側1/01軸處西偏1500mm，主要支撐滑移桁架的分段拼裝。副胎架位置在主胎架的東側，離西側剪力墻中心位置為14.5m，支撐南北向桁架安裝。為了與樓層混凝土柱形成對應關系，支撐全部采用大直徑鋼管柱，柱之間采用鋼管撐連接連接，中間填充腳手架作為操作平臺。


    6.3滑移施工
    5?6層鋼屋蓋結構采用逐榀累積直線等標高滑移（見圖6.4）。

    鋼屋蓋的滑移采用液壓同步頂推技術進行，滑移過程水平力自平衡（見圖6.5）。
    桁架下弦面設置滑移通道，通道表面與桁架下弦全面接觸，提供水平推力的爬行器軌道與豎向承重面分離。利用桁架自身剛度，減小軌道負荷（見圖6.6）。

    進行滑移施工的結構重量約8800噸，除屋蓋鋼桁架外還應包括核心筒內部的5、6層樓層鋼梁，所有懸挑部分樓層鋼梁滑移到位后，原位安裝。
    整體滑移至核心筒東側邊緣時，結構前端將脫離滑道，在懸挑狀態下逐步滑移到設計位置（見圖6.7）。
    第一次滑移邊桁架設計沒有斜撐，無法形成單向受力結構，需要采用臨時桿件加強（見圖6.8）。

    第一滑移單元最大變形為45mm位于桁架中部（見圖6.9）。導致該部分在與第二單元組裝時接口位置錯位在完成第一次滑移后首先需將該單元與第二單元對接節點利用千斤頂頂起到設計標高，利用胎架固定牢固后才能與第二單元組裝。待桁架對接完成再卸載胎架，進行滑移。

    6.4預應力施工
    縱橫向交叉與立面吊桿索交叉。施工難度大。需要在箱形結構內設計彎管套筒、導索機構，套筒在工廠直接定位在橫隔板上，施工時需要高空單根穿索，才能保證鋼索順利轉彎和交叉。
    本工程結構自重產生的索力大，施工順序確定后，需要對各種結構狀態索力進行詳細分析，從而推算不同時供階段施加預應力的控制值，經分析確定桁架每束張拉力3500KN，分兩次張拉，預應力控制值在索極限承載力的55%左右。吊桿索每束張拉力2200KN一次張拉到位，預應力控制值為所極限承載力的30%。
    桁架第一次張拉的結構初始狀態為：所有鋼結構安裝到位，屋蓋桁架與吊桿焊接，樓層結構支撐架未拆除，第一次張拉到預應力索設計值的85%，桁架懸臂部分上拱，樓層吊桿脫離支撐架，樓層結構吊掛在屋蓋桁架上。

    拆除樓面支撐，張拉吊桿預應力鋼索，實現懸掛鋼結構體系。
    進行土建樓面和主桁架混凝土的澆注，第二次張拉桁架預應力索到設計值每束3500KN。
    6.5施工仿真分析和變形控制
    本工程鋼結構自重、樓面混凝土及各種活載作用，預應力，桁架內澆灌混凝土，各部分構造對桁架的變形有不同的貢獻。結構的最終變形是各階段荷載作用下變形的疊加，此值隨著施工順序在不斷的發生變化（見圖6.13），仿真計算就是要找到變形的規律，對結構分層預變形，使結構的最終變形達到設計的初始狀態。反過來再指導深化設計和安裝順序，并成為本項目質量驗收標準編制依據。

    6、小結：
    廣東省博物館新館鋼結構，采用大懸臂桁架懸掛下部三層樓面結構的吊掛式結構，桁架中還采用了內灌混凝土和體內預應力索提高構件剛度，節點設計、鋼結構施工、結構累積變形的分析和結構施工過程的精度控制難度大。經過多種方案的比選，施工采用了多個工作面同時展開的施工思路。其中主桁架施工采用利用核心混凝土柱作滑移軌道支撐，等標高、直線、累積滑移工藝。同時在傳統的滑移工藝上也進行了以下創新：采用液壓爬行器頂推實現內力自平衡、桁架下弦面設置滑移通道，通道表面與桁架下弦全面接觸，提供水平推力的爬行器軌道與豎向承重面分離，利用桁架自身剛度，減小軌道負荷。 采用局部頂升工藝，實現滑移桁架和拼裝桁架的順利對接。樓層和鋼管柱采用從下到上的順序施工工藝，通過最后與桁架的連接實現吊掛。
    在施工過程對結構的內力和變形實現全程仿真，以指導結構預拱、精度控制、預應力狀態和預應力值的控制。
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