寧波高專建設(shè)監(jiān)理有限公司 寧波 315100
傳統(tǒng)的鋼桁架高空安裝技術(shù)主要有2種方法,一種方法為采用塔吊直接吊裝就位,該方法比較常用,但安全性不高,且受塔吊自身因素以及環(huán)境因素影響較大;另一種方法為當塔吊工作荷載及工作半徑受到限制,無法直接采用塔吊安裝時,則采用在需要安裝的鋼桁架下方搭設(shè)滿堂腳手架作為安裝鋼桁架的臨時支撐體系,該臨時支撐體系在安裝鋼桁架全過程中承擔結(jié)構(gòu)自重及施工荷載,并通過現(xiàn)場拼裝完成鋼桁架的安裝。由于需要搭設(shè)臨時支撐體系,對工程施工進度以及施工成本影響較大,同時過多的高空拼裝相比地面拼裝,在焊接質(zhì)量、成品尺寸等方面均較難保證,對工程施工質(zhì)量造成影響。
大跨度鋼桁架在高空安裝時存在一定危險性,并且其安裝質(zhì)量較難控制,尤其對于大跨度重型鋼桁架高空安裝而言,其危險性更大、質(zhì)量控制更難。針對上述問題,本文提出了一種全新的大跨度重型鋼桁架高空安裝施工技術(shù),有效解決了大跨度重型鋼桁架高空安裝施工過程中的危險大、質(zhì)量差、成本高、進度慢的問題。
背景工程為1棟高層商務(wù)樓,位于寧波市東部新城國際金融服務(wù)中心南區(qū)A2-23#地塊,結(jié)構(gòu)采用型鋼混凝土框架-抗震墻。建筑地上15層,地下3層,主樓建筑平面總長度76.80 m,總寬度76.80 m。鋼結(jié)構(gòu)部分分為主體鋼骨柱、南面鋼桁架結(jié)構(gòu)、北面鋼桁架結(jié)構(gòu)及中央箱體鋼梁天井4個部分,用鋼量約4 500 t,圖1為鋼結(jié)構(gòu)主體示意。其中,南北兩側(cè)各布置1榀大跨度重型鋼桁架,鋼材材質(zhì)采用Q345GJC-Z15板,鋼板最大厚度60 mm,最大跨度36 m,單榀鋼桁架質(zhì)量達152 t,安裝高度63.15 m。
根據(jù)鋼桁架自重大、跨度大、安裝高度高、地下室頂板缺位致使大型吊機作業(yè)較難,且安裝位置空間狹小等一系列實際情況,提出采用全自動液壓同步提升技術(shù)對大跨度重型桁架進行高空安裝作業(yè),如圖2所示。
圖1 鋼結(jié)構(gòu)主體示意
圖2 鋼桁架整體液壓同步提升示意
1)改變傳統(tǒng)施工工藝,將大量高空作業(yè)轉(zhuǎn)移到地面進行,有利于施工測量和質(zhì)量控制,且大大提高就位安裝精度,安全風(fēng)險明顯降低。
2)避免了采用大噸位吊機進行安裝施工時帶來的安全風(fēng)險,并且因無需設(shè)置大噸位吊機,施工成本得到有效控制。
3)采用的同步提升工藝充分利用原結(jié)構(gòu)的上下錨點作為其提升過程中的紐帶,該錨點安裝、拆卸方便,對原結(jié)構(gòu)受力不產(chǎn)生任何影響。
4)采用的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平,為鋼桁架整體液壓提升施工提供了數(shù)據(jù)支持。
5)液壓同步提升技術(shù)所采用的設(shè)備設(shè)施體積小、質(zhì)量輕、機動能力強、方便設(shè)備的運輸和安裝[1-3]。
在雙塔樓高63.15 m頂部的B軸兩端各設(shè)置1套鋼桁架提升架,鋼提升架與樓面主梁預(yù)埋件固定牢固,分別在每套鋼提升架上安放1個穿心式液壓千斤頂,每個千斤頂通過中心布置1束鋼絞線與被吊裝的鋼結(jié)構(gòu)通過下吊點相連。結(jié)構(gòu)吊裝時,通過計算機控制,液壓傳動,機械作用使千斤頂內(nèi)的鋼絞線沿千斤頂中心上移,將鋼結(jié)構(gòu)整體吊起,直至吊裝到對接位置。圖3所示為鋼桁架提升就位示意。
圖3 鋼桁架提升就位示意
施工準備→鋼提升架安裝→液壓千斤頂提升器安裝→穿鋼絞線→吊物錨固點安裝→預(yù)緊鋼絞線→控制系統(tǒng)安裝→試提升→正式提升→應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測→就位→連接→卸載并拆除提升裝置
2.4.1 施工準備
1)鋼牛腿標高尺寸技術(shù)復(fù)核。整體提升前,先對上部連接點牛腿標高、開口尺寸用全站儀進行精確測量,便于鋼桁架地面組拼裝時進行適當微調(diào),保證上部對口尺寸。
2)上支撐點及下錨點驗算及加固措施。桁架在提升過程中,全部荷載集中于吊點處的梁柱上,通過結(jié)構(gòu)受力計算分析,采用□400 mm×400 mm×25 mm×25 mm為上橫梁,400 mm×400 mm×30 mm×30 mm的H型鋼為下斜支撐的鋼提升架,上橫梁與塔樓結(jié)構(gòu)柱鋼牛腿剛性連接固定,下斜支撐撐在鋼牛腿與鋼柱交叉位置,兩翼分別用250 mm×250 mm×9 mm×14 mm的H型鋼做八字形交叉,分別支撐在樓層混凝土梁上,形成整體穩(wěn)定的鋼架體系,以保證吊裝過程中結(jié)構(gòu)安全,如圖4所示。
2.4.2 制作、組拼、焊接、驗收連體鋼結(jié)構(gòu)
現(xiàn)場拼裝部位預(yù)先埋設(shè)預(yù)埋件,采用HW400型鋼作為拼裝支架,每根長度6 m,間距3 m,每個H型鋼兩端中部各設(shè)置1塊預(yù)埋件,在樓面施工前提供具體布置圖給土建單位進行預(yù)埋。在構(gòu)件就位前把支架H型鋼放置好,表面采用水平儀進行測量,保證每根支架H型鋼在同一個標高上,并在H型鋼上翼緣板表面畫線,線寬600 mm,為桁架的下弦下翼緣板寬度,另再根據(jù)桁架起拱度要求在部分H型鋼支架上設(shè)置鋼板墊高。臨時斜撐采用φ108 mm×6 mm鋼管,角度為45°,在桁架拼裝過程中根據(jù)實際情況采用,設(shè)置部位為兩端和中間。拼裝平臺搭設(shè)時,根據(jù)設(shè)計要求的起拱高度在平臺H型鋼各個位置填上相同高度的鋼板,使桁架在拼裝時就達到要求的起拱高度。鋼框架支撐體系經(jīng)過計算后,其長度為24 m,高度為10.50 m,寬度為3 m。鋼框架支撐中柱子每3 m設(shè)1根,與地面預(yù)埋件連接,與桁架間隙為600 mm,連接方式為采用20a#工字鋼焊接,焊接部位為桁架臨時支撐和鋼框架鋼柱,焊接工作在桁架定位后進行。立式拼裝示意和拼裝平面布置見圖5、圖6。
圖4 鋼提升架示意
圖5 立式拼裝示意
圖6 拼裝平面布置
通過有限元軟件進行計算,計算模型采用線單元,以鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范、吊裝規(guī)程為依據(jù),計算出鋼桁架在自重作用下的結(jié)構(gòu)變形以及應(yīng)力分布狀態(tài),各單元采用鉸節(jié)點進行連接。荷載組合工況為“1.35恒+0.98活”“1.20恒+1.40活”“1.00恒+1.40活”。吊點處邊界條件設(shè)置為Z向鉸支座,X、Y向彈簧支座。經(jīng)計算得出鋼桁架在提升過程中的提升反力標準值。由結(jié)構(gòu)變形計算結(jié)果可以看出,鋼桁架在提升過程中由于其自身重力原因,致使結(jié)構(gòu)發(fā)生下?lián)献冃?,其最大變形處為跨中位置,下?lián)献冃螢?.50 mm,滿足設(shè)計要求。由應(yīng)力比分布計算結(jié)果可以看出,鋼桁架應(yīng)力分布為對稱分布,最大應(yīng)力比為0.151[4,5]。
計算中考慮到桁架吊裝過程中的輕微晃動以及吊裝加速影響,選取提升反力乘以1.10為提升支架所受豎向力標準值,并取該豎向力標準值的5%為水平荷載來驗算鋼提升架。由結(jié)構(gòu)變形計算結(jié)果可以看出,該鋼提升架端部下?lián)霞s為1.66 mm,滿足規(guī)范要求。
由于鋼桁架兩端為開口式,提升吊裝方式采用兩點式,導(dǎo)致鋼桁架集中受力較大,并且桁架吊點位置下方無對應(yīng)的傳力桿件,加劇了鋼桁架的應(yīng)力集中,容易造成桁架自身變形過大,因此需要對桁架整體進行結(jié)構(gòu)加固。通過受力分析,采用300 mm×300 mm×10 mm×15 mm的H型鋼作為桁架臨時斜拉桿,該斜拉桿可有效傳遞、分布吊點處的集中力,可保證結(jié)構(gòu)吊裝時的整體穩(wěn)定性見圖7。
圖7 鋼桁架結(jié)構(gòu)加固
1)鋼提升架安裝:搭設(shè)防護架,用塔吊吊裝兩端2個鋼提升架,校正、焊接、探傷檢測、驗收。
2)液壓千斤頂提升器安裝:用塔吊吊裝千斤頂提升器到鋼提升架上安裝就位,每個鋼提升架上安放1臺液壓千斤頂提升器。
3)穿鋼絞線:用塔吊將鋼絞線吊到指定樓層面,然后由作業(yè)人員配合在每臺液壓千斤頂提升器內(nèi)穿入6根鋼絞線,鋼絞線的長度至少需大于起吊高度3 m。
4)起吊物下錨固點的安裝。連體鋼結(jié)構(gòu)的起吊下錨固點設(shè)置在支承千斤頂提升器的正下方,用鋼板制作起吊托板,穿入鋼絞線以夾具錨固,在吊點周圍進行加固處理。圖8、圖9所示分別為起吊下錨固點模型和應(yīng)力應(yīng)變分析示意,根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變分析示意可以看出,鋼桁架錨固點應(yīng)力分布主要集中在鋼絞線穿入位置,但其最大應(yīng)力值滿足設(shè)計要求。
圖8 起吊下錨固點模型
圖9 應(yīng)力應(yīng)變分析示意
5)預(yù)緊鋼絞線:系統(tǒng)全部連接并經(jīng)檢查完善后啟動系統(tǒng)使鋼絞線處于收緊狀態(tài)。
6)控制系統(tǒng)安裝:接通集群油缸系統(tǒng)、泵站系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng),電控線、油路等進行調(diào)試,液壓油缸進行空行程調(diào)試。
7)試提升:通過試提升過程中對桁架結(jié)構(gòu)、提升設(shè)施、提升設(shè)備系統(tǒng)的觀察和監(jiān)測,確認符合模擬工況計算和設(shè)計條件,對保證提升過程的安全。以主體結(jié)構(gòu)理論載荷為依據(jù),各提升吊點處的提升設(shè)備進行分級加載,依次為20%、40%、60%、80%。每次分級加載必須保證提升支撐架頂位移始終在設(shè)計控制范圍之內(nèi)(按照規(guī)范要求為60 mm內(nèi))。確認各部分無異常的情況下,可繼續(xù)加載到90%、100%,直至結(jié)構(gòu)全部離地。每次分級加載后均應(yīng)檢查各受力點的結(jié)構(gòu)狀態(tài),并通過經(jīng)緯儀跟蹤監(jiān)測偏移情況。加載過程中各項監(jiān)測數(shù)據(jù)均應(yīng)做好完整記錄。當分級加載至桁架結(jié)構(gòu)即將離開地面時,可能存在各點不同時離地的情況,此時應(yīng)降低提升速度,并密切觀察各點離地情況,必要時做“單點動”提升。確保桁架結(jié)構(gòu)離地平穩(wěn)、各點同步。分級加載完畢,桁架結(jié)構(gòu)提升離開拼裝地面約20 cm后暫停,停留2~24 h,全面檢查各設(shè)備運行及構(gòu)件的正常情況。停留期間組織專業(yè)人員對提升支撐架、桁架鋼結(jié)構(gòu)、提升吊具、連接部件及各提升設(shè)備進行專項檢查。停留完畢后,各專業(yè)組對檢查結(jié)果進行匯總,并經(jīng)起吊指揮部審核確認無任何隱患和問題后,由總指揮下達正式提升命令。
8)正式提升:試提升穩(wěn)定后,通過集群液壓千斤頂提升器協(xié)同循環(huán)往復(fù)動作正式開始提升[6]。
本工程中的大跨度重型鋼桁架采用全自動液壓同步提升技術(shù)取得成功,為今后同類工程施工積累了經(jīng)驗。