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        一種簡便高效的裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工臨時支撐胎架

        2019-05-17 01:50:56蔡文文王濤王旻葉舒群嚴偉東
        福建建筑 2019年4期
        關(guān)鍵詞:胎架圓管底座

        蔡文文 王濤 王旻 葉舒群 嚴偉東

        (中建鋼構(gòu)有限公司 廣東深圳 510000)

        1 工程概況

        福州數(shù)字中國會展中心位于福州濱海新城核心區(qū)大東湖中段位置,西臨新城東湖路,靠近文武砂水庫,南側(cè)為東湖三路,北臨智慧路。主要功能包含展覽中心、會議中心及配套功能設施用房。地下1層,地上2層,局部設置夾層,建筑高度約為33.00m,總建筑面積約為11.28萬m2,為會展中心類項目,完工后需要投入會議使用,體量大、工期緊。

        該工程鋼結(jié)構(gòu)包括地上主體采用鋼框架+BRB斜撐+正交平面桁架結(jié)構(gòu)體系,大跨度區(qū)采用正交平面主次桁架,分布于南側(cè)展廳的16m、32m標高樓層,南側(cè)辦公區(qū)的16m、24m、32m標高樓層,以及北側(cè)會議廳的16m、32m標高樓層,均為H型鋼桁架,材質(zhì)為Q345GJB,桁架之間還有次桁架相連,如圖1~圖2所示。南、北側(cè)桁架最大跨度均為68m,桁架最大高度6.6m,單榀桁架最大重量達到230t。

        圖1 各層結(jié)構(gòu)分布

        圖2 三層桁架立面分布

        2 桁架安裝總體思路

        桁架作為預制鋼構(gòu)件,工廠制作,現(xiàn)場吊裝安裝,桁架吊裝采用退裝法。在地下室頂板澆筑完成且強度滿足要求后,采用履帶吊上地下室頂板吊裝,按從下往上順序逐層吊裝完一個軸線的桁架,再逐個軸線由內(nèi)往外退裝。

        正交桁架先吊裝大跨主桁架,再嵌補吊裝次桁架??紤]單榀主桁架重量大,采取兩臺履帶吊雙機抬吊分段吊裝方法施工。主桁架分段面在高空對接,需要設置支撐胎架,提供足夠的承載力。每一榀主桁架高空校正后,需要安裝次桿件連接已安裝鋼柱或桁架形成穩(wěn)定框架結(jié)構(gòu)體系施工順序。

        3 支撐胎架設計

        3.1 設計說明

        該工程桁架吊裝支撐胎架設計要求為:①安全可靠;②利于該工程桁架安裝,實現(xiàn)一個軸線多層桁架同時施工;③支撐胎架現(xiàn)場安裝速度快,滿足搶工期要求;④可重復利用,節(jié)省措施材料;⑤便于操作人員高空作業(yè)。

        3.2 支撐胎架方案比選

        圖3 方案一 貝雷架組合

        方案一(如圖3所示)優(yōu)點:

        (1)材料來源廣;

        (2)工程實踐多,可參考性強;

        (3)支撐跨越桁架時對主體結(jié)構(gòu)無影響。

        方案一缺點:

        (1)支撐搭設組裝較為繁雜,搭設耗費時間較長,需要大量人力;

        (2)跨越中間桁架時,需要搭設轉(zhuǎn)換型鋼,轉(zhuǎn)換型鋼搭設的垂直度和穩(wěn)定性要求難以滿足;

        (3)對于不同高度桁架需要組織的貝雷片節(jié)數(shù)需要精細安排;

        (4)承載能力有限;

        (5)胎架拆除過程難度較大。

        圖4 方案二 單圓管支撐

        方案二(如圖4所示)優(yōu)點:

        支撐結(jié)構(gòu)簡單,搭設方便。

        方案二缺點:

        (1)單根圓管支撐的垂直度要求高,穩(wěn)定性難以滿足。

        (2)二層桁架完全依靠底層桁架承力豎圓管支撐,對結(jié)構(gòu)本身影響較大,需要桁架吊裝且焊接完成。

        (3)承載能力有限。

        圖5 方案三 圓管組合支撐

        方案三(如圖5所示)優(yōu)點:

        (1)支撐胎架組成簡單,安拆方便效率高,便于重復使用。

        (2)支撐高度可根據(jù)需求隨意調(diào)節(jié)。

        (3)采用門字架形式,穩(wěn)定性強。

        (4)支撐跨越桁架時對主體結(jié)構(gòu)無影響。

        (5)承載能力強。

        方案三缺點:

        (1)圓管組合門字架的平面外穩(wěn)定性要求較高。

        (2)門字架中間橫梁作為主要承力部件,與圓管的焊縫質(zhì)量要求高。

        結(jié)合該工程對上述3種方案優(yōu)缺點綜合考慮,最終確定方案三圓管組合支撐胎架為最優(yōu)方案。

        3.3 支撐胎架結(jié)構(gòu)設計及原理

        圓管組合支撐主要由幾部分組成:胎架底座、200mm圓管調(diào)節(jié)段、Φ609×16圓管、H700×300×13×24型鋼橫梁、HW200×200×8×12型鋼[1]連梁、H600×600×13方管調(diào)節(jié)段。其中Φ609×16圓管與200mm圓管調(diào)節(jié)段為帶有法蘭盤與三角筋板的圓管,胎架底座由H350×350×12×19加工制作。

        Φ609×16圓管、H700×300×13×24型鋼橫梁、HW200×200×8×12型鋼連梁通過焊接連接組合成門式架結(jié)構(gòu)整體,作為一層桁架主要承力部件。門式架結(jié)構(gòu)中H700×300×13×24型鋼橫梁位置通過[]600×600×13方管調(diào)節(jié)段支撐桁架結(jié)構(gòu)自重,Φ609×16圓管通過200mm圓管調(diào)節(jié)段、胎架底座傳力到地面。Φ609×16圓管可在第一層承力門式架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上通過法蘭盤連接繼續(xù)安裝樹立圓管,在不影響第一層桁架安裝的基礎(chǔ)上依此類推組成第二節(jié)門式架結(jié)構(gòu),用來承載第二層桁架。Φ609×16圓管包含多種長度規(guī)格,可以搭配選用適用不同高度的桁架結(jié)構(gòu),并通過[]600×600×13方管調(diào)節(jié)段進行高度微調(diào)。200mm圓管調(diào)節(jié)段一端為法蘭盤與Φ609×16圓管連接,另一端與底座連接鋼板焊接,可以調(diào)節(jié)Φ609×16圓管垂直度以及便于法蘭螺栓穿孔。

        胎架底座如圖6所示,主要外形尺寸為2600×1400×350,由HW350×350×12×19制作,面積較大,能夠較好地保證整個支撐胎架的穩(wěn)定性。胎架底座通過角焊縫形式與埋件連接,進一步增強支撐胎架穩(wěn)定性。

        圖6 底座與埋件連接

        底座通過圓管調(diào)節(jié)段與圓管連接,底座內(nèi)部設置20mm厚加勁板支撐810×810承托板,如圖7~圖8所示。

        圖7 底座與圓管調(diào)節(jié)段連接剖面圖

        圖8 底座與圓管調(diào)節(jié)段連接俯視圖

        鋼橫梁通過與圓管相貫線熔透焊進行連接,焊接前提前根據(jù)被支撐鋼桁架標高確定鋼橫梁位置,如圖9所示。

        圖9 鋼橫梁與圓管連接

        圖10 鋼橫梁與方管調(diào)節(jié)段連接

        4 支撐胎架施工流程

        圓管組合支撐胎架施工流程,主要包括測量定位、底座安裝、圓管地面拼裝、圓管組合整體吊裝、桁架吊裝、增加圓管節(jié)段吊裝多層桁架等,如圖11所示。

        圖11 支撐胎架施工流程

        4.1 底座固定埋件安裝

        底座固定埋件安裝在土建澆筑混凝土前插入,埋件安裝前在完成測量放線后與已綁扎鋼筋進行焊接定位。混凝土振搗后進行埋件位置復測。

        4.2 底座安裝

        底座安裝前,先按照根據(jù)胎架平面布置圖中已給出的坐標點及點與軸線的關(guān)系確定底座位置?;炷涟迕鏉仓黄綍r,將混凝土突出面鑿平或在埋件上增設鋼板并調(diào)平,增設鋼板小于埋件面板并大于型鋼翼緣,與埋件面板圍焊,如圖12所示。

        圖12 底座安裝

        4.3 支撐措施支撐體系安裝

        圓管組合支撐安裝前,在地面首先進行拼裝。地面拼裝首先搭設枕木并調(diào)平,隨后通過塔吊吊裝圓管至枕木,地面搭設橫梁與連梁就位型鋼支撐。吊裝橫梁與連梁,經(jīng)校正就位后進行下一步焊接連接。

        首節(jié)圓管的拼裝,包括圓管調(diào)節(jié)段的安裝,圓管調(diào)節(jié)段由工廠加工運至現(xiàn)場,調(diào)節(jié)段帶有法蘭,現(xiàn)場通過M24×90螺栓與圓管節(jié)段法蘭對接連接。

        首節(jié)支撐鋼橫梁、連梁、吊裝耳板及鋼爬梯、操作平臺同時在地面安裝到圓管上,形成門字架形式,如圖13所示。

        圖13 胎架地面拼裝

        對拼裝完成的組合門字架整體吊裝至底座上的定位連接板,如圖14所示。

        圖14 胎架整體吊裝

        對橫梁標高進行實際測量,與桁架下弦標高對比,得出方管調(diào)節(jié)段長度,在地面截取方管調(diào)節(jié)段長度后,吊裝至橫梁上表面方管封板,焊接固定,如圖15所示。

        云南電力市場中,月度撮合交易起到發(fā)現(xiàn)市場價格信號的作用。月度撮合交易發(fā)現(xiàn)市場價格信號有其弊端,不能體現(xiàn)短期的供求情況,不能對有短期調(diào)節(jié)能力的機組的價格有一定反映。目前云南省內(nèi)雖然已建立日前市場,但日前市場競價時并不區(qū)分時段,所以電價很難反映部分時刻電能的稀缺性。電能市場對于能量的供需反映越精確,輔助服務的價格越容易清晰核算。所以云南省內(nèi)電力市場仍然要積極推動現(xiàn)貨市場建設,由現(xiàn)貨市場發(fā)現(xiàn)價格。

        圖15 調(diào)節(jié)段安裝

        圓管胎架安裝完成后,拉設纜風繩增強圓管平面外穩(wěn)定性。由于桁架安裝采用退裝法,自下而上安裝完一整個軸線后退裝下一個軸線,纜風繩不會影響桁架吊裝就位,如圖16所示。

        圖16 纜風繩立面圖

        5 支撐胎架卸載與拆除

        5.1 卸載與拆除原則

        支撐胎架卸載與拆除的前提條件為主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成連接,結(jié)構(gòu)自身能夠滿足承載要求。

        卸載過程中,要求主體和臨時支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移變化是緩慢的,避免引起動力因素或產(chǎn)生沖擊荷載造成結(jié)構(gòu)局部破壞。同時,卸載全過程保證主體結(jié)構(gòu)和支撐桿件的應力全部控制在彈性范圍內(nèi),變化幅度控制在合理范圍內(nèi),避免發(fā)生強度破壞和失穩(wěn)。

        5.2 卸載方法與步驟

        考慮到桁架跨度較大,卸載過程中使用型鋼與螺旋千斤頂進行分級卸載[2]。

        卸載經(jīng)過3個步驟:①布置型鋼與千斤頂,如圖17所示;②千斤頂行程上升頂起桁架,使方管支撐脫離桁架并移除,如圖18所示;③千斤頂行程按照每次2cm高度分級緩慢下降,直至與桁架脫離,卸載完成,如圖19所示。

        圖17 步驟1:布置型鋼與千斤頂

        圖18 步驟2:千斤頂頂起桁架同時拆除方管支撐

        圖19 步驟3:千斤頂分級下降與桁架脫離

        5.3 卸載與拆除順序及流程

        卸載過程中結(jié)構(gòu)體系逐步轉(zhuǎn)換,桁架內(nèi)力和臨時支撐的受力發(fā)生變化,總體卸載順序為自上而下,由四周往中間對稱卸載。拆除緊跟卸載順序,卸載完成后火焰切割拆除橫梁及連梁,隨后拆除圓管連接螺栓,通過塔吊或汽車吊吊裝圓管至地面。

        5.4 安全注意事項

        (1)卸載前,提前做好安全技術(shù)交底,對作業(yè)人員進行安全教育,安全帽、安全帶、防滑鞋等個人勞保用品佩戴齊全。

        (2)嚴格按照卸載與拆除順序作業(yè),使結(jié)構(gòu)對稱緩慢承載。

        (3)卸載時,采用螺旋千斤頂嚴格按照分級同步頂升及下落,保證桁架結(jié)構(gòu)應力緩慢變化。

        (4)卸載過程中,對桁架跨中撓度進行實時監(jiān)測,若超出設計下?lián)现导皶r停止卸載并預警上報,采取后續(xù)相關(guān)處理措施。

        (5)胎架拆除吊裝作業(yè)時,注意防止與結(jié)構(gòu)及其他設備碰撞。

        5.5 圓管組合胎架優(yōu)點

        (1)相比傳統(tǒng)的貝雷架支撐以及格構(gòu)式胎架支撐,該發(fā)明簡化了各組件結(jié)構(gòu)設計,使用Φ609×16圓管取代了貝雷片及格構(gòu)式的大量桿件,材料可周轉(zhuǎn)使用,節(jié)省了大量的材料采購費用和制作成本。

        (2)多種長度規(guī)格的圓管組合,輕松實現(xiàn)了不同高度的鋼結(jié)構(gòu)安裝支撐,提高了支撐措施設計的效率。

        (3)減少支撐措施的復雜程度,采用法蘭連接提高了支撐的結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性。

        (4)圓管組合支撐措施占用空間小,有利于多工序的交叉作業(yè)及其他專業(yè)的交叉施工。

        (5)簡化支撐安裝、拆除及二次利用工序,提高了安裝和拆除的效率,方便安拆和轉(zhuǎn)移,節(jié)約了大量的工期。

        (6)實現(xiàn)了支撐措施在對主體鋼結(jié)構(gòu)安裝無影響的前提下跨越樓層連續(xù)支撐,減少了支撐胎架多次定位安裝的難度與時間,同時實現(xiàn)了多層鋼結(jié)構(gòu)安裝的流水作業(yè),也最大程度地保證主體鋼結(jié)構(gòu)施工的安全性。

        (7)圓管組合支撐胎架適應性廣,尤其是裝配式建筑結(jié)構(gòu)的施工。除了適用于正交平面鋼桁架,部分超長超重鋼梁、懸挑結(jié)構(gòu)乃至于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)預制構(gòu)件的安裝均可以使用。

        6 施工模擬分析計算

        6.1 計算約定

        采用有限元軟件進行圓管支撐胎架受力分析及施工模擬。首先對單個桁架分段施工進行支撐胎架受力分析,再對整個桁架結(jié)構(gòu)施工進行模擬分析。

        邊界條件使用固定支座模擬胎架底部埋件支座。

        如圖20~圖21所示,荷載主要包括:

        (1)恒荷載:結(jié)構(gòu)自重;

        (2)活荷載:所支撐的桁架對胎架的作用力;

        (3)風荷載:考慮X、Y兩個方向的風荷載對支撐鋼胎架的作用。

        圖20 支撐胎架受力

        圖21 桁架對支撐胎架反力

        根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012》5.2.2條確定風荷載相關(guān)參數(shù)見表1所示。

        表1 風荷載相關(guān)參數(shù)

        風荷載計算值按照荷載規(guī)范8.1.1條得到計算的分段荷載如表2所示。X、Y向風荷載如圖22所示。

        表2 不同高度風荷載值

        圖22 X、Y方向風荷載

        計算得到應力云圖與位移云圖,最大組合應力值為67.5MPa,如圖23所示。最大位移值:7.7mm,如圖24所示。

        圖23 支撐胎架應力云圖

        圖24 位移云圖

        圖25 臨界荷載系數(shù)

        胎架計算得到的最大應力為67.5MPa<205MPa,滿足規(guī)范要求。胎架位移7.8mm1,如圖25所示。整體穩(wěn)定性驗算通過。

        圖26 桁架施工步1應力云圖

        圖27 桁架施工步1位移云圖

        圖28 桁架施工步2應力云圖

        圖29 桁架施工步2位移云圖

        圖30 桁架施工步3應力云圖

        圖31 桁架施工步3位移云圖

        圖32 桁架施工步4應力云圖

        圖33 桁架施工步4位移云圖

        圖34 桁架施工步5應力云圖

        圖35 桁架施工步5位移云圖

        圖36 桁架施工步6應力云圖

        圖37 桁架施工步6位移云圖

        圖38 桁架施工步7應力云圖

        圖39 桁架施工步7位移云圖

        桁架吊裝各施工步應力與位移云圖如圖26~圖39所示,各施工步結(jié)構(gòu)最大組合應力變化時程曲線[3]如圖40所示,每個施工步最大組合應力隨桁架沿軸線退裝而變化,呈階梯狀,施工步7達到最大。組合應力階梯狀反應出不同軸線桁架自重不同及南側(cè)辦公區(qū)增加至三層桁架所帶來的應力顯著增大。

        圖40 結(jié)構(gòu)最大組合應力時程曲線

        各施工步結(jié)構(gòu)最大合位移變化時程曲線反映最大合位移在施工16m與32m桁架時較為平穩(wěn),當施工步7施工南側(cè)辦公區(qū)16m、24m、32m層桁架時,最大合位移增大為52.5mm,如圖41所示。

        圖41 結(jié)構(gòu)最大合位移時程曲線

        整個安裝過程中最大應力161.7MPa,最大應力在圓管胎架上。材料強度具有足夠的安全儲備,且應力整體變化平穩(wěn)。施工過程最大位移為52.5mm

        7 工程實際應用

        福州數(shù)字中國會展中心項目在現(xiàn)場桁架吊裝中采用履帶吊雙機抬吊退裝法,在每完成一段桁架吊裝同時及時連接次桿件,使桁架與已安裝結(jié)構(gòu)組成穩(wěn)定體系,防止桁架傾覆。圓管組合支撐胎架現(xiàn)場安裝完成后根據(jù)需要沿垂直于兩根圓管組合面方向拉設纜風繩,確保圓管組合胎架穩(wěn)定性。

        圓管組合支撐胎架實現(xiàn)了支撐措施在對主體鋼結(jié)構(gòu)安裝無影響的前提下跨越樓層連續(xù)支撐,減少了支撐胎架多次定位安裝的難度與時間,同時實現(xiàn)了多層鋼結(jié)構(gòu)安裝的流水作業(yè),也最大程度地保證主體鋼結(jié)構(gòu)施工的安全性,如圖42所示。

        工程實際應用中受限于工期緊張,且為完成對應高度桁架支撐,直接采取橫梁與圓管現(xiàn)場定位焊接連接的方式。后續(xù)項目可將橫梁與圓管優(yōu)化為帶螺栓孔牛腿形式的螺栓連接,更好實現(xiàn)材料周轉(zhuǎn)利用。

        圖43~圖45為圓管組合支撐胎架各典型組件在工程實際中的應用。

        圖42 圓管組合胎架在施工中的運用

        圖43 帶法蘭盤圓管

        圖44 鋼橫梁

        圖45 圓管調(diào)節(jié)段

        8 結(jié)語

        福州數(shù)字中國會展中心為典型的多層正交平面鋼桁架結(jié)構(gòu),裝配率超過50%。本文基于此結(jié)構(gòu)設計針對性的支撐胎架系統(tǒng),利用有限元軟件對支撐胎架進行模擬計算,并在實際施工中運用,獲得圓滿成功,實現(xiàn)降本增效。同時,該支撐胎架具有一定的創(chuàng)新性,適用性強,可為類似裝配式建筑施工提供參考。

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