陳鈺明,佘志剛,李 奇,姚建忠,周志剛,胡 新,張 楊,李 科

(中建三局集團有限公司,湖北 武漢 430000)

1 工程概況

優(yōu)必選總部大廈項目在1～9層進行結構轉換,以36m超高巨型轉換桁架將4根角部巨柱轉換為地上16根豎向鋼柱。轉換桁架鋼柱傾斜角度為14°,單個構件最大質(zhì)量為42.5t,拼裝整體起吊最大質(zhì)量為58t,整個外立面轉換桁架重約5 120t(見圖1)。由于桁架承擔塔樓標準層荷載轉換傳遞,其構件具有巨型化、節(jié)點復雜化特點,施工采用依次逐層逐段高空散裝法,復雜構件施工快速提升是關鍵。轉換桁架施工階段存在傾斜懸臂狀態(tài),在未形成桁架體系前結構應力和變形控制至關重要。

2 施工技術

2.1 異形構件快速吊裝技術

轉換桁架構件質(zhì)量大,且形狀不規(guī)則的偏心構件數(shù)量多,為實現(xiàn)構件快速吊裝,桁架結構能形成體系,將外立面典型構件吊裝分類管理:第1類為偏心小的多對接口異形構件,第2類為傾角大且相對規(guī)則的構件。

1)對于第1類構件,采用固定鋼絲繩長度調(diào)整吊耳位置的四吊點吊裝方法(見圖2a)。其原理是在深化階段找到異形構件重心,并在兩側布置臨時吊耳(兼作臨時固定耳板),通過調(diào)整吊耳位置確保同類型構件鋼絲繩長度一致,實現(xiàn)構件起吊后角度與圖紙相符或者與對接口平行,方便緊固和快速就位,縮短二次調(diào)節(jié)時間。

圖2 轉換桁架構件吊裝方法

2)對于第2類構件,選用固定吊耳位置調(diào)節(jié)鋼絲繩長度的四吊點吊裝方法(見圖2b)。構件設置主吊耳和輔助吊耳,主吊耳2個,布置在構件重心上方沿構件軸線方向偏移150～250mm處,確保主吊耳在吊裝期間承受構件85%以上自重。輔助吊耳設置在距離斜撐底部50～100mm位置,用于調(diào)節(jié)段連接。在構件軸向上表面設置數(shù)顯水平尺,通過重力感應實現(xiàn)傾角數(shù)字化顯示,反復調(diào)節(jié)倒鏈長度,快速調(diào)整至圖紙角度,便于節(jié)點對接和安裝。

復雜節(jié)點及傾斜構件對接設置導向板,導向板由2塊楔形和2塊矩形鋼板組成,分布在構件下表面和兩側,斜撐安裝時沿導向板滑入指定位置即可就位和臨時緊固(見圖3)。復雜異形構件節(jié)點為偏心構件,采用加強型雙排孔吊耳和連接板緊固,并在臨時連接板一端設置圓孔,另一端設置長圓孔,避免施工和制作誤差導致穿孔困難。

圖3 構件導向板設置和臨時連接

2.2 轉換桁架結構施工自平衡技術

轉換桁架體系結構對稱布置,施工期間存在6層高雙向傾斜懸臂階段,傾斜懸臂最高點偏離首層柱中心水平距離為10m,為解決偏心導致首層巨柱節(jié)點附加傾覆彎矩問題,采用門式剛架對撐結構體系,每2層位置對撐,將鏤空部分補全形成環(huán)向封閉結構,并優(yōu)化6～9層施工順序,優(yōu)先實現(xiàn)結構環(huán)向封閉再向上施工。通過結構環(huán)向封閉,對稱安裝,施工高度同步,水平撐桿內(nèi)力抵消,最終實現(xiàn)結構內(nèi)部自平衡。塔樓1～9層轉換桁架支撐布置如圖4所示。

圖4 塔樓1～9層轉換桁架支撐布置

3 施工工藝流程

轉換桁架施工流程如圖5所示。

圖5 轉換桁架施工流程

4 施工準備

4.1 施工技術準備

4.1.1深化設計

對于不同類型異形構件,利用BIM軟件找好構件重心,根據(jù)選用的吊裝方法布置好構件吊點。此外,構件存在超寬、超重和偏心情況,深化設計時根據(jù)構件裝車方式考慮卸下吊耳。

4.1.2預起拱值確定

轉換桁架深化階段要進行預起拱值確定,考慮結構對稱分布特點,施工采用構件安裝預起拱。起拱值主要考慮支撐剛架卸載后上部結構荷載和活荷載的作用,通過施工模擬計算確定。

4.1.3確定桁架構件安裝順序

根據(jù)結構對稱特點,依次逐層對稱安裝外立面轉換桁架,安裝至相應樓層時,同步安裝門式剛架對撐結構,確保外立面形成封閉環(huán)狀,實現(xiàn)結構平衡。

4.1.4計算模擬分析

塔樓2個角部因與樓層無連接,施工階段存在懸臂傾斜情況,對首層轉換節(jié)點影響大。通過MADIS軟件對轉換桁架施工階段進行模擬分析,分析構件安裝對結構的影響,以及將應力、變形值控制在設計要求內(nèi)所需門式剛架對撐結構的要求。模擬分析找出施工階段結構最不利位置,并進行包絡匯總,指導現(xiàn)場施工和結構安全管控。施工階段桁架結構應力分析如圖6所示。

4.2 現(xiàn)場施工準備

1)施工前對吊裝班組進行技術交底,提前明確好構件位置和方向、安裝順序和施工控制要點。

2)在三維模型中輸出異形構件控制點三維坐標,并轉換成現(xiàn)場實際控制網(wǎng)三維坐標,在控制點上粘貼反光片。

3)對構件進場驗收,嚴格控制構件外觀和尺寸,尤其是異形構件多牛腿的相對關系。

4.3 門式剛架對撐結構制作

門式剛架對撐結構受力較小,施工階段主要保證結構穩(wěn)定性。根據(jù)受力特點,優(yōu)先制作寬翼緣熱軋H型鋼。支撐柱截面選用HW400×400,水平支撐梁、對撐梁和斜撐截面選用HW300×300。加工前對剛架圖紙進行深化、放樣和編號,重點控制梁柱斜撐交匯處節(jié)點、支撐梁與結構連接的變截面處理。

5 施工控制要點

5.1 構件吊裝

對于無傾角或偏心小的構件,按照吊裝方法匹配相應的鋼絲繩長度,構件豎起完成后直接達到圖紙安裝角度,并在地面將臨時夾板通過螺栓固定在耳板上,隨著鋼構件同步吊裝一次就位。垂直構件吊裝如圖7所示。

圖7 垂直構件吊裝

對于傾角大的構件,構件豎起完成后,將輔助吊繩設置在構件下端預留吊耳處,輔助吊繩由鋼絲繩和手拉葫蘆組成。調(diào)整手拉葫蘆長度,改變構件傾斜角度。在構件上表面設置數(shù)顯水平尺,可以動態(tài)數(shù)字顯示構件傾斜角度,方便人員調(diào)節(jié)。構件角度滿足要求后,吊裝至安裝位置就位(見圖8)。

圖8 傾斜構件吊裝

構件吊至安裝位置附近后,沿導向板滑入,精準就位,采用雙排孔加厚連接板進行臨時緊固,構件安裝階段無須二次加固。

5.2 轉換桁架施工

5.2.12層桁架立面構件及對應門式剛架對撐結構安裝

門式剛架對撐鋼柱柱腳設置在首層混凝土環(huán)梁上(見圖9)。在環(huán)梁上設置預埋件,采用鉸接柱腳連接。

圖9 門式剛架對撐鋼柱柱腳大樣

轉換節(jié)點分叉為3個柱后超出板面一定高度,用于上部結構安裝。2層結構施工期間,優(yōu)先安裝外立面角部直柱和中心支撐筒柱,再安裝角部斜柱,每個立面對稱安裝。此外,同步安裝2層范圍門式剛架對撐結構、角部直柱與斜柱間的拉結鋼梁、門式剛架對撐結構面外與中心支撐筒柱的拉結鋼梁,最終使2層外立面形成封閉環(huán)狀。施工過程嚴控構件安裝精度,通過模型三維坐標和現(xiàn)場坐標系轉換,得到現(xiàn)場實控三維坐標,并在構件頂部粘貼反光片,采用全站儀全程監(jiān)控。外立面桁架和中心支撐筒柱安裝完成后,進行2層鋼梁安裝。1～2層結構施工如圖10所示(帶圈數(shù)字代表安裝順序,下同)。步驟1為首層鋼柱及對應門式剛架對撐結構安裝,步驟2為2層立面結構及門式剛架對撐結構安裝。

圖10 1～2層結構施工

5.2.23～4層桁架立面構件及對應門式剛架對撐結構安裝

3～4層結構采用逐層逐段依次向上施工。施工期間同立面對稱安裝。3層桁架立面施工期間,優(yōu)先安裝角部直柱,再安裝斜柱及與斜柱間的拉結鋼梁,與此同步安裝3～4層對撐結構,包括支撐筒柱、X形斜撐、與中心支撐筒柱拉結的鋼梁,由于對撐結構梁布置在4層,3層結構安裝完成后會出現(xiàn)單節(jié)高度的懸挑,因此暫不澆筑柱內(nèi)混凝土,開始安裝4層桁架立面結構,施工方法同3層,并補齊水平對撐鋼梁,使結構在4層形成封閉環(huán)狀,再澆筑柱內(nèi)混凝土。斜柱質(zhì)量大、不規(guī)則,安裝期間為方便構件角度調(diào)整,柱頂與直柱拉結手拉葫蘆,用于精調(diào)。3～4層結構施工如圖11所示。步驟1為3層鋼柱、斜柱及對應門式剛架對撐安裝,步驟2為4層立面結構及門式剛架對撐結構安裝。

5.2.35～9層桁架立面構件及對應門式剛架對撐結構安裝

根據(jù)結構特點,5～9層桁架立面施工原則為優(yōu)先保證外立面結構形成封閉環(huán)狀,確保傳力路徑貫通,實現(xiàn)內(nèi)部平衡。5層結構先施工角部直柱、斜柱,然后柱間鋼梁或拉結鋼梁安裝,形成穩(wěn)定體系再施工樓層鋼梁,同步安裝6層下弦梁對應的支撐剛架。從6層開始進入標準桁架階段,受構件質(zhì)量和塔式起重機性能影響,結構從下向上依次施工,先施工角部桁架柱,再施工6層桁架下弦箱梁,然后依次施工斜腹桿、直腹桿、9層上弦梁。施工先保證角部穩(wěn)定,再實現(xiàn)環(huán)向封閉。5～9層結構施工如圖12所示。步驟1為5層立面結構安裝;步驟2為安裝6層角部鋼柱、桁架斜腹桿及拉結鋼梁;步驟3為桁架6層下弦梁安裝及7～9層角部鋼柱和斜撐安裝,6層實現(xiàn)環(huán)向封閉;步驟4為安裝7～8層桁架斜腹桿及結構拉結梁;步驟5為桁架7層直、斜腹桿及對應鋼梁施工,7層形成封閉環(huán)狀;步驟6為桁架8層直、斜腹桿及對應鋼梁施工,8層形成封閉環(huán)狀;步驟7為桁架9層上弦梁、柱施工;步驟8為完成外立面桁架安裝。

圖12 5～9層結構施工

5.2.4鋼管柱內(nèi)混凝土澆筑

外立面角部直鋼柱和斜鋼柱焊接及無損檢測合格后,放置鋼柱內(nèi)鋼筋籠,并利用塔式起重機和料斗澆筑柱內(nèi)混凝土,2層澆筑1次,高度≤9m,并采用自密實混凝土澆筑。由于鋼柱隔板澆筑孔徑為800mm,期間采用混凝土振動棒振搗密實。

5.3 門式剛架對撐結構卸載和拆除

外立面門式剛架對撐結構及與樓層拉結的鋼梁需在1～9層轉換桁架、樓層鋼梁施工完成后拆除。整體拆除方向為西面→北面→南面→東面,單個結構立面拆除遵循由上到下、先次后主的順序。樓層中的水平支撐鋼梁由上到下逐層拆除。每個立面支撐結構拆除時先完成支撐柱與結構梁的卸載,再根據(jù)拆除分段逐步將結構單元吊運至地面解體,人員高空作業(yè)采用曲臂車輔助。支撐柱分級卸載如圖13所示(每次對稱切割10mm,分級卸載,直至支撐結構與鋼梁脫離)。

圖13 支撐柱分級卸載

5.4 應力和位移監(jiān)測

5.4.1應力監(jiān)測

9層轉換桁架施工期間,在施工及卸載階段影響最大的首層4個角部轉換節(jié)點和其他關鍵位置布置應變監(jiān)測點(見圖14),施工過程中實時監(jiān)測節(jié)點應力變化,并和計算模擬值分析對比,確保各節(jié)點應力控制在設計允許范圍內(nèi),其中首層轉換節(jié)點位置應力控制在15MPa以內(nèi)。

圖14 應變監(jiān)測點布置

5.4.2位移監(jiān)測

轉換桁架施工期間的位移監(jiān)測主要在支撐卸載階段,監(jiān)測部位為6層箱梁,每個立面布設3個監(jiān)測點(見圖15)。

圖15 位移監(jiān)測點布置

5.5 上部結構施工

上部標準層施工,優(yōu)先安裝中心支撐筒結構,再進行外框鋼柱、柱間斜撐和框梁施工,最后完成樓層輻射鋼次梁安裝,依次循環(huán)完成上部結構施工。

6 質(zhì)量控制

6.1 施工質(zhì)量控制措施

6.1.1復雜構件分段分節(jié)控制

巨型轉換桁架中節(jié)點1,2處在桁架關鍵位置,節(jié)點整體性至關重要。由于構件截面尺寸及板厚大,導致節(jié)點1,2質(zhì)量均達66t,構件外輪廓尺寸為6.6m×5.3m,已遠超構件運輸條件,因此節(jié)點拆分位置非常重要。為保證結構安全和施工質(zhì)量,對關鍵節(jié)點采用ABAQUS 進行計算分析(見圖16)。根據(jù)受力分析結果,結合運輸和焊接空間需求,在節(jié)點受力較小部位進行深化拆分(見圖17),保證節(jié)點完整性及受力性能。

圖16 節(jié)點拆分及驗算

6.1.2巨型桁架施工精度控制

對于復雜巨型桁架施工,一方面要控制構件本體制作尺寸,另一方面要保證現(xiàn)場安裝精度。構件制作從組裝順序、裝配定位、厚板焊接等方面入手,優(yōu)化組裝順序,減小狹小空間作業(yè),所有零部件裝配采用同一個基準點,并提前考慮焊接變形收縮帶來的結構尺寸偏差,做好預留。制作期間復雜構件每道工序組織驗收,對構件牛腿定位、角度、本體尺寸等重點把控。通過結構模型轉換得到現(xiàn)場構件三維控制點坐標,以此作為構件控制的理論坐標,并不斷修正現(xiàn)場實測坐標值,直至接近理論坐標。構件測量校正宜在上午或下午溫度較低時進行,避免因溫度影響導致校正偏差。

6.2 首層轉換節(jié)點應力控制

施工階段在關鍵部位設置應力、應變監(jiān)測點,監(jiān)測模塊可實現(xiàn)每5min記錄1次數(shù)據(jù),并設置預警值,數(shù)據(jù)自動上傳云平臺,施工管理人員在手機終端隨時可查看,確保首層轉換應力在控制范圍內(nèi),保證結構施工質(zhì)量和安全。應力監(jiān)測結果如表1所示。

7 結語

1)通過對超高巨型轉換桁架自平衡施工關鍵技術研究,解決了轉換桁架施工階段傾斜偏心對結構的影響,施工階段的結構荷載內(nèi)部自平衡確保了首層轉換節(jié)點應力控制在設計允許范圍內(nèi),保證結構施工安全和質(zhì)量。

2)通過對巨型轉換桁架構件分類吊裝管理、構件傾斜角度可調(diào)節(jié)和可視化管理,可極大地縮短鋼構件從起吊到就位的時間,單個巨型復雜節(jié)點吊裝時間由6h縮短至2h,減少塔式起重機占用時間4h,施工工效提高200%。