狭窄场地条件下超大跨度转换钢桁架整体提升施工技术

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  【摘 要】大跨度钢结构桁架的吊运安装具有跨度大、体积大、重量大、对施工场地要求高等特点,当遇到重量过大、塔吊无法满足吊运需求、施工场地狭窄、大型机械无法进入等条件限制时,施工难度也大大增加。文章总结了一套狭窄场地条件下的超大跨度转换钢桁架整体提升施工技术方法,采用整体液压同步提升技术进行钢桁架的吊装,降低了施工难度,提高了安装精度和工程质量。该技术在实际使用中取得了良好的社会效益和经济效益,可为今后大跨度钢结构桁架的施工提供借鉴。
  【关键词】超大跨度转换钢桁架;地面拼装;液压千斤顶;整体提升
  【中图分类号】TU758.11 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688(2018)10-0086-06
  0 前言
  随着社会的不断进步与发展,人们对建筑的跨度要求、外观要求、质量要求不断提高。大跨度的钢结构桁架是一种先进的承力结构,能实现大空间、大跨度的设计构想,同时呈现造型大方美观,是一种结构和建筑外观完美融合的表现。如何在高层建筑上安装连廊,特别是针对施工场地较为狭窄、钢结构体型及面积较大、跨度大、空间定位难度较高、材料加工精度要求高、组拼困难的钢网架或钢桁架的安装,这将成为未来需要深入探索的新难题。
  1 工程概况
  广西柳州市柳东新区企业总部大楼用地面积为6.2万m2,包含1栋总部办公楼及2栋写字楼,整个工程的总建设规模达到22万m2,主体高度达到80 m。其中,总部办公楼共有20层,总高度达到79.8 m,该楼1~6层分为2个部分,独立设置出入口,7层以上连为整体。总部大楼全景如图1所示,总部大楼办公楼立面图如图2所示。
  2 超大跨度转换钢桁架工程概况
  大跨度的转换桁架层位于大楼的7~15层,7层以下为架空层。该转换桁架净跨度达到50.4 m,位于桁架两端的超大支承柱由型钢混凝土柱构成。在转换桁架层以上,共计有5层钢筋混凝土结构的楼层,巨型型钢混凝土柱的型钢均为钢板组焊的“十”字形型钢。
  4榀平行的平面桁架组成了本次需要提升的转换桁架。所有的组成桁架均为H型钢,高度为33.6 m,净跨度达到50.4 m。单榀桁架钢骨重约460 t。4榀平面桁架两侧相邻的桁架通过横向连接为整体(分成两组),接为整体后总重约2 000 t(包含各榀间的加强连接杆件重量)。每2榀平面桁架拼装为1个小整体,利用液压同步提升技术对每2个小整体进行提升。钢结构转换桁架平面图和立面图如图3、图4所示。
  (1)“十”字柱。本工程共有8根“十”字柱,柱顶标高为+63.350 m,单位重量为2.64 t/m,截面形式为1 600 mm×600 mm×60 mm×60 mm。
  (2)H型钢混凝土柱。本工程共有8根H型钢混凝土材质柱子,于+22.15 m的标高处开始,在+63.350 m的标高处结束,单位重量为0.298 t/m,截面形式为H500 mm×300 mm×20 mm×50 mm。
  (3)H型钢混凝土梁。本工程共有32根H型钢混凝土梁,单位重量为0.298 t/m,截面形式为H500 mm×300 mm×20 mm×50 mm。
  (4)转换桁架钢骨架。桁架均由H型钢结构组成,桁架构件最小截面为H500 mm×450 mm×34 mm×50 mm,桁架最大截面为H700 mm×600 mm×34 mm×50 mm。
  3 狭窄场地下前期施工准备
  本超大转换桁架跨度达到50.4 m,单榀重量非常大,转换时需要在26.350~59.950 m的标高上作业,施工场地在两栋楼之间,场地受限较为严重,大型机械无法进入,其运输和吊装难度大,需要重新进行道路硬化,以方便履带车进入。同时规划好拼装区域、吊机行走区域及材料堆放区域,重新安排安装精度控制难度大的施工作业。
  3.1 作业场地吊装道路施工规划
  由于本工程采用先在地面整体拼装再同步提升的方法进行施工,故地面拼装起始于地下室底板标高面-10.1 m处。为了保证钢结构地面有足够和拼装、材料堆放场地及吊机行走区域,需要与土建协调配合,预留如图5所示范围内的两层地下室工作面。
  3.2 钢结构作业场地、道路硬化施工
  钢结构作业场地设置在地下室底板以上,為了使地下室底板不受钢结构拼装施工过程中的破坏,必须采取相应的保护措施。在地下室底板强度满足要求后,依次采用800 mm厚灰土碎石压实、200 mm厚砂夹石过度填缝后表层,最后进行200 mm厚C25混凝土硬化表层,如图6、图7所示。其中,吊机行走路线上额外铺设路基箱以分散履带局部压力。
  本次拼装使用250 t履带吊车,自重为150 t,规定的最大起重量为20 t,吊装时每条履带下铺2块路基板。
  4 同步提升工艺原理
  4.1 液压同步提升
  本同步提升技术的核心工具为穿心式结构液压提升器和钢绞线,具有工具简单、运输便捷、使用安全等特点。在提升器两边的锚具可以单向锁定,当锚具工作的时候,钢绞线会自动锁紧;当锚具不工作的时候,将会放开原先锁紧的钢绞线,所以钢绞线能够自由做上、下活动。在提升器循环重复动作时,被提升的重物会慢慢向前移动。原理如图8所示。
  4.2 计算机同步控制
  本技术利用计算机控制整个提升过程,同时行程及位移传感仪也将对整个提升过程进行监测,对监测到的数据进行综合分析,通过分析的结果控制指令传达,使其实现全自动动作同步一致、提升物平衡提升、重物提升姿态矫正、应力准确控制、操作闭锁、过程详细显示和故障及时报警等多项功能。操作人员可以利用人机界面对提升过程进行监控及发布控制信息。
  5 施工工艺流程及操作要点
  5.1 施工工艺流程(如图9所示)   5.2 工艺要点
  (1)提升前技术准备。对施工界面楼板的承载能力进行计算,并对需要加固的地方采取相应的加固措施,同时参考计算出来的结果,选用合适的机械来拼装小型钢;运输通道在地下室的顶板上进行铺设,计算通道楼面的预计受力,保证计划使用的起重机及各类构件能顺利进入现场;对计划被提升的结构及两侧结构进行受力计算,保证施工过程中结构的安全性;做好提升架的选择、受力验算、根据资料进行制作和安装的准备工作,选择好提升点,确定好对应的提升结构控制体系;制定整体提升等各项技术安全文件,在施工前进行安全技术交底;机械设备、材料准备。
  (2)桁架地面拼装。先在两榀桁架之间加临时支撑杆,使其结构更加稳定;在将散件拼装成为吊装单元过程中,需要先进行入场检验、拼装平台搭设检验、组装焊接等工作的检验,最后对其进行验收,拼装流程如图10所示。
  (3)拼装平台地面保护处理措施。按要求回填及硬化,在桁架落地的长度范围内,设置拼装标高调节垫块,垫块位置位于桁架立柱位置,垫块使用“工”字钢梁根据现场要求均匀布置。
  (4)桁架拼装脚手架操作平台。在桁架拼装过程中,每榀桁架两侧均需要随拼装进度搭设脚手架操作平台。
  (5)构件拼装定位。构件初步定位确定后,利用光学设备对其进行检测,根据检测结果,与当初的理论位置进行对比,根据对比的情况进行构件的最后调整,在所有构件达到设计要求的误差范围内以后,进行下一步焊接。
  5.3 安装支承牛腿
  改造楼层上部两侧框架结构中的劲性柱,使其成为支承牛腿,在其上放置专用液压提升器作为提升工作的上吊点,如图11所示。
  5.4 桁架断点位置
  将提升结构在两端与框架劲性柱连接处依次断开,确保提升通道顺畅,桁架断开接口余量为10 mm。
  5.5 提升支架模型的建立及有限元分析
  根据桁架在提升过程中的受力情况,计算出各吊点的反力,选其中最不利(反力数值最大的)工况进行计算,根据结构受力情况,设置合理的提升方案。
  5.6 安装千斤顶支架及提升设备
  每榀桁架两个端部都设置1个进行提升的起吊点,同时结合提升吊点位置的布置,设置悬挑支架,其上放置液压提升顶,由此作为提升的上吊点。
  5.7 提升千斤顶吊装
  提升千斤顶采用汽车吊或塔吊车吊装,千斤顶吊装到位后采用4块“7”字形卡板焊接固定于提升支架上,确保千斤顶重心与承重架预留孔中心一致。留设承重架预留孔,为保证提升顶顶部钢绞线顺直,可在承重架上、距提升顶0.2 m侧搭设高出提升顶顶部1.5 m的导线架。提升用千斤顶与钢绞线如图12所示。
  5.8 穿束细则
  上夹持器的夹片打开,绞线按照顺序穿过梳线板、安全夹持器、千斤顶、导向夹持器等部件,调整伸出长度,使其伸出导向夹持器,然后压紧夹持器的夹片。钢绞线按照左右旋向间隔进行布置,为了方便穿索,也可以使用引线装置进行导向。利用梳线板对钢绞线进行梳理,然后反锚在相应位置的夹持器处,随后检查压板螺钉是否已经紧固。上部工作结束后,调整夹持器的扭角,确保钢绞线没有整体扭转。
  5.9 钢绞线预紧
  钢绞线在正式受力前应单根预紧,同时确保每根钢绞线的受力情况基本一致。
  5.10 系统空载调试
  安装完成后进行试机,试机结果合格方可正式提升。
  5.11 提升前准备工作检查
  提升前再次对装置的各种系统进行全面认真检查,及时记录检查结果。对千斤顶支座与吊装平台的就位情况一并进行检查并记录,确认结构上的无关荷载已经去除。
  5.12 试提调整
  (1)确认所有千斤顶主顶在初始位置,不符合位置要求的调整至初始位置。
  (2)手动操作系统,给予20%、40%、60%、80%比例的递增载荷。
  (3)手动加载将钢转换桁架提升离开地面5 cm左右后静置,期间组织人员定时对结构安全检查。
  (4)检查焊缝和结构变形是否符合预期,确保正常后继续提升。
  (5)检查所有设备是否正常。桁架试提升成功如图13所示。
  5.13 钢转换桁架的水平调整
  调整千斤顶达到平衡,将平衡时的数据作为自动提升的起点。
  5.14 提升
  (1)啟动自动提升,系统自动运行。
  (2)运行过程中,如果误差超过设定值,要及时对其进行调整;若同步误差较大,甚至超过控制系统最大误差,应进入紧急停机,调整合格后方可再次启动。
  (3)提升时,应认真观察并记录油压最值(最大值和最小值)及钢梁结构的偏移,及时对误差予以修正。
  (4)当钢转换桁架提升到设计位置后,停机悬置。桁架提升过程如图14所示。
  5.15 提升就位、对口焊接
  (1)同步提升至设计要求的附近位置后,暂停操作。
  (2)精确对口指令需要最后集中对口焊接与补杆。焊接作业接地必须可靠,防止钢绞线过电损伤。
  5.16 提升系统卸载拆除
  (1)操作液压提升系统进行同步分级卸载。卸载强度每级下降20%。
  (2)卸载完成后,利用塔吊将钢绞线抽出。拆除数据线及油管,割除千斤顶底板的临时限位“7”字板,再将千斤顶吊离千斤顶支架。
  (3)千斤顶拆除完后,即可拆除千斤顶提升架及下吊点。
  6 质量监测
  本转换桁架为高次超静定的巨型型钢转换桁架,结构的自重、跨度较大并且支撑点多,在施工过程中内力、应力和变形比较复杂,所以构件局部可能发生明显的扭转或平面外失稳。为确保本工程转换桁架部分施工和卸载达到预期效果,必须在构件的关键部位进行有效的应力应变和挠度监测。在监测之后及时将相关监测结果反馈给设计单位进行分析,保证工程有序有效地进行。   B、E、G、K4榀桁架中,每榀桁架均有11个应力应变监测点,4榀桁架共需埋设44个应变计,每榀桁架均有9个挠度监测点,共设36个挠度测点,每榀桁架设11个温度监测点,共设44个温度监测点。为了确保应力测量数据的可靠和稳定,温度传感器采用与振弦应变传感器一体化的温度传感器,这样可同时测温度和应变,将振弦传感器应变与应变片应变进行对比。
  转换桁架竖柱底部挠度监测点布置在柱子与楼板面相交部位处,监测点标记在预埋钢筋上,每个监测点的沉降值也即是竖柱的沉降量(钢桁架的最终预拱度在标记挠度监测点时,没有考虑;即最终挠度值要考虑钢桁架的最终预拱度值);每榀桁架有9个竖柱,每个竖柱上均有1个监测点,共计36个监测点。
  从专业监测机构反馈的各项统计数据可知,转换桁架层在施工过程中应力应变均在容许值范围内;挠度值不考虑钢桁架卸载后的挠度,挠度变化也在容许范围内。总体来讲,在转换层逐层施工过程中,转换桁架层受力比较稳定且符合设计要求,因此本工程的整体提升、逐层浇筑方案是安全合理的。
  7 结语
  总体来讲,在狭窄的施工空间中采用液压同步提升技术,减少了大型机械设备的使用,同时减少搭设大量脚手架的安全风险,其安装更快捷,安全系数高、安装质量易得到保证,在短时间内可以将桁架全部安装完毕。柳州市柳东新区企业总部大楼利用该项技术成功提升了重达2 000多t的转换层钢桁架,工程提前30 d完成转换层桁架的施工任务,节省人工费用36万元、机械台班费49万元、施工管理费用8.5万元,开创了广西大跨度钢结构连廊整体提升先河,获得了各方单位的一致好评。
  参 考 文 献
  [1]GB 50017—2003,钢结构设计规范[S].
  [2]JGJ 59—2011,建筑施工安全检查标准[S].
  [3]GB 50755—2012,钢结构施工规范[S].
  [4]王珮云,肖绪文. 建筑施工手册[M]. 第5版. 北京:中国建筑工业出版社,2012.
  [5]广西建筑科学研究设计院. 贵港体育中心主体育场钢结構工程设计图纸[Z],2014.
  [6]中信建筑设计研究总院有限公司. 柳州市柳东新区企业总部大楼办公楼转换桁架施工图[Z],2015.
  [责任编辑:钟声贤]
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