屋顶钢结构安装专项施工方案

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  中图分类号:TU391文献标识码:A 文章编号:2095-2104(2013)
  
  1 工程概况
  
  图2.1-2 建筑整体轴测图
  
  1.1 结构概况
  本工程结构形式为型钢混凝土框架-核心筒结构,竖向结构由四个芯筒和12根劲型柱组成,水平结构由连接四个芯筒间的劲型混凝土梁、斜向钢支撑、钢梁和压型钢板混凝土组合楼板组成。本工程钢结构可分为屋顶桁架钢结构、核心筒钢结构、楼层钢结构、大堂桁架、地下室钢结构、消防钢梯六大部分。钢结构总实物量约15000吨,钢材的主要材质为Q345B,钢板厚度达到50、60、80mm,其中厚度大于等于35mm的钢板采用Q345GJB,厚度大于等于40mm的钢板具有Z向性能,部分构件的材质为Q235B。
  1.2 屋顶钢结构概况
  塔楼屋顶钢结构由8榀互为180°对称的平面钢桁架组成,桁架布置呈“回”字形,其中两个对角支承于1~2/C~D轴和3~4/A~B轴外圈劲性钢柱,内圈支撑于“L”形混凝土剪力墙上,另外两个角点悬挑,悬挑最大距离达36.6m。屋顶桁架布置形式如图1.3-1屋顶桁架布置图和图1.3-2屋顶钢结构透视图所示。外圈桁架高6.53m,桁架下弦标高+189.62~+190.20m,屋面标高+195.85m;内圈桁架高8.25m,桁架下弦标高 +187.60m,屋面标高+195.85m。
  屋顶共有8榀主桁架,横向4榀,分别为TR1~TR4;竖向4榀,分别为TR5~TR8;横向桁架长58.6m,竖向桁架长52.6m;桁架高度:TR1和TR4高5.65m,TR5和TR8高6.23m,TR2、TR3、TR6和TR7高8.25m;桁架上下弦杆件为□600×400×35×35、□600×400×20×35、□600×400×20×25,桁架腹杆为□400×400×35×35、□400×400×14×14,材质均为Q345B,屋顶钢结构总重量约1400t。
  
  图2.3-1 屋顶桁架布置图
  
  
  
  图2.3-1 屋顶钢结构透视图
  
  1.4 安装重难点分析及应对措施
  1)桁架尺寸大,运输难:屋顶共有8榀主桁架,横向桁架长58.6m,竖向桁架长52.6m;桁架高度:TR1和TR4高5.65m,TR5和TR8高6.23m,TR2、TR3、TR6和TR7高8.25m;。
  应对措施:将桁架上下弦、腹杆等加工为单根杆件远到施工现场,现场开辟拼装场地,进行桁架卧拼。
  2)桁架截面大、板材厚,单根构件重量大,吊装难度大:桁架上下弦杆件为□600×400×35×35、□600×400×20×35、□600×400×20×25,桁架腹杆为□400×400×35×35、□400×400×14×14。钢结构桁架尺寸大,桁架构件重,运输超宽,桁架分段后重量仍超出塔吊额定起重量,吊装困难。
  应对措施:桁架通过计算后分段,分段后桁架根据塔吊起重性能,局部斜腹杆予以后装,对桁架翻身及吊装模拟分析,确保桁架强度满足要求。
  3)悬挑长度大、高度高,胎架设置难:屋顶桁架上弦顶面标高为195.85m,下弦标高根据桁架高度不同,分为:TR1和TR4下弦下底面标高189.6m,TR5和TR8下弦下底面标高189.2m,TR2、TR3、TR6和TR7下弦下底面标高187m;悬挑最高下面为三十层楼面,楼层三十层标高164.45m,屋顶标高184.2m,桁架下弦最大悬空距离25.15m,最小悬空距离2.8m,高空临时支撑胎架设置难度大。
  应对措施:胎架设置采用结构分析软件对屋顶钢结构施工进行模拟分析,综合考虑风荷载等不利因素,计算各个支撑点作用荷载,设置组合支撑胎架,通过计算分析,保证支撑胎架的强度及稳定性。
  4)安装精度要求高:本工程质量目标为钢结构金奖、上海市白玉兰杯,屋顶桁架有2个角区域的桁架完全悬挑,桁架悬挑长度最大36.6m,桁架下挠度控制难,安装精度控制难度大。
  应对措施:经过与设计院协商,桁架制作时按设计要求进行预起拱;现场安装时,通过计算和卸载模拟分析,计算每次卸载后桁架各个支撑点下挠值,支撑胎架点标高根据桁架预拱值进行设置;选择合适的卸载顺序和方法,确保桁架结构主要构件内力、变形产生较小影响;采用高精度测量仪器对桁架卸载下撓进行监控,理论与实际对比,确保桁架安装精度。
  5)本工程地理位置特殊,高空作业,安全防护措施设置难:本项目位于陆家嘴金融地区,地处黄浦江边缘,200米高空作业,风大,对高空安装、定位、测量及焊接等都带来很大困难。
  应对措施:二十九层楼面搭设钢梁悬挑硬防护,屋顶钢结构安装从三十层楼面搭设满堂脚手,作为屋顶桁架施工时,人员登高、焊接等作业的平台,焊接点搭设防风棚,确保焊接作业条件,保证焊接质量。
  2施工部署
  2.1 钢结构安装整体思路
  1)屋顶钢结构安装采用钢管扣件式满堂脚手架,结合格构式钢支撑胎架完成,在桁架的2个角上悬挑区域分别设置格构式胎架,作为安装用临时支撑;桁架散件出厂、现场拼装成单段桁架、分段吊装就位、高空对接,满堂脚手架主要作为安装和焊接用操作平台。
  2)单根杆件通过汽车运到施工现场,在施工现场,进行桁架地面卧拼;桁架卧拼采用50t汽车吊、JCD260、STL420动臂塔吊进行配合吊装作业。
  3)拼装成榀的桁架采用主塔吊D1100-63吊装就位,先安装桁架未悬挑的2个角区域,对称逐步向悬挑区域扩展。
  4)桁架杆件采用焊接连接,在作业区域搭设满堂脚手架作为操作平台。
  5)在二十九层设置悬挑钢梁,满铺脚手板作为硬防护措施,防止人员高空坠落或坠物伤人。
  
  3 钢结构安装胎架设置
  3.1 胎架平面布置
  钢结构桁架施工时,共设置10个临时胎架支撑。支撑布置如图5.1-1所示:
  
  图5.1-1 临时支撑胎架平面布置图
  3.2胎架支撑结构设计
  采用H型钢和等边角钢做成的格构支撑,材质均考虑Q235;通过将临时支撑体系与整体结构共同进行有限元分析与从整体结构施工全过程有限元分析结果中取得相关荷载值进行复核相结合的方式对整个结构的临时支撑体系进行设计与验算。
  3.2.1组合支撑1
  1)结构形式
  格构支撑外形尺寸及杆件截面如下图:
  
  
  
  支撑三维尺寸
  
  
  
  3.3胎架安装
  格构支撑胎架,做成12m一节,单节重约8.6t,通过塔吊直接吊装就位。
  格构支撑间桁架,做成单榀,重约6.3t,运到现场,塔吊直接吊装就位。桁架最长约15m,吊装时采用4点吊,胎架安装利用钢管满堂脚手架搭设操作平台。
  3.4胎架拆除
  屋顶钢结构全部安装完成(卸载完成),并验收合格后,开始拆除钢结构胎架。考虑到屋顶钢结构安装完成后胎架无法整体进行吊装拆除,利用安装时满堂脚手架,进行分段拆除,用塔吊吊运至地面。
  4 屋顶桁架分段
  4.1桁架分段
  考虑到屋顶桁架尺寸巨大,单榀桁架超重,超宽运输困难,结合现场主塔吊起重能力及现场安装考虑,对8榀桁架进行如下分段:
  
  TR1、TR4分段
  (红色腹杆后装)
  
  
  TR2、TR3分段
  (红色腹杆后装)
  
  TR5、TR8分段
  (红色腹杆后装)
  
  TR6、TR7分段
  (红色腹杆后装)
  桁架主要分段情况如表6.1-1所示:
  表6.1-1 单榀桁架主要分段尺寸及重量分析表
  
  
  4.2 8 屋顶钢结构安装
  5.1 安装工艺流程
  满堂脚手架搭设→钢结构胎架设置→钢结构桁架分单元吊装→斜腹杆吊装→校正→现场焊接→桁架卸载→钢结构胎架拆除→满堂脚手架拆除
  5.2 安装顺序
  先将有支撑点的对角桁架立柱吊装就位,利用拦风绳进行固定和校正,柱脚焊接。立柱间上下弦杆、腹杆连接成片;再安装上下水平支撑,连接片桁架成框架。扩展的单榀桁架吊装就位后,自由端采用型钢支撑进行固定,型钢支撑底部固定在胎架上;两榀桁架吊装就位后,及时安装桁架间上下水平支撑,连接成框架整体后的桁架再进行后装斜腹杆,当天安装的桁架,要形成空间稳定结构。
  
  8.3 安装过程模拟分析
  8.3.1 施工步骤划分
  根据安装进度计划及钢架安装顺序,将安装过程划分为4个步骤来进行模拟分析。施工步骤具体如下表所示:
  
  
  8.3.2 计算内容及原因分析
  计算各施工阶段结构变形及应力的变化和发展过程。
  由于施工顺序和加载条件不同,实际施工的结构的受力情况与建立整个模型后进行结构分析的分析结果是不同的。因此必须进行施工阶段的变形和应力分析,确保施工阶段的安全。
  8.3.3 算法及荷载概述
  根据施工顺序,我们采用MIDAS/GEN进行施工阶段模拟分析,计算模型为一整体模型,按照施工步骤将结构构件、支座约束、荷载工况分别划分为4个组,按照施工步骤、工期进度进行施工阶段定义,程序按照控制数据进行分析。在分析某一施工步骤时,程序将会冻结该施工步骤后期的所有构件及后期需要加载的荷载工况,仅允许该步骤之前完成的构件参与运算,例如第一步骤的计算模型,程序冻结了该步骤之后的所有构件,仅显示第一步骤完成的构件,参与运算的也只有这一阶段的构件,计算完成显示计算结果时,同样按照每一步骤完成情况进行显示。计算过程采用考虑时间依从效果(累加模型)的方式进行分析,得到每一阶段完成状态下的结构内力和变形,在下一阶段程序会根据新的变形对模型进行调整,从而可以真实地模拟施工的动态过程。
  计算模型完全按照结构施工图建立,所有构件的截面、材质与施工图完全一致,计算荷载主要考虑结构自重,并考虑温度荷载和风荷载的影响。计算变形时采用的是各荷载工况的标准值组合,计算应力时采用的是各荷载工况的设计值组合。
  具体的荷载组合如下表所示:
  
  
  另外将整个安装步骤分成4大部分,分别计算温度以及风荷载作用对施工过程中结构的影响,具体的荷载组合如下表所示:
  
  
  温度荷载根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》(中国气象局气象信息中心气象资料室及清华大学建筑技术科学系联合编著出版)提供的上海地区气象资料结合施工进度施加。
  8.3.6 模拟分析结论
  由以上施工过程分析可见,以上这种施工方法,结构的变形趋势接近设计状态;结构的应力水平整体上说也是接近设计状态的,因此可以保证施工过程中的安全性。
  10 桁架卸载
  10.1胎架布置
  钢结构桁架施工时,设置10个临时胎架支撑。支撑布置如下:
  
  临时支撑布置图
  10.2 卸载顺序
  通过对卸载点的支撑反力、位移变化和结构构件内力变化进行计算分析,选取对结构主要构件内力、变形产生较小影响和支撑胎架承载能力要求相对较低的卸载方案。所选取的卸载方案的每次卸载量需要依据计算结构卸载前后的变形量进行确定,以保证卸载过程中结构稳定安全,其位形变化和应力应变满足设计要求。按如下顺序进行卸载:
  Step1卸载:(A轴、1轴)、(D轴、4轴),2个点;
  Step2卸载:(A轴、2轴)、(1/A轴、2轴)、(B轴、1轴)、(B轴、1/1轴)、(D轴、3轴)、(1/C轴、3轴)、(C轴、4轴)、(C轴、1/3轴),8个点。
  10.3 卸载后桁架变形验算
  10.3.1 变形验算结果
  以上这种施工方法,结构的变形趋势接近设计状态;结构的应力水平整体上说也是接近设计状态的,因此可以保证施工过程中的安全性。在整个胎架卸载过程中,变形和内力的变化都比较平缓,而且在控制范围内。
  10.4胎架卸载方法
  由于各個卸载点变形量不同,根据各卸载点的变形量,对卸载量进行分解,采用逐级分步卸载的方式进行卸载。屋盖临时支撑胎架采用液压千斤顶进行逐级分步卸载。通过控制每个液压千斤顶行程,逐步缓慢的下降千斤顶,使屋盖结构最终脱离支撑系统,达到自身承重的目的。
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