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摘 要以南京朗玛国际广场钢结构连廊吊装方案为例,详细介绍钢桁架高空吊攀缆索法的各项施工受力分析。提出在复杂环境下当其它施工及吊装设施和方法不能满足现场安装要求时一种大跨度箱形钢桁架现场施工的方法。采用该种吊装方法节省各项施工措施费和加快现场的施工速度,为整个工程的顺利竣工提供充分保障,取得良好的经济价值和社会效益。
关键词大跨度箱形钢桁架;吊攀缆索法;吊装受力分析;同步提升控制
中图分类号TU文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)101-0059-03
南京朗玛国际广场,地处南京建邺区江东中路东侧,与江东中路西侧造型舒展流畅的奥林匹克体育中心相望。本工程地下三层、地上二十七层,塔楼主体部分采用框架-剪力墙结构,钢结构工程主要包括劲型钢骨柱、钢骨梁以及空中连廊钢桁架。钢连廊位于两建筑之间,上下两端通过预埋钢牛腿焊接而成,焊缝均为一级焊缝。钢连廊桁架上弦标高68.30m,位于塔楼连体18层与19层之间,桁架上面四层为钢框架结构;钢连廊采用双向钢桁架结构,桁架采用箱型构件焊接组合而成。桁架底部标高为64.230m,下至标高为19.450m的五层裙楼楼顶之间无建筑结构。五层以下连体工程均采用混凝土裙楼,且施工现场因有地下层,地下层承受不了吊车及桁架拼装所带来的荷载,因此空中钢连廊的安装是该工程的难点与重点。
1工程特点
该工程空中钢连廊采用箱形构件组合焊接而成,整体由两榀立面桁架和桁架上下弦之间的水平及斜撑组成,整体断面成箱型,箱形桁架整体尺寸为28m*18m,上弦杆是□500*600*36*36的箱形截面,下弦杆是□500*600*30*30的箱形截面,即桁架全高4070mm,中心矢高3570mm。具体重点、难点如下:
1)施工现场因有地下层,且地下层承受不了桁架拼装时的集中荷载,导致拼装场地的选择及难度加大、吊装机具及构件不能直接到达待拼装场地。
2)由于本工程主体采用框架-剪力墙结构,五层以下连体工程均采用混凝土裙楼,桁架底部标高为64.230m,下至标高为19.450m的五层裙楼楼顶之间无建筑结构,导致拼装后的构件不能直接运送至吊装点以下,需二次平移,给桁架吊装造成很大的困难。
3)钢连廊长度27.6m,需现场拼装,单榀重量达60t,自重较大;上下两端通过预埋钢牛腿焊接而成,焊缝均为一级焊缝,不但存在高空就位精确度问题,且组装、焊接工作量巨大,而且存在重大的质量、安全风险。
4)桁架吊裝就位点在80米高空,吊装过程中给起吊同步带来很大困难;另桁架自重较重,受风力及环境的影响,桁架自身的平面内、外稳定非常重要。
5)桁架与牛腿采用焊接方法连接,给桁架自身的几何尺寸控制且吊装就位点的选择尤为重要;所有对接焊缝均为一级焊缝,给焊接提出了很高的要求。
6)吊装方法选择吊攀缆索法施工,因此吊点及钢丝绳受力分析是关键。
2吊装方案选择
根据本工程结构特点,作业环境,工期要求,吊装机械配置情况,以及综合考虑了各种技术经济条件。因钢连廊吊装就位点位于80米高空,而且构件自重较大,采用高空散装法在质量上难以保证,且如此高度搭设脚手架显然不切合实际。采用超大型液压同步提升技术将钢结构连廊提升到位,这种安装方法无论从提升的标高,还是提升的重量上,在国内已有很多的成功案例。但该工程,由于钢结构连廊位于两栋主体结构之间,且节点采用对焊形式,主体结构五层以下为裙楼,因此若按常规方法提升,桁架到不了指定起吊点,且精度难以控制。因此根据现场实际条件,在原液压同步提升技术的基础上需设计出一种新的安装方案。综合分析后,采用钢连廊主桁架工厂分段制作、施工现场进行拼装、用吊攀缆索法同步提升技术将主桁架安装就位,同时在液压提升至五层裙楼时,进行一次径向平移将钢桁架平移至就位点垂直下方,再同步提升的施工技术路线。
3技术重点
3.1外场拼装场地验算及加固措施
因施工现场有地下层,且地下层承受不了桁架拼装时的集中荷载,导致拼装场地的选择及难度加大、吊装机具及构件不能直接到达待拼装场地。根据现场实际施工条件,结合吊车、构件的特点。30t吊车全身自重为30t,起吊构件最重为5t,通过计算汽车吊载荷状态下支腿受力约为18t。对此我们采取了以下措施,来保证地下室楼面安全性要求:
1)吊车站位有三个支腿分别在地下室混凝土柱和混凝土梁上(如图1所示),吊车支腿主要作用在混凝土梁和墙外道路上,更好地进行受力传递;汽车吊卸车和拼装站位时对其测量定位放线,保证吊车站位位置。
2)汽车吊卸车、拼装站位处采用2.4m*10m的路基板铺设,并且在路基板下方铺设200mm厚的黄沙,使其荷载均匀传递给下面结构。
3)在汽车吊支腿站位下方的混凝土梁和楼板上,通过受力计算架设钢管脚手架支撑(如图2)。通过以上措施使地下室承载力满足安全要求。
图2地下室加固示意图
3.2大跨度箱形钢桁架的装配焊接变形控制技术
根据桁架拼装的特点,在拼装完成后,焊接前制订了严密的焊接工艺方案和措施,有力的保证了装配焊接变形的控制。该工程钢材材质全部为Q345钢。焊缝形式主要为:平焊、立焊、全位置对接焊等。安装焊接工程量较大,焊接质量等级较高,焊接难度比较高,针对此特点,采用CO2气体保护半自动焊成套技术结合手工电弧焊进行现场焊接施工,采用超声波跟踪检测。
3.3大跨度箱形钢桁架提升全过程模拟控制
由于本工程钢箱梁均由单箱梁联合构成,为了保证构件的制作精度和焊接质量,采取厂内整体胎膜制作的施工方案。主桁架在厂内采用节段匹配制造及卧装预拼,将运输节段装焊成吊装节段,预拼完后,进行节段的构件标号,在工地进行吊装及焊接立体预拼装工作。在吊装和安放过程中监测箱形钢桁架的最大应力和整体变形。
为了保证施工安全,项目组采用有限元软件ABAQUS对大跨度箱形薄壁钢桁架梁进行全过程施工的精确模拟,主要考察钢桁架在吊装和安放两个过程各构件的最大应力和结构变形。通过有限元计算和参数分析,可以获得箱形钢桁架构件的应力分布和跨中竖向变形(如图3)。
图327.6m桁架四点起扳示意图
3.4箱形钢桁架二次平移就位技术
因钢桁架不能直接到达就位点的正下方,因此需要采用二次平移的办法,将钢桁架平移到指定位置。根据施工现场条件,钢桁架平移采用独脚巴杆法吊装,由于其工作机构相对较为繁杂,受力分析的环节较多,对其工作的安全度要进行系统的验算。巴杆支座截面尺寸采用由20mm、30mm厚度Q345B钢板等强度焊装;支座根部周边与劲性钢管柱也为等强度焊接。巴杆支座预埋在劲性钢管的混凝土柱内,从钢管柱表面算起有0.25m厚度的外包钢筋混凝土,可以承受一部分吊重荷载。
假定巴杆支座为一根悬臂梁,悬臂长度0.45m,巴杆受力48.3t,最小工作半径时巴杆仰角71度。则巴杆根部施加在支座上的垂直力:p=48.3*sin71.=45.67t,取安全系数k=1.4通过计算(计算略),有效的保证及满足现场采用巴杆吊装的需求。
3.5钢桁架吊装各项受力分析
吊装过程是一个复杂的系统性工程,因此涉及面比较广,需要进行复核验算的环节比较多。首先吊点位置的确定,选择吊点的原则,尽量使各吊点受力均匀、平衡,结构稳定。
通过吊装工况分析,27.6m跨钢桁架,即高位连体A轴的B1和C轴的B1a,经详细计算,其确切重量:B1为53513kg;B1a为54492kg。
1)A轴B1桁架吊装。①总体安排。B1桁架整桁双机抬吊安装,吊装设施为在1#、2#楼的近侧各用缆索悬挂滑轮组,对准桁架二端吊点(如图4所示)。
②受力分析。(1)滑轮组荷重。B1桁架整榀自重53.5t,考虑吊具、安全登高设施附加重量10t,起吊重量共63.5t,取抬吊不均匀系数k1=1.15,动载系数k2=1.2,则一组滑轮的分配荷载重为:
P===43.82t
(2)缆索受力。如图5按正弦定理得:
图5
2)其它需验算条目。①钢连廊吊点的节点验算;②吊点的吊具验算(销轴、耳板等);③桁架施工中平面外稳定性的验算;④吊攀缆索吊点的验算;⑤吊装对主楼钢框架的验算;⑥吊装过程对整个主楼建筑物的影响分析等。
3.6吊攀缆索法同步提升控制及质量保证措施
1)因在提升過程中,同步控制非常重要,所以在确定同步控制点时,同时确定四个点,确定1号提升点为主控点,其余3个点均以此点为基准调整,保证其同步性。
2)因同时采用四台液压提升设备,在每台提升设备上同时放置油缸行程标尺,监测油缸每次伸缸速度及位置,从而保证在每个油缸行程内保证各提升点的同步。
3)设置总指挥一名,做为主控人员,所有提升油泵控制人员同时接收主控人员指令,同时开始伸缸操作,每隔30mm向主控人员报告油缸位置,主控人员根据各点提升位置,给出等待、加速、减速等操作指令,油泵控制人员根据指令及时调整。
4)油泵控制人员每隔一定的时间向主控人员报告油缸状态,并停止操作等待主控人员下一命令。
5)每隔2-3m用水准仪及全站仪对整个被提升桁架上的指定点进行测量,并将测量结果反馈给主控人员,主控人员根据反馈结果对整个结构进行找平,找平的基准点仍然为1号提升点。
6)提前对现场提升设备故障、天气变化、停电、人员伤亡等突发性事件制定详细的施工应急预案及防护措施。
4结束语
大跨度箱形钢桁架的高空吊攀缆索法同步提升技术理论分析和应用、克服了施工现场交叉作业,复杂条件等各种不利因素;体现了在各项复杂环境下当其它施工及吊装设施不能满足现场安装要求时一种大跨度箱形钢桁架现场施工的方法。节省了各项施工措施费和加快了现场的施工速度,缩短了施工工期,降低了施工成本,为整个工程的顺利竣工提供了充分保障,取得了良好的经济价值和社会效益。
参考文献
[1]中国大型建筑钢结构工程设计与施工.中国钢结构协会编.
[2]新编液压工程手册北京:北京理工大学出版社,1998.
[3]王肇民.钢结构设计原理(第一版).上海:同济大学出版社,1999.
[4]2009年全国建筑钢结构行业大会论文集,中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会.
关键词大跨度箱形钢桁架;吊攀缆索法;吊装受力分析;同步提升控制
中图分类号TU文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)101-0059-03
南京朗玛国际广场,地处南京建邺区江东中路东侧,与江东中路西侧造型舒展流畅的奥林匹克体育中心相望。本工程地下三层、地上二十七层,塔楼主体部分采用框架-剪力墙结构,钢结构工程主要包括劲型钢骨柱、钢骨梁以及空中连廊钢桁架。钢连廊位于两建筑之间,上下两端通过预埋钢牛腿焊接而成,焊缝均为一级焊缝。钢连廊桁架上弦标高68.30m,位于塔楼连体18层与19层之间,桁架上面四层为钢框架结构;钢连廊采用双向钢桁架结构,桁架采用箱型构件焊接组合而成。桁架底部标高为64.230m,下至标高为19.450m的五层裙楼楼顶之间无建筑结构。五层以下连体工程均采用混凝土裙楼,且施工现场因有地下层,地下层承受不了吊车及桁架拼装所带来的荷载,因此空中钢连廊的安装是该工程的难点与重点。
1工程特点
该工程空中钢连廊采用箱形构件组合焊接而成,整体由两榀立面桁架和桁架上下弦之间的水平及斜撑组成,整体断面成箱型,箱形桁架整体尺寸为28m*18m,上弦杆是□500*600*36*36的箱形截面,下弦杆是□500*600*30*30的箱形截面,即桁架全高4070mm,中心矢高3570mm。具体重点、难点如下:
1)施工现场因有地下层,且地下层承受不了桁架拼装时的集中荷载,导致拼装场地的选择及难度加大、吊装机具及构件不能直接到达待拼装场地。
2)由于本工程主体采用框架-剪力墙结构,五层以下连体工程均采用混凝土裙楼,桁架底部标高为64.230m,下至标高为19.450m的五层裙楼楼顶之间无建筑结构,导致拼装后的构件不能直接运送至吊装点以下,需二次平移,给桁架吊装造成很大的困难。
3)钢连廊长度27.6m,需现场拼装,单榀重量达60t,自重较大;上下两端通过预埋钢牛腿焊接而成,焊缝均为一级焊缝,不但存在高空就位精确度问题,且组装、焊接工作量巨大,而且存在重大的质量、安全风险。
4)桁架吊裝就位点在80米高空,吊装过程中给起吊同步带来很大困难;另桁架自重较重,受风力及环境的影响,桁架自身的平面内、外稳定非常重要。
5)桁架与牛腿采用焊接方法连接,给桁架自身的几何尺寸控制且吊装就位点的选择尤为重要;所有对接焊缝均为一级焊缝,给焊接提出了很高的要求。
6)吊装方法选择吊攀缆索法施工,因此吊点及钢丝绳受力分析是关键。
2吊装方案选择
根据本工程结构特点,作业环境,工期要求,吊装机械配置情况,以及综合考虑了各种技术经济条件。因钢连廊吊装就位点位于80米高空,而且构件自重较大,采用高空散装法在质量上难以保证,且如此高度搭设脚手架显然不切合实际。采用超大型液压同步提升技术将钢结构连廊提升到位,这种安装方法无论从提升的标高,还是提升的重量上,在国内已有很多的成功案例。但该工程,由于钢结构连廊位于两栋主体结构之间,且节点采用对焊形式,主体结构五层以下为裙楼,因此若按常规方法提升,桁架到不了指定起吊点,且精度难以控制。因此根据现场实际条件,在原液压同步提升技术的基础上需设计出一种新的安装方案。综合分析后,采用钢连廊主桁架工厂分段制作、施工现场进行拼装、用吊攀缆索法同步提升技术将主桁架安装就位,同时在液压提升至五层裙楼时,进行一次径向平移将钢桁架平移至就位点垂直下方,再同步提升的施工技术路线。
3技术重点
3.1外场拼装场地验算及加固措施
因施工现场有地下层,且地下层承受不了桁架拼装时的集中荷载,导致拼装场地的选择及难度加大、吊装机具及构件不能直接到达待拼装场地。根据现场实际施工条件,结合吊车、构件的特点。30t吊车全身自重为30t,起吊构件最重为5t,通过计算汽车吊载荷状态下支腿受力约为18t。对此我们采取了以下措施,来保证地下室楼面安全性要求:
1)吊车站位有三个支腿分别在地下室混凝土柱和混凝土梁上(如图1所示),吊车支腿主要作用在混凝土梁和墙外道路上,更好地进行受力传递;汽车吊卸车和拼装站位时对其测量定位放线,保证吊车站位位置。
2)汽车吊卸车、拼装站位处采用2.4m*10m的路基板铺设,并且在路基板下方铺设200mm厚的黄沙,使其荷载均匀传递给下面结构。
3)在汽车吊支腿站位下方的混凝土梁和楼板上,通过受力计算架设钢管脚手架支撑(如图2)。通过以上措施使地下室承载力满足安全要求。
图2地下室加固示意图
3.2大跨度箱形钢桁架的装配焊接变形控制技术
根据桁架拼装的特点,在拼装完成后,焊接前制订了严密的焊接工艺方案和措施,有力的保证了装配焊接变形的控制。该工程钢材材质全部为Q345钢。焊缝形式主要为:平焊、立焊、全位置对接焊等。安装焊接工程量较大,焊接质量等级较高,焊接难度比较高,针对此特点,采用CO2气体保护半自动焊成套技术结合手工电弧焊进行现场焊接施工,采用超声波跟踪检测。
3.3大跨度箱形钢桁架提升全过程模拟控制
由于本工程钢箱梁均由单箱梁联合构成,为了保证构件的制作精度和焊接质量,采取厂内整体胎膜制作的施工方案。主桁架在厂内采用节段匹配制造及卧装预拼,将运输节段装焊成吊装节段,预拼完后,进行节段的构件标号,在工地进行吊装及焊接立体预拼装工作。在吊装和安放过程中监测箱形钢桁架的最大应力和整体变形。
为了保证施工安全,项目组采用有限元软件ABAQUS对大跨度箱形薄壁钢桁架梁进行全过程施工的精确模拟,主要考察钢桁架在吊装和安放两个过程各构件的最大应力和结构变形。通过有限元计算和参数分析,可以获得箱形钢桁架构件的应力分布和跨中竖向变形(如图3)。
图327.6m桁架四点起扳示意图
3.4箱形钢桁架二次平移就位技术
因钢桁架不能直接到达就位点的正下方,因此需要采用二次平移的办法,将钢桁架平移到指定位置。根据施工现场条件,钢桁架平移采用独脚巴杆法吊装,由于其工作机构相对较为繁杂,受力分析的环节较多,对其工作的安全度要进行系统的验算。巴杆支座截面尺寸采用由20mm、30mm厚度Q345B钢板等强度焊装;支座根部周边与劲性钢管柱也为等强度焊接。巴杆支座预埋在劲性钢管的混凝土柱内,从钢管柱表面算起有0.25m厚度的外包钢筋混凝土,可以承受一部分吊重荷载。
假定巴杆支座为一根悬臂梁,悬臂长度0.45m,巴杆受力48.3t,最小工作半径时巴杆仰角71度。则巴杆根部施加在支座上的垂直力:p=48.3*sin71.=45.67t,取安全系数k=1.4通过计算(计算略),有效的保证及满足现场采用巴杆吊装的需求。
3.5钢桁架吊装各项受力分析
吊装过程是一个复杂的系统性工程,因此涉及面比较广,需要进行复核验算的环节比较多。首先吊点位置的确定,选择吊点的原则,尽量使各吊点受力均匀、平衡,结构稳定。
通过吊装工况分析,27.6m跨钢桁架,即高位连体A轴的B1和C轴的B1a,经详细计算,其确切重量:B1为53513kg;B1a为54492kg。
1)A轴B1桁架吊装。①总体安排。B1桁架整桁双机抬吊安装,吊装设施为在1#、2#楼的近侧各用缆索悬挂滑轮组,对准桁架二端吊点(如图4所示)。
②受力分析。(1)滑轮组荷重。B1桁架整榀自重53.5t,考虑吊具、安全登高设施附加重量10t,起吊重量共63.5t,取抬吊不均匀系数k1=1.15,动载系数k2=1.2,则一组滑轮的分配荷载重为:
P===43.82t
(2)缆索受力。如图5按正弦定理得:
图5
2)其它需验算条目。①钢连廊吊点的节点验算;②吊点的吊具验算(销轴、耳板等);③桁架施工中平面外稳定性的验算;④吊攀缆索吊点的验算;⑤吊装对主楼钢框架的验算;⑥吊装过程对整个主楼建筑物的影响分析等。
3.6吊攀缆索法同步提升控制及质量保证措施
1)因在提升過程中,同步控制非常重要,所以在确定同步控制点时,同时确定四个点,确定1号提升点为主控点,其余3个点均以此点为基准调整,保证其同步性。
2)因同时采用四台液压提升设备,在每台提升设备上同时放置油缸行程标尺,监测油缸每次伸缸速度及位置,从而保证在每个油缸行程内保证各提升点的同步。
3)设置总指挥一名,做为主控人员,所有提升油泵控制人员同时接收主控人员指令,同时开始伸缸操作,每隔30mm向主控人员报告油缸位置,主控人员根据各点提升位置,给出等待、加速、减速等操作指令,油泵控制人员根据指令及时调整。
4)油泵控制人员每隔一定的时间向主控人员报告油缸状态,并停止操作等待主控人员下一命令。
5)每隔2-3m用水准仪及全站仪对整个被提升桁架上的指定点进行测量,并将测量结果反馈给主控人员,主控人员根据反馈结果对整个结构进行找平,找平的基准点仍然为1号提升点。
6)提前对现场提升设备故障、天气变化、停电、人员伤亡等突发性事件制定详细的施工应急预案及防护措施。
4结束语
大跨度箱形钢桁架的高空吊攀缆索法同步提升技术理论分析和应用、克服了施工现场交叉作业,复杂条件等各种不利因素;体现了在各项复杂环境下当其它施工及吊装设施不能满足现场安装要求时一种大跨度箱形钢桁架现场施工的方法。节省了各项施工措施费和加快了现场的施工速度,缩短了施工工期,降低了施工成本,为整个工程的顺利竣工提供了充分保障,取得了良好的经济价值和社会效益。
参考文献
[1]中国大型建筑钢结构工程设计与施工.中国钢结构协会编.
[2]新编液压工程手册北京:北京理工大学出版社,1998.
[3]王肇民.钢结构设计原理(第一版).上海:同济大学出版社,1999.
[4]2009年全国建筑钢结构行业大会论文集,中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会.