鋼柱筒架交替支撐式液壓爬升整體鋼平臺模架技術(shù)*

龔 劍 佘遜克 黃玉林

1.上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2.同濟(jì)大學(xué) 上海 200092； 3. 上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

0 引言

從上個(gè)世紀(jì)90年代開始，我國的超高層建筑數(shù)量開始不斷增加，對超高層結(jié)構(gòu)的施工要求也越來越高。超高層建筑常采用筒體結(jié)構(gòu)形式，包括框架—核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)等，其中混凝土核心筒的施工是超高層建筑建造中的關(guān)鍵技術(shù)難題[1,2]。由我公司自主研發(fā)的整體爬升鋼平臺模板裝備，在此類高大豎向混凝土結(jié)構(gòu)施工中具有安全性高、施工工期短、經(jīng)濟(jì)效益顯著的優(yōu)勢。在經(jīng)歷了東方明珠電視塔、金茂大廈、環(huán)球金融中心、廣州新電視塔等大型工程的使用后，整體爬升鋼平臺模板裝備施工技術(shù)已日趨成熟。

在金茂大廈等工程的施工中，使用了一種鋼柱支撐式整體爬升鋼平臺模板裝備，這種裝備利用埋入混凝土核心筒的鋼柱作為支撐系統(tǒng)，具有施工周期短、安全可靠、施工質(zhì)量容易控制等優(yōu)點(diǎn)[3]。但實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，隨著高度的增加，施工時(shí)埋設(shè)在核心筒混凝土內(nèi)的鋼柱用材較多，浪費(fèi)嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢不明顯。針對這種情況，我公司最新研發(fā)出一套鋼柱筒架交替支撐式液壓爬升整體鋼平臺模板裝備，利用可以重復(fù)使用的工具式鋼柱作為爬升階段的支撐系統(tǒng)，可以解決用材浪費(fèi)的問題。這套模板裝備目前正應(yīng)用于上海北外灘白玉蘭廣場項(xiàng)目辦公樓的建造中，收到了良好的效果。本文將詳細(xì)介紹這套模板裝備的組成、設(shè)計(jì)以及成套施工技術(shù)。

1 工程概況

上海北外灘白玉蘭廣場項(xiàng)目地處虹口區(qū)北外灘沿黃浦江地區(qū)，工程總用地面積約30 000 m2，總建筑面積約41 萬m2，包括1 座高320 m的辦公塔樓（圖1），1 座高171.7 m的酒店塔樓和1 座高57.2 m的展館（白玉蘭館）。辦公樓地下4 層、地上66 層，為框架—核心筒結(jié)構(gòu)，主要由鋼筋混凝土核心筒、外圍鋼框架、伸臂桁架和樓層系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1 上海北外灘白玉蘭廣場效果圖

核心筒位于整個(gè)結(jié)構(gòu)的中心位置，高311 m。核心筒5～10層平面布置如圖2所示。隨著高度的增加，腹墻厚度400 mm不變，翼墻地上部分最大厚度為1 300 mm，分別在10層、17層、28層、39層4 個(gè)位置向內(nèi)收分，經(jīng)歷1 150 mm→1 000 mm→800 mm，到達(dá)頂部的最小厚度為600 mm。為了滿足結(jié)構(gòu)抗側(cè)向力的需求，使核心筒結(jié)構(gòu)與外圍鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)有力的連接，核心筒在34～36層、65～66層設(shè)置了2 道伸臂桁架層。

2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

（a）核心筒結(jié)構(gòu)超高。這對腳手模板體系的選型、垂直運(yùn)輸能力、操作平臺的封閉性都提出了很高的要求。

（b）核心筒外墻隨著高度的增加需進(jìn)行4 次收分，故需要對外掛腳手架進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)墻體收分的需要。

（c）核心筒與外圍鋼結(jié)構(gòu)間設(shè)置了2 道伸臂桁架層，這給腳手模板體系的提升帶來了很大的困難。

（d）核心筒結(jié)構(gòu)只有4 個(gè)角部設(shè)置了勁性柱，所以腳手模板體系無法利用既有的結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行整體爬升。

3 整體爬升鋼平臺模板裝備的設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程的特點(diǎn)與難點(diǎn)，我公司最新研發(fā)了1 套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鋼柱筒架交替支撐式整體爬升鋼平臺模板裝備。該模板裝備由五大系統(tǒng)組成，分別是鋼平臺系統(tǒng)、外掛腳手架系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和動力系統(tǒng)，模板裝備的外觀。

3.1 鋼平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼平臺系統(tǒng)在正常施工時(shí)處于整個(gè)體系的頂部，作為施工人員的操作平臺及鋼筋堆放場所，系統(tǒng)由平臺鋼梁、平臺蓋板、平臺圍擋等構(gòu)成。平臺鋼梁由Q345型鋼H400 mm×200 mm×8 mm×13 mm組成，根據(jù)鋼柱立柱位置、內(nèi)外腳手架位置、鋼平臺的整體受力情況等因素布置其位置。平臺蓋板作為操作平臺，由厚6 mm花紋鋼板及40 mm×60 mm方管焊接而成，部分位置可采用可翻起式鋼板，在施工需要時(shí)可將該位置平臺蓋板翻起，方便材料與施工器械的運(yùn)輸。平臺圍擋是在鋼平臺的外周邊一圈設(shè)置的高2 m的擋板網(wǎng)，以防人、物等高空墜落。整個(gè)鋼平臺外邊緣距離核心筒剪力墻內(nèi)壁1 400 mm，鋼平臺面積約為720 m2。鋼平臺平面布置如圖3所示。

圖2 核心筒5～10層平面

圖3 鋼平臺平面布置

3.2 外掛腳手架系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4-7]

外掛腳手架系統(tǒng)（以下簡稱外掛腳手）以螺栓固定于鋼平臺鋼梁的底部，隨鋼平臺同步爬升。外掛腳手由槽鋼、鋼管組成框架，共6 層（圖4）。上3 層為鋼筋、模板施工區(qū)，其高度為2.00 m/層，寬度為0.90 m；下3 層為拆模整修區(qū)，其高度為2.00 m/層，寬度為0.70 m。腳手架邊緣距離墻體內(nèi)壁400 mm。上5 層的走道板由角鋼框架加鋼板網(wǎng)組成，底層的走道板由角鋼框架加花紋鋼板組成。外掛腳手的外側(cè)用角鋼框加鍍鋅彩鋼板組成的側(cè)擋板封閉。在外掛腳手的底部靠近混凝土墻體處設(shè)防墜閘板，爬升時(shí)閘板松開，施工時(shí)閘板頂緊墻面，防止構(gòu)件墜落。

隨著高度的增加，核心筒需要進(jìn)行4 次收分，因此外掛腳手架需要實(shí)現(xiàn)整體移動，以保證腳手架與墻體的距離，方便施工。因此，需要對外掛腳手架與平臺鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)外掛腳手架的整體滑動，需要在腳手架頂部與平臺鋼梁連接處設(shè)置滑輪和限位裝置（圖5）。施工時(shí)松開限位裝置，通過手拉葫蘆拉動外掛腳手向核心筒墻面靠近，到位后鎖定限位裝置，完成外掛腳手的整體滑移。

圖4 外掛腳手架

圖5 外掛腳手架滑移裝置

3.3 模板系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼平臺模板系統(tǒng)采用鋼框木模。鋼框木模主要由面板、豎肋、圍檁、對拉螺栓4部分組成。面板采用21 mm×1 220 mm×2 440 mm維薩芬蘭板；豎肋采用6#槽鋼，間距≤250 mm；圍檁采用雙拼10#槽鋼，平均間距為700 mm；對拉螺栓采用Φ16mm高強(qiáng)螺桿，間距≤1 050 mm。每塊模板上設(shè)置2 個(gè)16 mm鋼板吊耳，每個(gè)吊耳用3 t手動葫蘆掛在鋼平臺鋼梁吊點(diǎn)耳板上，當(dāng)鋼筋綁扎完成后，所有模板一起提升到位。

3.4 支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼柱筒架交替支撐式整體爬升鋼平臺模板裝備的支撐系統(tǒng)分為2個(gè)部分：筒架支撐系統(tǒng)和工具式鋼格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)。正常使用狀態(tài)下，筒架支撐系統(tǒng)作為支撐系統(tǒng)，其底部牛腿作為擱置鋼平臺的承重構(gòu)件，鋼平臺及腳手架系統(tǒng)的荷載主要由內(nèi)筒架的立柱傳遞到底部鋼梁，再由安裝在底部鋼梁上的支撐牛腿傳遞到混凝土核心筒墻體上。鋼平臺提升過程中，工具式鋼格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)作為鋼平臺的支撐系統(tǒng)。當(dāng)油缸頂升鋼平臺，帶動平臺及外掛腳手架系統(tǒng)整體提升時(shí)，整個(gè)鋼平臺體系的荷載經(jīng)由鋼格構(gòu)柱直接傳遞到混凝土核心筒墻體上。

3.4.1 筒架支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

筒架支撐系統(tǒng)（圖6）由安裝在六宮格核心筒內(nèi)的6 個(gè)獨(dú)立的筒架部分組成，每個(gè)筒內(nèi)安裝4 個(gè)支撐牛腿，在其中2 個(gè)筒架內(nèi)設(shè)置1 部下掛6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層的樓梯，該樓梯與垂直人貨兩用電梯配合使用，完成施工人員和機(jī)具的垂直運(yùn)輸工作。全部筒架均安裝在頂部鋼平臺鋼梁下部。

筒架支撐系統(tǒng)又分為內(nèi)筒架和牛腿支撐系統(tǒng)2部分。內(nèi)筒架從頂部鋼平臺梁底到最底層鋼梁共分為6 層，其中1～3層為鋼筋及模板施工段；6層為牛腿支撐系統(tǒng)所在層。2～6層的層高均為2 000 mm，1層的層高為2 050 mm。牛腿支撐系統(tǒng)是整個(gè)鋼平臺體系正常工作時(shí)的主要受力構(gòu)件，是鋼平臺設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位。鋼牛腿使用液壓系統(tǒng)完成牛腿外伸與收縮動作，油缸行程430 mm，實(shí)現(xiàn)了牛腿動作的全自動化，安全可靠。

圖6 筒架支撐系統(tǒng)

3.4.2 工具式鋼格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工具式鋼格構(gòu)柱既是鋼平臺提升時(shí)整個(gè)鋼平臺的支撐構(gòu)件，又是動力系統(tǒng)工作時(shí)的爬升導(dǎo)軌。工具式鋼格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)包括22 根鋼格構(gòu)柱及其配套的鋼平臺連接件和上、下爬升靴。鋼格構(gòu)柱由2 塊厚16 mm、2 塊厚20 mm的Q345材質(zhì)鋼板焊接而成。其中厚20 mm的鋼板上沿其長度方向每隔200 mm開1 個(gè)90 mm×90 mm的孔洞用以擱置爬升靴活絡(luò)卡。

3.5 液壓動力及電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動力設(shè)備由1 套集中控制系統(tǒng)、4 臺液壓泵站和22 套液壓頂升油缸組成。其中每臺液壓泵站帶動5～6套液壓頂升油缸。液壓油缸是頂升鋼平臺的重要動力部件，固定在鋼格構(gòu)柱兩端。每根鋼格構(gòu)柱裝有2 套上、下爬升靴，每套爬升靴配有1 個(gè)頂升油缸，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作平臺的整體同步頂升[8]。

每根鋼格構(gòu)柱的2 個(gè)油缸的速度由對應(yīng)的脈寬調(diào)整閥進(jìn)行控制，通過控制閥打開的時(shí)間來控制對每個(gè)立柱的供油量，從而控制爬升速度。每個(gè)立柱可以配備1 個(gè)壓力傳感器和1 個(gè)位移傳感器，用以監(jiān)測每個(gè)立柱的爬升位移和所承受的反作用載荷。系統(tǒng)配有蓄能器和自動卸荷閥，當(dāng)蓄能器壓力達(dá)到設(shè)定壓力后，自動卸荷閥打開，同時(shí)油泵停止工作。系統(tǒng)壓力由蓄能器維持，從而實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保的要求。

4 整體爬升鋼平臺模板裝備的施工

4.1 標(biāo)準(zhǔn)段施工流程

整體爬升鋼平臺模板裝備在核心筒施工過程中作為模板工程的施工裝備和操作平臺，為模板工程施工提供了條件。其剖面如圖7所示。核心筒標(biāo)準(zhǔn)段施工時(shí)，每完成1 段標(biāo)準(zhǔn)段施工，鋼平臺爬升1 次。本工程核心筒在5～33層、37～64層屬于標(biāo)準(zhǔn)層，層高4 500 mm，其施工流程如下：

圖7 整體鋼平臺剖面示意

（a）整體爬升鋼平臺模板裝備處于初始狀態(tài)，平臺位于剛澆筑完成的核心筒混凝土頂面。此時(shí)混凝土處于養(yǎng)護(hù)階段，鋼平臺提升工作準(zhǔn)備就緒；

（b）油缸套與活塞桿交替提升200 mm，重復(fù)23 次，鋼平臺共提升4 500 mm，內(nèi)筒架小液壓油缸推動鋼牛腿外伸，使其擱置在核心筒墻體預(yù)留孔內(nèi)；

（c）啟動鋼柱油缸并使活塞桿外伸一定行程，活絡(luò)卡進(jìn)入格構(gòu)柱孔后扳轉(zhuǎn)爬升靴操作手柄，使其處于提升鋼柱狀態(tài)；

（d）油缸套與活塞桿交替提升200 mm，重復(fù)23 次，反提升鋼柱并使其底部停留在離樓面4 500 mm的位置；

（e）吊裝勁性柱和綁扎核心筒鋼筋，埋設(shè)牛腿預(yù)埋件；

（f）提升鋼框木模，安裝模板穿墻對拉螺栓，鋼柱就位，用錨栓將鋼柱與核心筒鋼筋固定??；

（g）澆筑混凝土；

（h）如此循環(huán)，鋼平臺和鋼柱通過油缸及爬升靴相互交替提升，即可完成標(biāo)準(zhǔn)層勁性柱吊裝、鋼筋綁扎、混凝土澆搗等工作。

施工流程如圖8所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)層施工流程

4.2 穿越桁架層施工方法

結(jié)構(gòu)在34～36層、65～66層分別設(shè)置了2 道伸臂桁架。由于內(nèi)伸臂桁架需要埋設(shè)在核心筒內(nèi)，并且桁架層鋼構(gòu)件體積巨大，超過了平臺鋼梁的最大間距，無法直接吊裝，所以在穿越桁架層的施工中，鋼平臺需要進(jìn)行一定的分解，通過桁架層后再進(jìn)行組合。桁架層鋼結(jié)構(gòu)包括下弦桿、斜腹桿與上弦桿。下面以34～36層桁架層為例簡要說明鋼平臺通過桁架層的流程：

（a）鋼平臺和鋼柱通過油缸及爬升靴相互交替爬升，完成標(biāo)準(zhǔn)層勁性柱吊裝、綁扎鋼筋、混凝土澆搗等工作，至核心筒31層混凝土施工完成；

（b）提升鋼平臺，牛腿擱置在30層核心筒上，反提鋼柱后吊裝、校正、焊接4 個(gè)角部與下弦桿相連的勁性柱，完成32層混凝土施工；

（c）提升鋼平臺，牛腿擱置在31層核心筒上，反提鋼柱后對鋼平臺角部進(jìn)行加強(qiáng)，分批拆除鋼平臺4 個(gè)角部部分鋼梁，吊裝、校正、焊接33層4 段帶鋼牛腿的勁性柱；

（d）移走部分用于放置鋼柱的連系梁，吊裝、校正、焊接相對應(yīng)的桁架層下弦桿H型鋼梁，焊接鋼柱支座錨栓；

（e）恢復(fù)連系梁后綁扎33層鋼筋，完成33層混凝土施工；

（f）提升鋼平臺，以安裝下弦桿同樣的方法安裝斜腹桿與上弦桿直至36層混凝土工程完成，鋼平臺穿越桁架層施工結(jié)束。

5 結(jié)語

鋼柱筒架交替支撐式整體爬升鋼平臺模板裝備在施工過程中繼承了鋼柱支撐式整體自升鋼平臺腳手模板系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在保證施工質(zhì)量的同時(shí)，加快了施工速度。在此基礎(chǔ)上，采用了一種可重復(fù)使用的工具式鋼格構(gòu)柱代替?zhèn)鹘y(tǒng)的埋入式格構(gòu)柱，節(jié)約了工程造價(jià)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。針對本工程混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，還發(fā)展出一系列專項(xiàng)施工技術(shù)，解決了桁架層施工、外墻收分等難題，為我國超高層建筑核心筒施工積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。