超高層爬模系統(tǒng)通過伸臂桁架層時(shí)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李曉冬，柯思睿，劉浩，張超

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300456）

1 工程背景

中交匯通橫琴廣場(chǎng)工程3號(hào)塔樓為鋼管混凝土框架+核心筒+伸臂桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)高為+299.4 m，核心筒外形近似于橄欖形。核心筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，核心筒外側(cè)豎向墻柱結(jié)構(gòu)總計(jì)經(jīng)過5次變截面，從1 200 mm變至600 mm；并在結(jié)構(gòu)標(biāo)高+100.00 m和+200.00 m各設(shè)計(jì)1個(gè)加強(qiáng)層，以提高建筑物水平荷載抗力。加強(qiáng)層設(shè)置4榀伸臂桁架，伸臂桁架牛腿突出核心筒墻面，

如圖1，給豎向結(jié)構(gòu)爬模施工帶來困難。

圖1 伸臂桁架層示意圖Fig.1 Schematic diagram of extension arm trusslayer

2 爬模施工設(shè)計(jì)

2.1 體系設(shè)計(jì)

1）單元構(gòu)造

爬模系統(tǒng)是爬升模板的簡(jiǎn)稱，主要由爬架系統(tǒng)和模板系統(tǒng)組成，用于豎向剪力墻、核心筒及高墩的施工，旨在解決豎向結(jié)構(gòu)施工中垂直運(yùn)輸和豎向維護(hù)問題等。而爬模體系中最為關(guān)鍵的體系為爬架體系，為滿足施工要求，整個(gè)爬架體系主要由操作平臺(tái)、圍護(hù)平臺(tái)、作業(yè)平臺(tái)等模塊組成，如圖2。

圖2 爬架系統(tǒng)示意圖Fig 2 Diagram of the climbing system

爬架體系整體受力通過下部承重三角架傳至懸掛靴，然后傳至預(yù)埋埋件，最終傳至核心筒混凝土結(jié)構(gòu)。

爬模系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵為整體爬架設(shè)計(jì)，主要解決爬架架體在施工、爬升、停工狀態(tài)下受各類荷載（自重、施工荷載、風(fēng)荷載）及效應(yīng)最不利組合作用下的安全使用問題。

2）本工程爬模體系設(shè)計(jì)

本工程爬模體系分為內(nèi)筒爬模、外筒爬模2個(gè)部分，共劃分為30個(gè)單元。爬升體系考慮到伸臂桁架層施工，外架體劃分為14個(gè)獨(dú)立的單元，各單元采用固定鉸鏈連接的翻板和固定鉸鏈的外防護(hù)門作為連接，如圖3。標(biāo)準(zhǔn)層爬升時(shí)，外架各單元和鏈接的翻板通過液壓油路聯(lián)通同時(shí)爬升。伸臂桁架施工時(shí)拆除翻板和外防護(hù)門，并做好架體內(nèi)側(cè)安全防護(hù)后將外架剩余單元同時(shí)連接液壓油路同時(shí)爬升。

圖3 可翻轉(zhuǎn)平臺(tái)示意圖Fig.3 Flip platform schematic

本設(shè)計(jì)最大的優(yōu)點(diǎn)是同時(shí)考慮到了核心筒標(biāo)準(zhǔn)層和伸臂桁架層施工的兼容性，以及平面變化的適應(yīng)性，提高了工作效率，增強(qiáng)了安全保障。

2.2 單元設(shè)計(jì)

2.2.1 爬模荷載組成

主要由鋼筋綁扎平臺(tái)、混凝土澆筑平臺(tái)、模板操作平臺(tái)、液壓操作平臺(tái)、維護(hù)平臺(tái)組成，具體見圖2?？紤]到施工要求和相關(guān)規(guī)范規(guī)定，將各平臺(tái)的荷載和寬度的設(shè)計(jì)值列于表1。

表1 操作平臺(tái)荷載值計(jì)算結(jié)果表Table 1 Calculation results of operating platform load values

恒載標(biāo)準(zhǔn)值說明：

1）每層平臺(tái)走道由2根槽鋼（10.0 kg/m）和3 mm花紋鋼板（23.55 kg/m2）組成，計(jì)為各層平臺(tái)每米影響寬度自重。

2）模板體系自重45 kg/m2，高4.60 m，每米影響寬度模板重207 kg，故由此傳到架體上荷載為2.07 kN/m。

3）各層由防護(hù)網(wǎng)（8 kg/m2）和防護(hù)欄桿（3.84 kg/m）組成防護(hù)體系，計(jì)為每米影響寬度自重。

4）因防保網(wǎng)是具有開孔的沖孔網(wǎng)，開孔率39.25%；風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值[1]按相關(guān)規(guī)范選定。

2.2.2 爬模荷載組合

爬模設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)分別考慮各類荷載組合，主要考慮施工工況、爬升工況、停工工況的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。爬模裝置的荷載效應(yīng)組合詳見表2[2]和圖4。其中選用鋼材的抗剪設(shè)計(jì)值為：fv=1.25 N/mm2；抗拉、抗壓及抗彎設(shè)計(jì)值為：f=215 N/mm2。

表2 不同狀態(tài)下荷載值組合公式表Table2 Table of combined formulas for load values in different status

圖4 架體受力示意圖Fig.4 Frame force diagram

2.2.3 爬模支架計(jì)算

本工程爬模設(shè)計(jì)考慮到簡(jiǎn)潔方便，將平臺(tái)板所受均布荷載、維護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載、模板自重荷載、施工荷載等通過受力轉(zhuǎn)化，將其轉(zhuǎn)換為爬架架體的節(jié)點(diǎn)荷載進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算按單榀架體建模。經(jīng)PKPM建模分析：在風(fēng)荷載、恒荷載、活荷載、施工荷載同時(shí)作用，并且架體上處于施工狀態(tài)時(shí)受力最大。具體結(jié)果見圖5。

根據(jù)以上計(jì)算選定架體單元構(gòu)件尺寸及截面，以滿足爬模架體施工要求。各桿件設(shè)計(jì)情況見圖6。

圖5 剪力軸力彎矩包絡(luò)圖Fig.5 Shear axial bending moment envelope diagram

圖6 架體構(gòu)造圖Fig.6 Structural diagram of erecting body

2.2.4 爬模埋件驗(yàn)算

爬架主要受力荷載由下部承重三角架傳至懸掛靴[3]，然后傳至預(yù)埋埋件。預(yù)埋埋件主要使用高強(qiáng)鋼材制作，埋件螺栓不僅需滿足抵抗架體傳來的剪力要求，還應(yīng)具備重復(fù)利用的性能。驗(yàn)算預(yù)埋件主要包括與混凝土之間的抗拔能力、局部剪切應(yīng)力等，本項(xiàng)目采用廠家定型產(chǎn)品，經(jīng)復(fù)核滿足要求。

2.2.5 止動(dòng)預(yù)埋件抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算

本項(xiàng)目采用止動(dòng)預(yù)埋件是多卡產(chǎn)品進(jìn)口標(biāo)準(zhǔn)件，見圖7所示，單根止動(dòng)預(yù)埋件[4]抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為175 kN，大于計(jì)算值149 kN，止動(dòng)預(yù)埋件抗拉強(qiáng)度滿足要求。

圖7 預(yù)埋錨固爬錐示意圖Fig.7 Diagram of pre-embedded anchor climbing cone

2.2.6 止動(dòng)預(yù)埋件的抗拔力計(jì)算

以錨板錨固錐體破壞埋件的錨固強(qiáng)度計(jì)算為例，假定埋件到基礎(chǔ)邊緣有足夠的距離，錨板螺栓[5]在軸向力F作用下，破壞錐體高度h取200 mm，錨板直徑b取100 mm，螺栓及其周圍的混凝土以圓錐臺(tái)形從基礎(chǔ)中拔出破壞，見圖8。

圖8 螺栓受力破壞示意圖Fig.8 Mechanical failure diagram of bolt

由圖8分析可知，沿破裂面作用有切向應(yīng)力子s和法向應(yīng)力啄s，由力系平衡條件可得：

式中：A為面積；子s為剪應(yīng)力；啄s為正應(yīng)力。

混凝土局部抗壓及紅頭螺栓的抗拔性能計(jì)算，此處不再闡述。

2.2.7 模板系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)爬模爬升時(shí)一次性通過伸臂桁架層，在設(shè)計(jì)模板系統(tǒng)時(shí)考慮伸臂桁架層牛腿處的模板配模問題。主要模板體系為鋼框木模+組合模板[6]，牛腿位置設(shè)置獨(dú)立的鋼框木模，邊角位置不滿足鋼框木模配模模數(shù)要求時(shí)配置組合鋼模[7]。當(dāng)施工至伸臂桁架層時(shí)，將牛腿位置鋼框木模拆除，改換成組合模板，其余位置不變。

模板體系按照鋼框木模豎向鋼圍檁，雙拼槽鋼圍檁，計(jì)算模板體系的剛度、強(qiáng)度，此處不再贅述。

3 伸臂桁架層爬模施工措施

3.1 架體爬升施工

爬架爬升過程經(jīng)過伸臂桁架層牛腿時(shí)，爬模先按標(biāo)準(zhǔn)層正常爬升，各操作層經(jīng)過牛腿時(shí)，分別拆除牛腿位置受影響的水平走道板和連接桿件，未受影響部分保持原狀。通過牛腿后的操作層恢復(fù)原走道板和連接桿件，架體完全通過伸臂桁架層，恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)層爬升。爬升過程如圖9所示。

3.2 爬模管線處理措施

架體上油管、電纜、燈帶等線管通過增加長度的方式繞行牛腿，待牛腿通過后恢復(fù)。每個(gè)牛腿處設(shè)置專人操作，爬升前負(fù)責(zé)加長管線并繞開牛腿，通過牛腿后恢復(fù)管線。

3.3 防護(hù)措施設(shè)置

架體在伸臂桁架層爬升過程中，爬升完成時(shí)牛腿在爬模架體內(nèi)，需要在牛腿周圍用鋼管腳手架做臨時(shí)防護(hù)欄桿，并在牛腿下方設(shè)置密布網(wǎng)、安全兜網(wǎng)、踢腳板等。

4 爬模施工注意事項(xiàng)

爬模體系主要作用是保證施工過程安全和豎向結(jié)構(gòu)施工便捷[8]，在施工管理中應(yīng)重視爬模爬升操作規(guī)程，因此需要注重以下事項(xiàng)：

1）設(shè)置爬模體系受力監(jiān)控系統(tǒng)，確保靜止、爬升狀態(tài)時(shí)荷載不超過設(shè)計(jì)荷載。

圖9 架體過伸臂桁架牛腿爬升示意圖Fig.9 Schematic diagram of frame climbing through the bulgeleg of theextension arm truss

2）爬架爬升前，需系統(tǒng)檢查各設(shè)備、管線是否正常；斷開部位臨時(shí)防護(hù)是否完善；螺栓、爬錐和懸掛靴必須擰緊，不能出現(xiàn)松動(dòng)；架體上不能集中堆載；爬升完成后，需插好承重銷和安全銷，關(guān)閉動(dòng)力設(shè)備。

3）爬架爬升時(shí)，架體四周必須配齊操作人員，并且配備對(duì)講機(jī)等通信設(shè)備并保持信號(hào)通暢，隨時(shí)與動(dòng)力柜操作人員保持聯(lián)系。

4）爬架的爬升必須一次性完成，不宜中途交接班或有長時(shí)間停息，爬升時(shí)爬架上不能有施工人員進(jìn)行其他施工作業(yè)。

5 結(jié)語

超高層建筑中，各單體建筑的結(jié)構(gòu)形式及平面布局存在較大的差異，而爬模體系目前采用的形式也多種多樣，因此在使用爬模系統(tǒng)時(shí)，需要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過對(duì)中交匯通橫琴廣場(chǎng)工程3號(hào)塔樓核心筒液壓爬模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，合理地解決了標(biāo)準(zhǔn)層與伸臂桁架層不同工況時(shí)，用同一套爬模體系所存在的問題。運(yùn)用該項(xiàng)設(shè)計(jì)后，提高了施工效率，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，是一項(xiàng)值得推廣的工藝技術(shù)。