鋼柱式整體爬升鋼平臺模架同步提升技術(shù)研究

秦鵬飛

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2. 上海高大結(jié)構(gòu)建造工藝與裝備工程技術(shù)研究中心 上海 201114

超高層建筑建造過程中面臨施工工序多、作業(yè)環(huán)境差、危險系數(shù)高、持續(xù)時間長、綜合投入大等問題，選擇合理的施工建造裝備是解決上述問題的關(guān)鍵。選用合理的模架裝備，可顯著提高超高層核心筒混凝土結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量，保證施工安全，加快施工進(jìn)度，降低工程成本[1-2]。

鋼柱式整體爬升鋼平臺模架簡稱整體鋼平臺模架[3-4]，是針對超高層建筑領(lǐng)域建筑高度在200～300 m的主流建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研發(fā)而成。整體鋼平臺模架在正常使用狀態(tài)下，通過筒架支撐系統(tǒng)豎向支撐裝置支撐于核心筒剪力墻體預(yù)留凹槽內(nèi)來傳遞自重及施工荷載；在爬升狀態(tài)下，以工具式鋼柱和筒架支撐系統(tǒng)交替支撐，通過多個液壓缸同步伸縮來完成整體鋼平臺模架提升。此模架裝備憑借施工速度快、安全程度高、綜合建造成本低等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的應(yīng)用，但液壓缸數(shù)量多、分布范圍大，同步性控制一直以來是難點(diǎn)[5-6]。同步性控制水平直接決定整體鋼平臺模架的使用安全，因此，對同步性控制方法的研究至關(guān)重要。

本文以南京金鷹天地廣場T2塔樓核心筒混凝土豎向結(jié)構(gòu)施工所采用的鋼柱式整體爬升鋼平臺模架裝備為依托，從荷載分布、機(jī)位布置、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、提升過程中液壓缸頂升力及位移實(shí)測值出發(fā)，探尋多機(jī)位液壓缸同步提升控制方法，為整體鋼平臺模架安全使用打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

1 工程概況

南京金鷹天地廣場是南京建鄴區(qū)地標(biāo)性建筑，由3棟超高層建筑以空間連廊形式組成整體。項目總建筑面積超90萬 m2，其中T2塔樓結(jié)構(gòu)總高322.0 m，共69層，標(biāo)準(zhǔn)層高4.3 m。

T2塔樓結(jié)構(gòu)類型采用內(nèi)筒外框形式，整體結(jié)構(gòu)施工劃分為內(nèi)筒、外框和水平結(jié)構(gòu)三部分，首先進(jìn)行核心筒墻體豎向結(jié)構(gòu)施工，其次吊裝外框鋼結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行水平樓面結(jié)構(gòu)施工。核心筒墻體豎向結(jié)構(gòu)采用鋼柱式整體爬升鋼平臺模架進(jìn)行施工。

鋼柱式整體爬升鋼平臺模架從結(jié)構(gòu)體系和功能角度分為五大系統(tǒng)[7]，如圖1所示。位于整體模架頂部的鋼平臺系統(tǒng)，作為材料堆放和人員通行平臺，施工機(jī)具和作業(yè)人員通過施工升降機(jī)可直達(dá)此處。懸掛在鋼平臺系統(tǒng)四周的腳手架系統(tǒng)，覆蓋2層半結(jié)構(gòu)高度，上下分為6層，用于鋼筋工程和模板作業(yè)施工。布置于核心筒平面宮格內(nèi)的筒架支撐系統(tǒng)，傳遞自重和各類施工荷載。支撐在核心筒墻體結(jié)構(gòu)面的鋼柱爬升系統(tǒng)，帶動整體鋼平臺模架向上提升。沿墻體兩側(cè)設(shè)置的鋼模板系統(tǒng)，用于混凝土墻體澆筑成形。整體鋼平臺面積約650 m2，具備200 t承載能力。

圖1 鋼柱式整體爬升鋼平臺模架示意

2 多機(jī)位同步提升系統(tǒng)設(shè)計

多機(jī)位同步提升系統(tǒng)由鋼柱爬升系統(tǒng)、液壓泵站、中央控制室組成。鋼柱爬升系統(tǒng)按部件分為工具式鋼柱、雙作用短行程液壓缸和上下爬升靴，具體構(gòu)造如圖2所示。工具式鋼柱由帶爬升孔的鋼板焊接而成，在爬升階段作為整體鋼平臺模架臨時支撐點(diǎn)，一端固定于核心筒墻體頂部分層面，另一端為可自由調(diào)節(jié)的，可周轉(zhuǎn)使用。雙作用短行程液壓缸，通過驅(qū)動上下爬升靴交替支撐于工具式鋼柱，從而為整體鋼平臺模架提升提供動力。液壓泵站對液壓缸進(jìn)行控制，由3臺泵站組成。中央控制室可根據(jù)需求操作液壓缸同步提升或?qū)蝹€液壓缸進(jìn)行精確控制。

圖2 鋼柱爬升系統(tǒng)構(gòu)造示意

同步提升系統(tǒng)在核心筒區(qū)域分散布置18個機(jī)位，每個機(jī)位成對配置2臺額定頂升力為20 t的雙作用液壓缸，1個機(jī)位頂升力40 t，總體頂升力720 t，滿足整體提升力需求。在提升過程中，雙作用液壓缸內(nèi)置的位移傳感器和壓力傳感器可實(shí)時將獲取的荷載和位移數(shù)據(jù)傳回中央控制室，為同步提升精確控制提供依據(jù)。多機(jī)位同步提升系統(tǒng)布置如圖3所示。

圖3 多機(jī)位同步提升系統(tǒng)布置

3 整體鋼平臺模架爬升工況分析

在爬升作業(yè)階段，以工具式鋼柱為支撐，下爬升靴支撐于工具式鋼柱預(yù)留爬升孔內(nèi)，雙作用短行程液壓缸伸出驅(qū)動整體鋼平臺模架向上提升一個預(yù)定高度，上爬升靴支撐于工具式鋼柱爬升孔內(nèi)，下爬升靴伸出，完成受力轉(zhuǎn)換，雙作用液壓缸回縮帶動下爬升靴向上提升預(yù)定高度，完成整體鋼平臺模架一個小行程的提升。工具式鋼柱預(yù)留爬升孔間距200 mm，雙作用短行程液壓缸行程600 mm，核心筒墻體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層高4 300 mm，整體鋼平臺模架提升分11個階段完成，前10次每次提升400 mm，最后1次提升300 mm，提升總高度4 300 mm。

整體鋼平臺模架機(jī)位理論提升力如圖4所示，總提升力為2 600 kN，18個機(jī)位額定總提升力為7 200 kN，具有足夠安全儲備。

圖4 液壓油缸理論頂升力

4 同步性提升數(shù)據(jù)分析

在爬升階段，以位移控制為主，頂升力控制為輔，兩者相結(jié)合共同完成整體鋼平臺模架同步性提升。為方便更好地理解同步性控制特點(diǎn)，18個機(jī)位按荷載分布和所處位置劃分為8個區(qū)域來進(jìn)行系統(tǒng)性分析。4#、5#機(jī)位所在位置為區(qū)域一；17#、18#機(jī)位所在位置為區(qū)域二；8#、9#機(jī)位所在位置為區(qū)域三；13#、14#機(jī)位所在位置為區(qū)域四；1#、2#、3#機(jī)位所在位置為區(qū)域五；10#、11#、12#機(jī)位所在位置為區(qū)域六；6#機(jī)位所在位置為區(qū)域七；16#機(jī)位所在位置為區(qū)域八；7#機(jī)位處于中間位置，15#機(jī)位在中間和外圍之間不再單獨(dú)劃分區(qū)域。

4.1 同步性位移數(shù)據(jù)分析

為分析不同機(jī)位之間同步性情況，對各機(jī)位位移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以整體鋼平臺模架正中間的7#機(jī)位位移為基準(zhǔn)，其余各機(jī)位位移絕對值與7#機(jī)位位移絕對值做差值，這種位移差是同步性的重要體現(xiàn)，可分析不同機(jī)位之間同步性控制水平。按區(qū)域表示的不同機(jī)位位移差數(shù)值如圖5～圖12所示。

圖5 區(qū)域一機(jī)位位移差

圖6 區(qū)域二機(jī)位位移差

圖7 區(qū)域三機(jī)位位移差

圖8 區(qū)域四機(jī)位位移差

圖10 區(qū)域六機(jī)位位移差

圖9 區(qū)域五機(jī)位位移差

圖11 區(qū)域七機(jī)位位移差

圖12 區(qū)域八機(jī)位位移差

從圖5～圖12可以看出，各區(qū)域內(nèi)機(jī)位隨提升階段的不同呈現(xiàn)出規(guī)律性特點(diǎn)。

提升階段1～階段4，同步性處于動態(tài)調(diào)整階段，在區(qū)域二至區(qū)域四、區(qū)域六、區(qū)域八，不同機(jī)位之間同步性趨于一致，先是稍快于基準(zhǔn)點(diǎn)7#機(jī)位，隨后又稍慢于基準(zhǔn)點(diǎn)，但差值都控制在3 mm以內(nèi)；在區(qū)域一、區(qū)域五、區(qū)域七，機(jī)位位移始終落后于基準(zhǔn)機(jī)位，區(qū)域一中機(jī)位落后最大位移在5 mm左右，區(qū)域五中機(jī)位落后最大位移在10 mm以內(nèi)，區(qū)域七中機(jī)位落后最大位移在13 mm以內(nèi)。階段5中，上述8個區(qū)域機(jī)位與基準(zhǔn)點(diǎn)位移差表現(xiàn)出迅速放大的趨勢，最大位移差達(dá)到13 mm。進(jìn)入階段6后，位移差又快速回落。在整體爬升的后半程，階段9中有小幅波動，其余階段基本保持穩(wěn)定。因在相同區(qū)域內(nèi)布置的不同機(jī)位之間距離很近，所以位移差值很小，區(qū)域一最大位移差在3 mm內(nèi)，區(qū)域五最大位移差在7 mm內(nèi)，區(qū)域六除少數(shù)階段位移差值較大外，基本控制在2 mm內(nèi)，其余區(qū)域最大位移差在1 mm內(nèi)。從全部位移差值分布來看，左上角提升較慢，右下側(cè)提升較快，整體鋼平臺模架從右下方向左上方發(fā)生輕微傾斜。

4.2 同步性機(jī)位頂升力數(shù)據(jù)分析

在整體鋼平臺模架爬升過程中，取機(jī)位頂升力進(jìn)行分析，按區(qū)域進(jìn)行歸類的機(jī)位頂升力數(shù)據(jù)如圖13～圖22所示。

圖13 區(qū)域一機(jī)位頂升力

圖14 區(qū)二域機(jī)位頂升力

圖15 區(qū)域三機(jī)位頂升力

圖16 區(qū)域四機(jī)位頂升力

圖17 區(qū)域五機(jī)位頂升力

圖18 區(qū)域六機(jī)位頂升力

圖19 區(qū)域七機(jī)位頂升力

圖20 區(qū)域八機(jī)位頂升力

圖21 7#機(jī)位頂升力

圖22 15#機(jī)位頂升力

從上圖可以看出，區(qū)域一、區(qū)域五和區(qū)域七中，除開始、結(jié)尾和中間提升階段，機(jī)位頂升力變化較大外，其他階段機(jī)位頂升力基本保持在恒定數(shù)值。區(qū)域二、區(qū)域四和區(qū)域八中，機(jī)位頂升力在一定范圍內(nèi)變化，變化幅度不大。區(qū)域三和區(qū)域六中，機(jī)位頂升力變化劇烈。在上述8個區(qū)域中，無論機(jī)位頂升力如何變化，每個區(qū)域內(nèi)總體頂升力是基本恒定的。

區(qū)域一至區(qū)域七中，每個機(jī)位平均頂升力在150～200 kN之間，機(jī)位布置合理。15#機(jī)位頂升力在200～250 kN之間，16#機(jī)位頂升力在250～300 kN之間，這兩個機(jī)位距離較近而又不屬于同一區(qū)域，所以頂升力數(shù)值較為接近又因其所承擔(dān)面積不同又有一定差距。7#機(jī)位頂升力最大，在350～400 kN之間，接近機(jī)位額定頂升力，因其處于整體鋼平臺模架中間位置，負(fù)載面積最大，而周邊結(jié)構(gòu)限制無法增加機(jī)位布置所致。

結(jié)合位移和頂升力數(shù)據(jù)分析，在大多數(shù)提升階段，各機(jī)位位移和頂升力趨于穩(wěn)定。在提升階段5，由于7#機(jī)位負(fù)載最重，接近額定頂升力，頂升速度放慢，周邊機(jī)位頂升力較小，頂升速度加快，帶動整體鋼平臺模架快速向上提升；周邊機(jī)位因分?jǐn)?#機(jī)位質(zhì)量，負(fù)載增加，速度放慢，而7#機(jī)位被動向上頂升，負(fù)載降低，頂升速度加快。在提升階段6，各機(jī)位又恢復(fù)到平衡狀態(tài)。

整體鋼平臺模架機(jī)位實(shí)測總體頂升力如圖23所示，在開始提升前，機(jī)位總體頂升力為3 100 kN，比理論值2 600 kN大，這是因未及時清理落在整體鋼平臺模架上的混凝土、施工工具和材料荷載而引起的。提升過程中，總體頂升力在3 250～3 300 kN之間變化，增加部分荷載是由整體鋼平臺模架側(cè)向支撐頂輪與墻體之間的摩擦造成的。

圖23 機(jī)位總體頂升力'

4.3 同步性提升建議

為了更好地控制鋼柱式整體爬升鋼平臺模架機(jī)位頂升的同步性，提高提升過程的安全性，提出以下幾條建議：

1）根據(jù)核心筒墻體結(jié)構(gòu)平面特點(diǎn)，合理設(shè)計整體鋼平臺模架，確保荷載分布均衡，優(yōu)化機(jī)位布置，使每個機(jī)位負(fù)載大致相同，避免出現(xiàn)個別機(jī)位荷載過大的情況。

2）在整體鋼平臺模架提升前，及時清理殘留混凝土和施工機(jī)具，不過多增加機(jī)位負(fù)載。

3）加強(qiáng)混凝土澆筑質(zhì)量控制，確保工具式鋼柱支撐在同一水平面上，降低同步性控制難度。

4）整體鋼平臺模架側(cè)向支撐主要作用是防傾覆，設(shè)計時預(yù)留安全距離，在提升時，側(cè)向支撐不與墻體接觸，減少摩擦，當(dāng)整體模架發(fā)生過大傾斜時，再與混凝土墻體接觸發(fā)揮作用。

5 結(jié)語

同步性控制是多機(jī)位液壓頂升系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)所在，也是整體鋼平臺模架安全使用的保障。本文以南京金鷹T2塔樓核心筒墻體施工為背景，從整體鋼平臺模架多機(jī)位同步提升系統(tǒng)實(shí)測位移和頂升力數(shù)據(jù)出發(fā)，尋找影響同步性控制的因素，探究提高多機(jī)位同步性控制水平的方法。

研究結(jié)果表明：不同機(jī)位及同一機(jī)位不同階段的位移和頂升力數(shù)據(jù)之間存在一定規(guī)律性，并且同步性受到施工現(xiàn)場多種因素的影響。針對施工現(xiàn)場影響因素，從整體鋼平臺模架設(shè)計、機(jī)位布置、核心筒墻體質(zhì)量控制和側(cè)向支撐發(fā)揮作用等方面，提出了進(jìn)一步提升同步性控制水平的建議，為鋼柱式整體爬升鋼平臺模架的安全使用和推廣提供理論基礎(chǔ)。