超高層鋼結(jié)構(gòu)特殊外掛登高及操作平臺(tái)體系研究

鄭 俊

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

隨著城市的發(fā)展，超大超高的建筑日益增加，在高層鋼結(jié)構(gòu)施工領(lǐng)域，許多項(xiàng)目外框架鋼結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜多變，而非傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)橫平豎直的結(jié)構(gòu)形式，單體構(gòu)件常為不規(guī)則形體，這些構(gòu)件安裝過(guò)程中工況復(fù)雜，施工人員安裝作業(yè)困難[1-4]。

傳統(tǒng)高層外框架鋼結(jié)構(gòu)安裝中通常采用腳手架搭設(shè)登高及操作平臺(tái)，用于完成高空作業(yè)，存在不確定安全因素。通過(guò)研發(fā)新型外掛登高及操作平臺(tái)體系，可實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范作業(yè)，在滿足構(gòu)件安裝的同時(shí)，解決了絕對(duì)保障施工人員安全的技術(shù)難點(diǎn)。

1 工程概況

中國(guó)澳門(mén)沐梵世酒店項(xiàng)目是一座集高檔酒店及娛樂(lè)功能于一體的綜合性商用大樓，坐落于中國(guó)澳門(mén)氹仔路氹連貫公路東側(cè)新濠天地內(nèi)，北鄰中國(guó)澳門(mén)科技大學(xué)，是扎哈·哈迪德設(shè)計(jì)的最后一座建筑作品。項(xiàng)目主樓高160 m，地下1層，地上42層，采用雙核心筒及異形外露鋼結(jié)構(gòu)所組合而成的結(jié)構(gòu)體系，2個(gè)核心筒由桁架、鋼骨和其他鋼構(gòu)件連接，形成3個(gè)“水滴”形狀，暴露的不規(guī)則鋼骨架組成了幕墻和骨架外墻，鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量近3萬(wàn) t（圖1、圖2）。

圖1 沐梵世酒店結(jié)構(gòu)效果圖

圖2 沐梵世酒店建筑效果圖

2 外掛登高及操作平臺(tái)功能分析

傳統(tǒng)高層鋼結(jié)構(gòu)施工中，一般采用以下2種方式。

1）使用腳手架圍繞鋼柱搭作業(yè)平臺(tái)，并搭設(shè)腳手架垂直登高通道作為登高措施。此作業(yè)平臺(tái)搭設(shè)質(zhì)量?jī)H依靠腳手架工人的個(gè)人素質(zhì)，無(wú)法100%保證作業(yè)平臺(tái)的安全可靠，且作業(yè)平臺(tái)整體相對(duì)較為簡(jiǎn)陋，無(wú)法達(dá)到很好的防護(hù)、隔離及承重效果。

2）使用型鋼定制作業(yè)平臺(tái)，并制作硬質(zhì)爬梯作為登高措施。此作業(yè)平臺(tái)優(yōu)點(diǎn)在于定制工廠加工，制作質(zhì)量較好，具有較好的防護(hù)、隔離及承重功能，缺點(diǎn)在于每個(gè)鋼構(gòu)件分段節(jié)點(diǎn)皆需安裝一個(gè)單獨(dú)作業(yè)平臺(tái)，鋼平臺(tái)數(shù)量較多（多數(shù)工程需制作100套以上），需要地面堆放場(chǎng)地堆放未安裝的平臺(tái)，且安裝及拆除鋼平臺(tái)需占用大量吊裝設(shè)備的作業(yè)時(shí)間。

中國(guó)澳門(mén)沐梵世酒店鋼結(jié)構(gòu)工程外露鋼結(jié)構(gòu)部分除去中間相對(duì)復(fù)雜的孔洞區(qū)域（由異形鋼骨架及鋼桁架組成），其余結(jié)構(gòu)由較為規(guī)則的鋼立柱及十字交叉鋼構(gòu)件組成。在施工此部分鋼結(jié)構(gòu)過(guò)程中，施工作業(yè)人員需要到這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量放線、構(gòu)件安裝、構(gòu)件校正、構(gòu)件焊接、探傷檢查、防腐防火涂裝等高空作業(yè)內(nèi)容（圖3、圖4）。

圖3 沐梵世酒店規(guī)則區(qū)域外露鋼結(jié)構(gòu)示意

圖4 沐梵世酒店平面結(jié)構(gòu)布置示意

考慮到本工程位于澳門(mén)氹仔中心地帶，無(wú)地面堆放場(chǎng)地，且施工工期極為緊張，需設(shè)計(jì)一種能夠較好滿足高空作業(yè)需求、不占用施工場(chǎng)地，且盡量少占用吊車作業(yè)時(shí)間的登高作業(yè)系統(tǒng)。

登高作業(yè)系統(tǒng)功能分析：具備圍繞鋼構(gòu)件作業(yè)面，帶防護(hù)欄桿，具有一定承重能力的作業(yè)平臺(tái)；具有穩(wěn)固附著于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的能力，且能夠順著鋼結(jié)構(gòu)自升或依靠吊車輔助具有爬升能力；具有帶防墜圈的硬質(zhì)爬梯；具有輔助鋼構(gòu)件臨時(shí)穩(wěn)定的功能。

3 登高作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沐梵世酒店標(biāo)準(zhǔn)層高度為3 750 mm，每節(jié)鋼柱跨2個(gè)樓層，高度為7 500 mm，為滿足第2章所述的功能，設(shè)計(jì)登高作業(yè)系統(tǒng)時(shí)分為以下幾種構(gòu)件：

1）2根雙拼槽鋼及方管組成的主受力結(jié)構(gòu)（兼作登高梯），高度為15 000 mm。

2）4個(gè)作業(yè)平臺(tái)（帶1 200 mm高的扶手欄桿）分別用于底部及中間部位人員站立作業(yè)（各2個(gè)），作業(yè)平臺(tái)靠結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)設(shè)置可翻起走道及扶手欄桿，可以與樓層內(nèi)樓板或者樓面鋼梁組成上下作業(yè)平臺(tái)的通道。

3）2組爬梯防墜護(hù)圈，安裝于垂直登高梯外側(cè)，防止工人通過(guò)垂直登高梯登高時(shí)，發(fā)生墜落事故。

4）2組支撐掛鉤及連接件（每組2套掛鉤及限位裝置，共4個(gè)），用于將登高及操作平臺(tái)體系固定于永久鋼結(jié)構(gòu)外框架上，掛鉤系統(tǒng)具有自鎖及解鎖能力，便于整體體系提升作業(yè)。4個(gè)支撐連接件安裝于主體結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)外框架上，與支撐掛鉤一一對(duì)應(yīng)，穩(wěn)固連接支撐掛鉤（圖5～圖7）。

圖5 平臺(tái)體系3D示意

圖6 平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)布置示意

圖7 支撐掛鉤節(jié)點(diǎn)示意

4 登高及操作平臺(tái)系統(tǒng)布置及典型使用方法

根據(jù)中國(guó)澳門(mén)沐梵世酒店鋼結(jié)構(gòu)外框的結(jié)構(gòu)形式，共需布置34套登高及操作平臺(tái)，包含30套正立面平臺(tái)、4套轉(zhuǎn)角平臺(tái)（圖8、圖9）。

圖8 登高及操作平臺(tái)平面布置示意

圖9 登高及操作平臺(tái)立面布置示意

登高及操作平臺(tái)典型使用流程如下。

1）使用塔吊將拼裝完成的登高及操作平臺(tái)吊裝至已經(jīng)完成的主結(jié)構(gòu)外框架上，并插入支撐連接件中。

2）操作人員通過(guò)移動(dòng)式斜爬梯到達(dá)登高及操作平臺(tái)上，鎖定支撐掛鉤，確定整體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)固后，解開(kāi)吊裝索具，準(zhǔn)備進(jìn)行外框架鋼柱或鋼斜撐安裝作業(yè)。

3）主結(jié)構(gòu)上一節(jié)外框架鋼結(jié)構(gòu)吊裝就位時(shí)，框架柱底部位置一組操作人員進(jìn)行安裝作業(yè)（鋼構(gòu)件對(duì)位及高強(qiáng)螺栓施擰），一位操作人員通過(guò)登高梯到達(dá)頂部解開(kāi)鋼構(gòu)件吊裝索具。

4）使用塔吊將登高及操作平臺(tái)吊提升一節(jié)外框架結(jié)構(gòu)柱的高度，為安裝下節(jié)柱做好準(zhǔn)備。

5）操作人員進(jìn)入已提升到位的登高及操作平臺(tái)，檢查支撐掛鉤及平臺(tái)體系整體安全性，鎖定掛鉤，并解開(kāi)吊裝索具。

5 登高及操作平臺(tái)系統(tǒng)計(jì)算分析

5.1 參考規(guī)范及荷載取值

本項(xiàng)目位于中國(guó)澳門(mén)特區(qū)，故計(jì)算時(shí)同時(shí)參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，中國(guó)香港特區(qū)相關(guān)規(guī)范《2011年鋼結(jié)構(gòu)作業(yè)守則》，中國(guó)澳門(mén)特區(qū)相關(guān)規(guī)范《屋宇結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)之安全及荷載規(guī)章》。

自重荷載：主要考慮爬梯自重。

風(fēng)荷載：設(shè)計(jì)風(fēng)壓按高度為130.08 m計(jì)算，風(fēng)力系數(shù)為2.0。

操作平臺(tái)荷載：考慮250 kg/m2的施工荷載及初步設(shè)計(jì)為1.8 t操作平臺(tái)的總重（平臺(tái)自重及部分材料堆放）。

5.2 登高及操作平臺(tái)截面選擇

登高及操作平臺(tái)爬梯的2根立桿采用槽鋼650 mm×500 mm×20 mm×15 mm雙拼，立桿之間連接的橫桿采用100 mm×50 mm×5 mm的矩形管和50 mm×50 mm×5 mm的方鋼管。

操作平臺(tái)主要由底架、側(cè)面欄桿、正面欄桿組成，底架主要由10#槽鋼、75 mm×75 mm×5 mm的方鋼管及40 mm×40 mm×3 mm的方鋼管組成，并鋪有3 mm厚的花紋鋼板，所有材質(zhì)皆為Q235B。支撐掛鉤利用銷軸連接到雙拼槽鋼上，翻腳支承在牛腿上，同時(shí)靠銷軸和擋軸共同作用，支撐掛鉤及牛腿材質(zhì)選用Q345，如圖10、圖11所示。

圖10 登高及操作平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式示意

圖11 支撐掛鉤示意

5.3 登高及操作平臺(tái)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)荷載形式，確定主受力構(gòu)件（爬梯立桿）受力簡(jiǎn)圖及計(jì)算模型，如圖12、圖13所示。

圖12 主受力構(gòu)件受力簡(jiǎn)圖及計(jì)算模型

圖13 操作平臺(tái)計(jì)算模型

5.4 主受力構(gòu)件受力簡(jiǎn)圖及計(jì)算模型

使用Midas軟件計(jì)算得出爬梯的變形為17 mm＜20.8 mm=10 380/500，應(yīng)力為24.5 MPa，滿足規(guī)范要求（圖14）。

圖14 主受力構(gòu)件計(jì)算結(jié)果示意

操作平臺(tái)最大應(yīng)力為61.7 MPa，底部操作平臺(tái)最大應(yīng)力為56.1 MPa，滿足要求（圖15）。

圖15 操作平臺(tái)計(jì)算結(jié)果

6 登高及操作平臺(tái)系統(tǒng)待改進(jìn)內(nèi)容

登高及操作平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷，是為了解決復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)外骨架安裝及高空施工問(wèn)題，設(shè)計(jì)中考慮使用塔吊作為登高及操作平臺(tái)系統(tǒng)的提升動(dòng)力來(lái)源。由于整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)外骨架安裝過(guò)程中共使用了34套登高及操作平臺(tái)，實(shí)際施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，每次系統(tǒng)提升過(guò)程占用塔吊時(shí)間稍長(zhǎng)，占用工地其他專業(yè)使用塔吊的時(shí)間，因而在以后其他類似工程中，可以考慮為登高及操作平臺(tái)系統(tǒng)添加機(jī)械或液壓自升設(shè)備，使其具有自主提升的能力，將更加高效地完成安裝作業(yè)。

7 結(jié)語(yǔ)

沐梵世酒店鋼結(jié)構(gòu)工程體型復(fù)雜，場(chǎng)地狹小，施工難度極大。在外部鋼結(jié)構(gòu)骨架施工過(guò)程中，如果采用常規(guī)腳手架搭設(shè)操作平臺(tái)將存在極大的安全隱患，同時(shí)工期難以保證。研發(fā)登高及操作平臺(tái)系統(tǒng)較好地解決了施工安全及施工便利性問(wèn)題，采用這一新穎的技術(shù)措施，取得了較好的效果。本工程順利展開(kāi)及完工所帶來(lái)的一些經(jīng)驗(yàn)，能給其他類似工程提供一定借鑒。