超高空單邊偏心桁架連廊施工技術(shù)

王永剛 蘇 鎧 李 鑫 黃 云 闕 榮 羅琦曦

1. 中國(guó)建筑第二工程局有限公司華南分公司 廣東 深圳 518048;

2. 中建二局陽(yáng)光智造有限公司 廣東 河源 517373

1 工程概況

深圳灣創(chuàng)新科技中心項(xiàng)目位于深圳市南山區(qū)高新產(chǎn)業(yè)基地，項(xiàng)目占地4萬(wàn) m2，總建筑面積48.4萬(wàn) m2，主要功能包括辦公、商業(yè)、公寓、車庫(kù)等。其中辦公研發(fā)樓包含A、B共2座塔樓，A塔建筑高度311.1 m，B塔建筑高度247.2 m，均采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，外框?yàn)閳A鋼管疊合柱，核心筒為勁性混凝土柱，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60，2棟辦公研發(fā)樓之間設(shè)有高低2道連廊，連廊總質(zhì)量1 233 t（圖1）。

圖1 建筑效果圖

2 連廊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

低區(qū)連廊位于6層（25.65 m）—9層（38.25 m）間，包括TR1、TR2和TR3共3榀桁架，長(zhǎng)度分別為57.8、40.5和32.7 m，桁架高12.6 m。TR1和TR3通過(guò)鋼梁連接構(gòu)成一個(gè)整體。低區(qū)連廊構(gòu)件截面為箱形和H形，鋼構(gòu)件最大截面為H1 000 mm×500 mm×20 mm×40 mm和□700 mm×500 mm×30 mm×50 mm，質(zhì)量約730.04 t。

高區(qū)連廊位于34層（145.950 m）—37層（158.650 m）間，包括TR4、TR5、TR6、TR7共4榀桁架，桁架TR4、TR5和TR6分別長(zhǎng)65.43、40.42和18.2 m，桁架高12.7m。高區(qū)連廊構(gòu)件截面為箱形和H形，最大截面H1 100 mm×700 mm×25 mm×60 mm和□600 mm×500 mm×40 mm×40 mm，質(zhì)量約719.68 t（圖2）。

圖2 連廊效果圖

3 施工方案對(duì)比及選擇

高區(qū)連廊最大懸空高達(dá)158.6 m，跨度較大，最大跨度達(dá)到65.43 m，連廊節(jié)點(diǎn)形式復(fù)雜，高、低區(qū)連廊在地面的投影存在重疊。高、低區(qū)連廊非純桁架結(jié)構(gòu)，而是以大桁架及大鋼梁為主受力的偏心結(jié)構(gòu)，高區(qū)連廊部分與塔樓連接處夾角為16°。本項(xiàng)目研究了3種常用施工方案[1-2]。

1）地面整體拼裝提升法：按照連廊在地面上的投影位置進(jìn)行放線，對(duì)地下室相應(yīng)位置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，然后在地面上先進(jìn)行高區(qū)連廊拼裝、整體提升，再進(jìn)行低區(qū)連廊的拼裝、整體提升。

2）懸臂法：在主體結(jié)構(gòu)與待安裝連廊連接處設(shè)置臨時(shí)支撐及加固桿件，直接利用塔吊從連廊桁架兩邊向中間逐步安裝構(gòu)件，直至連廊安裝完成。

3）桁架體系提升與散拼結(jié)合法：采用低區(qū)整體提升，高區(qū)只提桁架，鋼梁采用高空散裝的方式安裝，高區(qū)提升體劃分以桁架為主。

各施工方案優(yōu)、缺點(diǎn)對(duì)比如下：

1）地面整體拼裝提升法大量工作在地面完成，焊接質(zhì)量和拼裝精度容易控制。拼裝場(chǎng)地要求高，構(gòu)件高區(qū)連廊部分與塔樓連接處夾角為16°，吊點(diǎn)設(shè)置困難，高區(qū)連廊整體提升后影響低區(qū)連廊的施工。

2）懸臂法施工過(guò)程不受場(chǎng)地因素限制，無(wú)需對(duì)樓板進(jìn)行加固。焊接質(zhì)量和構(gòu)件安裝精度不易控制，施工周期較長(zhǎng)，高空作業(yè)多，危險(xiǎn)系數(shù)較高。

3）低區(qū)整體提升，高區(qū)桁架體系提升與散拼結(jié)合法，能合理劃分提升單元，避免了高區(qū)連廊整體提升失穩(wěn)現(xiàn)象，高區(qū)連廊提升后對(duì)低區(qū)連廊提升無(wú)影響。大量的拼裝、焊接、防火涂裝作業(yè)在地面完成，質(zhì)量容易保證。拼裝場(chǎng)地要求高，液壓提升次數(shù)增多，提升后高空對(duì)接過(guò)程測(cè)量要求嚴(yán)格。

高、低區(qū)連廊在空間上存在重疊，節(jié)點(diǎn)形式復(fù)雜，跨度較大，最大跨度達(dá)到65.43 m，高度較高，最高提升高度達(dá)145.95 m。高區(qū)連廊部分與塔樓連接處夾角為16°，吊點(diǎn)設(shè)置困難，整體提升難度較大。僅通過(guò)4榀桁架進(jìn)行連接會(huì)導(dǎo)致提升過(guò)程中重心不在中間，需要增加較多加固桿件組成臨時(shí)桁架避免出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。若采用整體提升的方式進(jìn)行施工會(huì)影響低區(qū)連廊的施工，若采用高空散拼的方式進(jìn)行施工，一方面焊接質(zhì)量和拼裝精度不能很好控制，另一方面危險(xiǎn)系數(shù)較高且施工周期較長(zhǎng)，還會(huì)影響后續(xù)油漆防火涂料等工序的施工。故如何安全、高效地進(jìn)行超高空單邊桁架連廊施工是本工程的重難點(diǎn)

綜合各施工方案的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮質(zhì)量、安全、工期及經(jīng)濟(jì)性，采用低區(qū)整體提升，高區(qū)桁架體系提升與散拼結(jié)合法安裝。

因A塔樓高311.1 m，B塔樓高247.2 m，且A、B塔樓基本為平行施工，A、B塔樓封頂不同步，且時(shí)間相差太遠(yuǎn)。若連廊待A、B封頂后再提升，則對(duì)項(xiàng)目工期影響較大。現(xiàn)通過(guò)對(duì)目前的沉降數(shù)據(jù)分析及通過(guò)采用Midas有限元軟件建模分析兩塔樓在封頂后及同時(shí)施工至43層時(shí)的沉降差值，結(jié)果為：A、B封頂后低區(qū)6—9層連廊區(qū)域沉降差值最大為1.44 mm，高區(qū)34—37層連廊區(qū)域沉降差值最大為5.02 mm。結(jié)構(gòu)施工完成43層時(shí)低區(qū)最大差值為2.69 mm，高區(qū)最大差值為8.48 mm。兩塔樓沉降差值小，并且塔樓實(shí)際沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，塔樓沉降穩(wěn)定，沉降速率小，因此選擇在43層結(jié)構(gòu)完成后開(kāi)始提升施工。

4 鋼結(jié)構(gòu)連廊關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 提升單元的劃分

高、低區(qū)連廊提升單元?jiǎng)澐秩鐖D3所示，共分為4個(gè)部分，分4次提升，其中低區(qū)為包括桁架和水平鋼梁在內(nèi)的整體結(jié)構(gòu)單元，高區(qū)為只提升桁架結(jié)構(gòu)，并且高區(qū)TR4和TR6為一起整體提升。低區(qū)連廊質(zhì)量為730 t，最大跨度57.8 m，最大提升高度25.65 m，高區(qū)連廊質(zhì)量為700 t，最大跨度65.43 m，最大提升高度145.95 m。

圖3 高、低區(qū)連廊提升單元?jiǎng)澐?/p>

在連廊提升過(guò)程中，提升吊點(diǎn)位置的設(shè)置應(yīng)盡量利用原結(jié)構(gòu)承載受力，根據(jù)高區(qū)連廊特點(diǎn)，在A塔樓高區(qū)西北角桁架TR4、TR7組成封閉的三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

同時(shí)，因TR4與塔樓夾角較小，連廊提升過(guò)程中正下方幕墻已安裝，連廊提升在垂直面上應(yīng)避開(kāi)，從而導(dǎo)致桁架預(yù)裝段懸挑長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，綜合考慮將桁架TR4、TR7組成的三角區(qū)域高空散拼。

4.2 提升單元地面拼裝

4.2.1 胎架設(shè)計(jì)及分布

高、低區(qū)連廊地面拼裝時(shí)采用型鋼作為拼裝胎架，型鋼規(guī)格為600 mm×200 mm×11 mm×17 mm。連廊的拼裝反力通過(guò)胎架傳遞到地下室混凝土柱上，少部分支撐點(diǎn)位于頂板混凝土大梁上，以將拼裝反力通過(guò)混凝土梁傳遞到柱上，從而避免破壞樓板面。

根據(jù)連廊拼裝反力（最大為622.06 kN）及胎架的長(zhǎng)度（最長(zhǎng)為13 456 mm），采用Midas有限元軟件模擬分析型鋼胎架的安全性及穩(wěn)定性，分析時(shí)取最不利工況分析（最大反力，最長(zhǎng)跨度下跨中受集中荷載工況），其中最大位移為17.47 mm，小于跨度的1/400，最大應(yīng)力比為0.9，小于1，均滿足要求。

4.2.2 連廊地面拼裝

鋼結(jié)構(gòu)連廊提升單元提升前，桁架兩端與主體結(jié)構(gòu)連接的部位均需設(shè)置預(yù)裝段，即主體結(jié)構(gòu)與桁架兩端弦桿和腹桿連接處深化鋼柱牛腿隨主體鋼柱安裝，提升單元就位后與預(yù)裝牛腿剛接。分段接口處節(jié)間的部分斜腹桿會(huì)影響桁架的提升就位，因此深化設(shè)計(jì)階段要根據(jù)提升安裝所需尺寸預(yù)留分段，在上下弦桿對(duì)接完成之后安裝。

低區(qū)提升單元為包括桁架和梁在內(nèi)的整體結(jié)構(gòu)單元，兩側(cè)桁架同時(shí)拼裝，桁架下弦拼裝完成后及時(shí)拼裝桁架間鋼梁，后再繼續(xù)向上拼裝桁架，同時(shí)及時(shí)拼裝桁架間鋼梁。桁架拼裝按跨中1/600起拱，以防下?lián)献冃芜^(guò)大。

4.3 連廊提升吊點(diǎn)布置

根據(jù)被提升連廊的結(jié)構(gòu)形式、桿件截面以及受力特點(diǎn)等因素，低區(qū)連體布置8個(gè)提升吊點(diǎn)，高區(qū)連體布置5個(gè)提升吊點(diǎn)（圖4）。

圖4 高、低區(qū)吊點(diǎn)設(shè)置示意

4.4 提升平臺(tái)設(shè)置

本項(xiàng)目連廊單元提升，根據(jù)提升平臺(tái)形式及尺寸不同，共分為4種提升平臺(tái)。其中低區(qū)吊點(diǎn)1、2、4、6，高區(qū)吊點(diǎn)2、3采用提升平臺(tái)1；低區(qū)吊點(diǎn)3、7，高區(qū)吊點(diǎn)4、5采用提升平臺(tái)2；高區(qū)吊點(diǎn)1采用提升平臺(tái)3；低區(qū)吊點(diǎn)5、8采用提升平臺(tái)4。平臺(tái)分別設(shè)置在10層及38層板面標(biāo)高位置。

提升平臺(tái)1、2、4利用主體外框柱設(shè)置，提升平臺(tái)鋼梁與主體外框鋼柱正交焊接，斜撐兩端分別與提升梁和桁架上弦桿預(yù)裝，提升梁規(guī)格均為B500 mm×350 mm×20 mm，斜撐規(guī)格為B350 mm×350 mm×20 mm，材質(zhì)為Q345B。提升平臺(tái)組成各桿件間均為剛接（圖5～圖7）。

圖5 提升平臺(tái)1

圖6 提升平臺(tái)2

圖7 提升平臺(tái)4

提升平臺(tái)3，鋼梁規(guī)格為B400 mm×350 mm×20 mm，斜撐、立柱規(guī)格為B350 mm×350 mm×20 mm，拉桿規(guī)格為H250 mm×250 mm×9 mm×14 mm，材質(zhì)均為Q345B。提升平臺(tái)組成各桿件之間均采用剛接（圖8）。

圖8 提升平臺(tái)3

4.5 提升施工流程

第1步：在地下室頂面拼裝高區(qū)提升單元，利用主體結(jié)構(gòu)鋼柱及牛腿設(shè)置提升平臺(tái)措施，對(duì)應(yīng)提升單元設(shè)置臨時(shí)下吊具，安裝液壓提升系統(tǒng)。

第2步：調(diào)試液壓提升系統(tǒng)，將高區(qū)連廊提升到158.65 m后暫停提升，利用塔吊吊裝剩余桿件。

第3步：高區(qū)結(jié)構(gòu)形成整體受力后，液壓提升器卸載，提升設(shè)備移至低區(qū)，在地下室頂面拼裝低區(qū)提升單元。

第4步：調(diào)試液壓提升系統(tǒng)，將低區(qū)連廊提升到38.25 m后暫停提升，利用塔吊吊裝剩余桿件，焊縫探傷合格后，卸載并拆除提升設(shè)備及臨時(shí)措施。至此，高、低區(qū)連廊安裝完成。

連廊提升到位，調(diào)整對(duì)接精度后，立即采用塔吊安裝桁架后裝段，安裝順序?yàn)殍旒苌?、下弦就位后同時(shí)安裝焊接，后安裝中間水平桿，最后安裝桁架斜腹桿。因高、低區(qū)連廊在空間投影上交錯(cuò)重疊，高區(qū)會(huì)阻擋低區(qū)后補(bǔ)鋼梁的安裝，因此高區(qū)水平鋼梁在低區(qū)后補(bǔ)鋼梁安裝完成后再采用塔吊安裝。

5 施工階段力學(xué)分析

在連廊提升前，采用Midas有限元軟件模擬分析，以找出應(yīng)力應(yīng)變較大部位，采取加強(qiáng)措施；在連廊單元提升過(guò)程中，采用無(wú)線振弦應(yīng)變采集系統(tǒng)對(duì)被提升連廊單元的主要受力構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，確保提升過(guò)程應(yīng)力和變形在可控范圍內(nèi)。

施工過(guò)程中，安排專人對(duì)高、低區(qū)鋼結(jié)構(gòu)連廊提升過(guò)程的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，并做好記錄。高區(qū)連廊提升時(shí)，被提升單元跨中變形最大值為11.2 mm，卸載與補(bǔ)桿階段最大變形為16.9 mm；低區(qū)連廊桁架提升時(shí)，被提升單元跨中變形最大值為15.8 mm，卸載與補(bǔ)桿階段最大變形為15.8 mm。變形參數(shù)與模擬分析結(jié)果基本一致。

6 結(jié)語(yǔ)

高區(qū)連廊最大懸空高達(dá)158.6 m，跨度較大，最大跨度達(dá)到65.43 m，連廊節(jié)點(diǎn)形式復(fù)雜，高、低區(qū)連廊在地面的投影存在重疊。高、低區(qū)連廊非純桁架結(jié)構(gòu)，而是以大桁架及大鋼梁為主受力的偏心結(jié)構(gòu)，高區(qū)連廊部分與塔樓連接處夾角為16°，施工過(guò)程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，施工難度大。

本文根據(jù)連廊特點(diǎn)制訂了最佳施工方案，實(shí)現(xiàn)連廊高空提升單元和高空散拼段精確定位，降低了高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高了安裝精度。通過(guò)有限元軟件進(jìn)行連廊拼裝、提升等各階段的施工過(guò)程模擬分析，明確了連廊施工各階段結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布情況，保障了施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力安全及施工質(zhì)量。