雙塔高層鋼拱連體結(jié)構(gòu)的安裝施工

李今興 王 勇

1. 杭州雙塔置業(yè)有限公司 浙江 杭州 310013；2. 杭州宋都房地產(chǎn)集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 310013

大跨度鋼拱結(jié)構(gòu)在市政橋梁工程項(xiàng)目中應(yīng)用較為廣泛，在民用建筑中主要應(yīng)用于一些體育建筑，如文獻(xiàn)[1]中采用的步進(jìn)式頂推滑移施工方法。

本文重點(diǎn)介紹了在民用雙塔高層建筑間設(shè)置鋼拱連橋的施工方案，通過(guò)綜合比較和施工模擬分析，創(chuàng)新性采用了地面低空拼裝、旋轉(zhuǎn)起扳提升、高空嵌補(bǔ)連接的方式，目前該鋼拱連橋已完成結(jié)構(gòu)施工，從實(shí)際實(shí)施效果來(lái)看，工期得到了有效控制，綜合成本得到了有效節(jié)約。

1 工程概況

杭州之門(mén)項(xiàng)目位于杭州市蕭山區(qū)錢(qián)江世紀(jì)城，為辦公樓、酒店及商業(yè)等一體的綜合大型項(xiàng)目，如圖1所示，用地面積約77 572 m2，總建筑面積約為513 226 m2。項(xiàng)目包括2幢高302.6 m的對(duì)稱塔樓，塔樓地上63層，地下室3層，總建筑面積約513 226 m2，其中地上建筑面積約359 454 m2，地下建筑面積約153 772 m2。

圖1 杭州之門(mén)項(xiàng)目總體效果圖

雙塔間在底部設(shè)有跨度約60 m、高約22 m的鋼拱連橋，連橋上方設(shè)有懸垂屋面體系。連橋與塔樓在±0 m層以上通過(guò)伸縮縫完全脫開(kāi)，懸垂屋面從雙塔21層的懸挑鋼桁架端部挑出，懸垂屋面與鋼拱連橋間沒(méi)有豎向約束，豎向變形相互不影響。鋼拱連橋包括底層鋼拱結(jié)構(gòu)層、拱上柱梁結(jié)構(gòu)、6層型鋼桁架結(jié)構(gòu)。底部為6榀鋼拱桿件，采用連接桿連接，拱上柱梁為H型鋼構(gòu)件，拱頂標(biāo)高以上設(shè)有5層鋼結(jié)構(gòu)樓面，樓面上支撐有6層鋼結(jié)構(gòu)屋面結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 鋼拱連橋施工單元?jiǎng)澐质疽?/p>

2 鋼結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)和難點(diǎn)

本工程鋼拱連橋造型獨(dú)特新穎，結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，制作和安裝的精度要求高。且焊接構(gòu)件采用了大量中厚板材，厚板的焊接質(zhì)量對(duì)本工程有直接的影響，確保高強(qiáng)鋼厚板焊接質(zhì)量是本工程的重點(diǎn)之一。鋼拱結(jié)構(gòu)采用地面低空拼裝，旋轉(zhuǎn)提升過(guò)程中的鋼拱及節(jié)點(diǎn)受力需要進(jìn)行全過(guò)程模擬計(jì)算。旋轉(zhuǎn)提升后在鋼拱中間部位進(jìn)行高空焊接嵌補(bǔ)合攏，施工測(cè)量精度要求高，且施工時(shí)必須以合理的施工工序并選擇合適的氣候環(huán)境對(duì)變形予以控制，以減少鋼拱產(chǎn)生的次應(yīng)力。每2榀鋼拱合攏完成后需要安裝橫向連接桿件將兩整榀鋼拱形成穩(wěn)固單元，并需通過(guò)計(jì)算模擬來(lái)判定內(nèi)力轉(zhuǎn)換過(guò)程中結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐的安全性和穩(wěn)定性。

3 施工方案的確定及計(jì)算模擬分析

本項(xiàng)目的鋼拱連橋平面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 6榀鋼拱及提升支撐架平面布置

根據(jù)本項(xiàng)目鋼拱連橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工期控制要求確定對(duì)6榀鋼拱分別分2段進(jìn)行地面低空拼裝，并在半榀鋼拱的塔樓根部一端設(shè)置轉(zhuǎn)軸，另一端設(shè)置高空塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支撐架，支撐架上端設(shè)置提升設(shè)備。待每半榀鋼拱拼裝完成后，采用提升設(shè)備將鋼拱旋轉(zhuǎn)起扳提升至鋼拱安裝的高度位置，如圖4所示。待2個(gè)半榀鋼拱均采用同樣方法提升至安裝位置后，對(duì)鋼拱最中間的一支后裝段進(jìn)行嵌補(bǔ)安裝，鋼拱最大提升質(zhì)量64 t。待相鄰兩整榀鋼拱均按照此施工方法完成安裝后，將兩整榀鋼拱之間的橫向連接桿件進(jìn)行安裝，以便使兩整榀鋼拱形成穩(wěn)固單元，南側(cè)2榀和北側(cè)2榀鋼拱均按此方法進(jìn)行安裝。對(duì)于中間2榀鋼拱，由于起扳提升行程相同，對(duì)其采取同步提升的方法進(jìn)行施工，拼裝方法與其他4榀鋼拱相同，起扳提升時(shí)同側(cè)的2個(gè)半榀鋼拱同時(shí)起扳提升。待6榀鋼拱構(gòu)件均安裝完成后，依次安裝鋼拱上方3—5層的立柱和樓層梁，最后進(jìn)行6層17榀型鋼桁架的安裝。為驗(yàn)證該施工方案的安全性和穩(wěn)定性，采用有限元軟件對(duì)鋼拱的旋轉(zhuǎn)起扳提升結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形等受力狀況進(jìn)行了綜合分析，計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖4 1/2結(jié)構(gòu)即半榀鋼拱起扳提升模型

圖5 起扳提升開(kāi)始狀態(tài)拱肋應(yīng)力變形

圖6 起扳提升結(jié)束狀態(tài)拱肋應(yīng)力變形

起扳提升開(kāi)始時(shí)，拱梁最大應(yīng)力比為0.21＜1.00，結(jié)構(gòu)懸挑端最大豎向變形為37 mm，為懸挑長(zhǎng)度的1/378，小于1/200，均滿足規(guī)范要求。為驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)起扳提升塔架的安全性和穩(wěn)定性，采用有限元軟件對(duì)支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元仿真分析，計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 支承塔架應(yīng)力分布

圖8 支承塔架變形分布

起扳提升時(shí)，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.97＜1.00，支架頂部最大水平變形為210 mm，其高度約為23 000 mm，變形為高度的1/110，滿足規(guī)范要求。

為驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)鉸接點(diǎn)的應(yīng)力情況，采用了Ansys軟件對(duì)局部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)建模，并根據(jù)旋轉(zhuǎn)起扳過(guò)程中產(chǎn)生的最大節(jié)點(diǎn)力分析應(yīng)力和變形等受力狀況，如圖9所示。

圖9 旋轉(zhuǎn)鉸接點(diǎn)應(yīng)力和位移云圖

根據(jù)以上結(jié)果可知，節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為53 MPa＜295 MPa，最大變形為0.2 mm。結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均滿足要求。

根據(jù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)、支承塔架及旋轉(zhuǎn)鉸接點(diǎn)的有限元模擬計(jì)算，提升過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力和變形均在可控范圍之內(nèi)，滿足施工過(guò)程中安全性和穩(wěn)定性要求，且施工過(guò)程中對(duì)鋼拱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次應(yīng)力對(duì)原設(shè)計(jì)的影響基本可以忽略不計(jì)。

4 主要施工技術(shù)

4.1 鋼拱連橋構(gòu)件的分段

為了保證構(gòu)件質(zhì)量滿足塔吊額定荷載，以及保證構(gòu)件長(zhǎng)度滿足運(yùn)輸要求，需對(duì)鋼拱連橋的箱形鋼拱桿件、鋼拱上方立柱、鋼拱端部立柱以及鋼拱6層桁架進(jìn)行分段。

4.2 鋼拱構(gòu)件安裝工藝流程

鋼拱分段拼裝及旋轉(zhuǎn)起扳提升安裝的主要施工工藝流程如圖10所示。先搭設(shè)先拼裝的半榀鋼拱的高空提升支撐架，在鋼拱兩側(cè)各設(shè)1個(gè)支撐架，在2個(gè)支撐架上端設(shè)置提升橫梁，在橫梁上安裝提升設(shè)備（支撐架高度高出鋼拱的就位高度，支撐架高度22.400 m，鋼拱高度 20.225 m）。

圖10 鋼拱桿件地面低空安裝流程

采用提升設(shè)備將先拼裝的半榀鋼拱旋轉(zhuǎn)起扳提升至安裝高度，同步可以將后拼裝的半榀鋼拱的端部剩余桿件拼裝完成，如圖11所示。再按照先拼裝的半榀鋼拱的操作流程，搭設(shè)后拼裝的半榀鋼拱的高空提升支撐架，在鋼拱兩側(cè)各設(shè)1個(gè)支撐架，在2個(gè)支撐架上端設(shè)置提升橫梁，在橫梁上安裝提升設(shè)備（支撐架高度高出鋼拱的就位高度，支撐架高度22.400 m，鋼拱高度20.225 m）。

圖11 左側(cè)鋼拱旋轉(zhuǎn)起扳提升安裝流程

采用提升設(shè)備將后拼裝的半榀鋼拱同樣旋轉(zhuǎn)提升至安裝高度，如圖12所示。

圖12 右側(cè)鋼拱旋轉(zhuǎn)起扳提升安裝流程

最后吊裝2個(gè)半榀鋼拱中間的嵌補(bǔ)段鋼拱桿件，整榀鋼拱的拼裝和安裝過(guò)程均按照設(shè)計(jì)圖紙要求的起拱值進(jìn)行起拱，至此整榀鋼拱安裝完成，如圖13所示。

圖13 中間嵌補(bǔ)段安裝流程圖

6榀鋼拱中，TB-G軸、TB-F軸南側(cè)2榀鋼拱與TB-A軸、TB-B軸北側(cè)2榀鋼拱均為箱形鋼拱桿件，TB-E軸、TB-C軸中間2榀為H形的鋼拱桿件。先將中間2榀提升行程相同的鋼拱同步完成提升安裝，然后再對(duì)南側(cè)、北兩側(cè)剩余的4榀鋼拱分別進(jìn)行提升安裝。

4.3 鋼拱拼裝測(cè)量校正

鋼拱橋構(gòu)件的拼裝與常規(guī)結(jié)構(gòu)鋼梁的拼裝測(cè)量方法相同，即根據(jù)每段鋼拱桿件端部的坐標(biāo)對(duì)其進(jìn)行拼裝定位測(cè)量。拼裝測(cè)量工作主要包括以下方面：坐標(biāo)提取、確定支撐柱高度、桿件坐標(biāo)調(diào)整校正、拼裝桿件定位。

5 結(jié)語(yǔ)

在本項(xiàng)目雙塔高層建筑中間的鋼拱連橋施工中，通過(guò)合理地采用地面低空拼裝、旋轉(zhuǎn)起扳提升、高空嵌補(bǔ)連接的方式，相比常規(guī)的滿堂腳手架方案，在工期控制上節(jié)約1/3以上工期，工程造價(jià)節(jié)約60萬(wàn)元。