超高層建筑爬模施工及管理技術(shù)

金和卯，周裕桂，劉福生，石 泰，王 衛(wèi)，劉 昱，羅 鳴

(1.中建五局華南建設(shè)有限公司，廣東 深圳 518000； 2.北京市建筑工程研究院有限責(zé)任公司，北京 100039)

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)超高層建筑應(yīng)用越來(lái)越多，我國(guó)已成為世界上擁有超高層建筑最多的國(guó)家，在該領(lǐng)域總體達(dá)到世界領(lǐng)先水平[1]。在超高層建筑結(jié)構(gòu)中，框架-核心筒結(jié)構(gòu)兼具框架結(jié)構(gòu)靈活、延性好，核心筒剪力墻強(qiáng)度與剛度大的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用[2]。超高層核心筒剪力墻常采用爬模體系施工，通過(guò)液壓爬模的自爬升和模板支撐功能，為超高層核心筒施工提供支持。

在超高層核心筒液壓爬模施工中，塔式起重機(jī)存在空間沖突碰撞、爬升距離大、核心筒平立面變化大、安全防護(hù)要求高等困難，對(duì)爬模作業(yè)提出挑戰(zhàn)[3]。

在以往研究中，常結(jié)合具體項(xiàng)目，探討爬模變截面爬升[4]、爬模平面拆改作業(yè)[5]、爬模結(jié)合布料機(jī)施工[6]等問(wèn)題。但超高層建筑復(fù)雜多變，爬模施工中遇到的問(wèn)題不止上述研究。以華南地區(qū)某超高層工程為例，針對(duì)超高層爬模施工過(guò)程中常見(jiàn)的塔式起重機(jī)配合施工、布料機(jī)結(jié)合施工、變截面爬升、爬模拆改、爬模架體抗風(fēng)拉結(jié)、輔助爬升、綠色施工和安全防護(hù)等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行較全面的分析。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)類(lèi)型為鋼筋混凝土核心筒+鋼結(jié)構(gòu)外框形式，地上59層，最大結(jié)構(gòu)高約286m。核心筒外墻和電梯井采用液壓爬模方式進(jìn)行施工，核心筒內(nèi)水平結(jié)構(gòu)同步施工，外框鋼結(jié)構(gòu)滯后施工。

該項(xiàng)目平立面變化較大，存在平面結(jié)構(gòu)內(nèi)收與立面墻厚收縮量較大的特點(diǎn)；層高較高，且層高變化較大，核心筒標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.5，4.0m，非標(biāo)準(zhǔn)層最高為5.9m；同時(shí)，52，53層為伸臂桁架層，相關(guān)部位需要預(yù)留牛腿。

1.2 液壓爬模概況

將液壓爬模應(yīng)用于核心筒第4～59層結(jié)構(gòu)施工，爬模最大爬升高度為279.88m。本項(xiàng)目共設(shè)置13組爬模架體，51個(gè)機(jī)位，其中外墻設(shè)置第1～6組架體，電梯井設(shè)置第7～13組架體。架體間采用工字鋼連接，并用U形螺栓固定，以保證架體強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及整體性。標(biāo)準(zhǔn)層液壓爬模架體布置如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層爬模布置

核心筒外墻統(tǒng)一采用鋁合金模板施工，將相應(yīng)鋁合金模板吊入外墻爬模架模板支撐體系，安裝后隨架體同時(shí)爬升，節(jié)省塔式起重機(jī)吊運(yùn)模板次數(shù)，同時(shí)架體頂層可堆放物料，最上層平臺(tái)可承載物料為400kg/m2，滿足整層鋼筋堆放及使用要求，解決勞動(dòng)力、機(jī)械設(shè)備、生產(chǎn)材料使用和調(diào)配制約等問(wèn)題。

爬模架體共設(shè)6層操作平臺(tái)，上2層為綁筋操作平臺(tái)，可借助此2層平臺(tái)綁扎鋼筋；中間2層為鋁合金模板操作平臺(tái)，可在此平臺(tái)上完成合模、拆模、清理模板等工作；下層為爬升操作平臺(tái)；最底層為拆卸清理維護(hù)平臺(tái)，主要用于拆除上道爬模附墻支座。爬模通過(guò)封模層下部1.2m處的穿墻螺桿式固定支座附著于墻體上。當(dāng)墻體混凝土達(dá)到脫模要求后，將鋁合金模板退出600～1 000mm，便于清理模板。核心筒爬模架立面如圖2所示。

圖2 爬模架立面示意

2 核心筒液壓爬模設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

2.1 液壓爬模與動(dòng)臂塔式起重機(jī)結(jié)合施工

在核心筒外布置2臺(tái)外掛式動(dòng)臂塔式起重機(jī)，在核心筒南北各設(shè)置1臺(tái)。為保持外墻爬模整體性，在塔身周?chē)惭b液壓爬模，使爬模沿外墻圍成1圈，周身連成整體。

動(dòng)臂塔式起重機(jī)與外墻爬模均布置在核心筒外，隨施工進(jìn)度豎向提升。為避免爬模機(jī)位與動(dòng)臂塔式起重機(jī)外掛架相互干涉，提前模擬爬模爬升與塔式起重機(jī)頂升施工，確定兩者施工配合規(guī)則如下：在塔式起重機(jī)爬升區(qū)間內(nèi)，首先使爬架最底部高于塔式起重機(jī)外掛架，然后在保證爬架最頂端不碰撞塔式起重機(jī)平衡臂及配重的前提下，控制爬模爬升至指定位置，隨后安裝塔式起重機(jī)上層外掛架，最后頂升塔式起重機(jī)至下一區(qū)間并重復(fù)上述過(guò)程。

2.2 液壓爬模與布料機(jī)結(jié)合施工

核心筒內(nèi)采用2臺(tái)布料機(jī)澆筑混凝土。隨著核心筒高度逐漸增加，布料機(jī)同步提升，為此，結(jié)合布料機(jī)與核心筒電梯井內(nèi)爬模，布料機(jī)通過(guò)特殊鋼支架進(jìn)行固定，隨爬模一起爬升。

設(shè)置2臺(tái)HGY21型混凝土布料機(jī)，每臺(tái)布料機(jī)通過(guò)鋼梁與2組爬模頂層平臺(tái)連接，在爬模頂層形成大平臺(tái)，2組架體只允許攜帶布料機(jī)，嚴(yán)禁任何其他堆載。1臺(tái)布料機(jī)布置在7，8組架體上，另一臺(tái)布料機(jī)布置在12，13組架體上。

HGY21型混凝土布料機(jī)技術(shù)參數(shù)如下：半徑為21m，回轉(zhuǎn)范圍為360°，液壓系統(tǒng)壓力為22MPa，采用支腿式安裝法，支腿跨距為4.5m×4.5m，設(shè)備重4 920kg，配重為3 000kg。

布料機(jī)自重荷載較大，施工時(shí)受力情況復(fù)雜，需要校核布料機(jī)下方爬模架體的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。其中北側(cè)電梯井爬模尺寸為6 735mm×9 870mm，南側(cè)電梯井爬模尺寸為5 750mm×9 730mm，北側(cè)架體機(jī)位間距更大，受力情況更加不利，故選取北側(cè)架體進(jìn)行驗(yàn)算。

當(dāng)布料機(jī)工作時(shí)，由于布料機(jī)臂架工作方向變化，下方4條支腿受力將產(chǎn)生變化。在最不利工況下，布料機(jī)前部支腿受力達(dá)71.3kN，中間2條支腿受力為10.3kN，后部支腿受力為0。

在最不利工況下，通過(guò)有限元軟件計(jì)算得到架體所受最大應(yīng)力為174.3MPa，位于架體主梁頭及上架體連接橫梁部分，未超過(guò)架體材料屈服強(qiáng)度235MPa，加之應(yīng)力超過(guò)區(qū)域面積較小，架體強(qiáng)度滿足施工要求。架體最大位移為6.42mm，位于爬模頂層平臺(tái)橫梁位置。根據(jù)JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[7]，爬模主梁最大變形限制為計(jì)算跨度的1/500，即19.7mm，故架體變形滿足要求。

布料機(jī)與爬模結(jié)合的施工要點(diǎn)是保證布料機(jī)與爬模連接牢固，防止混凝土澆筑過(guò)程中布料機(jī)移位，同時(shí)嚴(yán)格控制爬模上除布料機(jī)外無(wú)多余荷載。澆筑混凝土?xí)r，現(xiàn)場(chǎng)人員時(shí)刻觀察布料機(jī)、爬架形態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)明顯變形、過(guò)大振動(dòng)等情況，及時(shí)終止施工操作，將布料機(jī)吊離爬架，待查明原因并處理完畢后再進(jìn)行施工作業(yè)。

2.3 上架體抗風(fēng)設(shè)計(jì)及措施

爬模上部4層架體高度為10.1m，通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接下架體，屬于懸臂結(jié)構(gòu)。為減少風(fēng)荷載對(duì)上架體的影響，采取上架體拉結(jié)加強(qiáng)措施。

在核心筒內(nèi)澆筑混凝土?xí)r，在連梁頂部用鋼管預(yù)留地錨，架體爬升完畢后用鋼管將爬模上架體與連梁位置的結(jié)構(gòu)地錨進(jìn)行剛性拉結(jié)；對(duì)于結(jié)構(gòu)連梁分布較少的墻體，將爬模上架體與核心筒勁性鋼柱進(jìn)行拉結(jié)；在爬模上2層拐角架體斷開(kāi)處，使用鋼管將拐角兩側(cè)上層架進(jìn)行焊接拉結(jié)，將整個(gè)爬模上架體拉結(jié)為整體。若遇到變截面斜爬時(shí)，割除架體拐角處的焊接拉結(jié)。

為驗(yàn)證風(fēng)荷載對(duì)架體的影響，采用有限元軟件對(duì)14級(jí)風(fēng)力下，核心筒外墻爬模架體拉結(jié)工況進(jìn)行有限元模擬。得到架體最大應(yīng)力為200MPa，未超過(guò)架體材料屈服強(qiáng)度，且應(yīng)力超過(guò)區(qū)域面積較小，架體強(qiáng)度滿足施工要求。架體最大位移為11.55mm，位于模板支架層，符合《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》需求。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 上架體抗風(fēng)拉結(jié)云圖

2.4 結(jié)構(gòu)變化與爬模施工

2.4.1爬模變截面斜爬

隨著核心筒結(jié)構(gòu)升高，核心筒第11，22，33，54層外墻厚度發(fā)生收縮，收縮值分別為150，150，200，250mm，墻體截面收縮影響爬模爬升。

為保障爬模順利爬升，在變截面樓層附墻裝置處設(shè)置墊板，墊板厚度為截面變化厚度減去50mm。變截面爬升時(shí)，先在上層安裝墊板及附墻裝置，檢測(cè)爬升層墻體強(qiáng)度達(dá)15MPa，然后操作電控按鈕爬升導(dǎo)軌，當(dāng)導(dǎo)軌快爬升至上層附墻裝置前，調(diào)節(jié)下架體的調(diào)節(jié)支腿，使導(dǎo)軌向內(nèi)傾斜，進(jìn)而爬升入位；導(dǎo)軌入位后，爬升架體，完成變截面爬升。

爬模爬升過(guò)程中的核心問(wèn)題是導(dǎo)軌正常入位，只有導(dǎo)軌正常爬升至上層附墻裝置處，才能使架體爬升過(guò)程中的受力通過(guò)導(dǎo)軌順利傳遞到附墻裝置。因此，變截面斜爬時(shí)需要關(guān)注導(dǎo)軌是否正常下壓到頂層附墻裝置的承力塊上。爬模每次爬升可消化50mm的變截面尺寸，以此類(lèi)推，150mm變截面經(jīng)過(guò)3次斜爬后，架體恢復(fù)為正常爬升狀態(tài)。爬模斜爬時(shí)需向外側(cè)移動(dòng)架體拐角處護(hù)網(wǎng)，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)外墻收縮，轉(zhuǎn)角處平臺(tái)板需進(jìn)行局部切割處理。

2.4.2爬模平面拆改

本工程建筑結(jié)構(gòu)形式變化較大，超過(guò)44層后，東側(cè)核心筒結(jié)構(gòu)內(nèi)收，相應(yīng)爬模需進(jìn)行拆改，保留并調(diào)整8～10號(hào)機(jī)位位置，將11～13號(hào)機(jī)位進(jìn)行退場(chǎng)處理。拆除步驟如下：清理架體→拆除鋼板網(wǎng)→整體拆除上架體→整體拆除模板支撐架→拆除導(dǎo)軌→拆除液壓電控系統(tǒng)→整體拆除下架體。安裝步驟如下：安裝下架體→安裝模板支撐架→安裝上架體→安裝爬模防護(hù)網(wǎng)→驗(yàn)收使用。

2.4.3伸臂桁架層爬模施工

在52，53層設(shè)置伸臂桁架層，核心筒結(jié)構(gòu)需預(yù)留8根牛腿。按照最長(zhǎng)牛腿考慮，52層的每根牛腿長(zhǎng)1 200mm，與爬模次梁和平臺(tái)板在平面位置上沖突，爬模需進(jìn)行拆改，步驟如下：①確定牛腿與爬模沖突部位，割除沖突部分的平臺(tái)板，割除部位做臨邊防護(hù)；②在需要切割的平臺(tái)梁兩側(cè)設(shè)置支撐加固后，割除牛腿沖突部位的平臺(tái)梁；③使爬模架體爬升通過(guò)牛腿；④爬升通過(guò)后及時(shí)焊接次梁及平臺(tái)板，在次梁斷口位置采用四面貼板滿焊的形式重新進(jìn)行焊接。

2.5 核心筒液壓爬模施工措施

2.5.1輔助墻體

爬模10號(hào)機(jī)位于第37，38層，由于剪力墻局部縮短，附著位置變?yōu)槎纯冢柙诖颂庍B梁下部設(shè)置輔助墻體(經(jīng)濟(jì)性較好)，以滿足爬模附墻裝置的安裝需求。

輔助墻體寬800mm、高950mm，厚度同剪力墻厚。在輔助墻體下方設(shè)置支撐桿，當(dāng)架體爬升后，墻垛不受力時(shí)進(jìn)行拆除。輔助墻體如圖4所示。

圖4 10號(hào)機(jī)位第37，38層輔助墻體

2.5.2爬模點(diǎn)位預(yù)埋

預(yù)埋套管是爬模架安裝及爬升的關(guān)鍵。在上層墻體綁扎鋼筋時(shí)預(yù)埋穿墻套管，用于安裝附墻裝置的穿墻螺栓，預(yù)埋時(shí)使用鋼筋焊接定位，防止?jié)仓炷習(xí)r跑偏。根據(jù)JGJ/T 195—2018《液壓爬升模板工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[8]，預(yù)埋套管偏差需嚴(yán)格控制在±5mm內(nèi)，若預(yù)埋位置偏差較大，應(yīng)采用水鉆開(kāi)孔，進(jìn)行修正定位。

2.5.3作業(yè)荷載控制

核心筒外墻爬模施工需嚴(yán)格控制施工荷載。爬模架平臺(tái)最頂層施工荷載為4kN/m2，動(dòng)臂塔式起重機(jī)處施工荷載為2kN/m2，機(jī)位間距5m以上頂層平臺(tái)限載為1kN/m2，懸挑部位限載為1kN/m2，爬模主平臺(tái)(上數(shù)第4層)施工荷載為1kN/m2，其余平臺(tái)嚴(yán)禁堆載、超載，架體懸挑位置頂層平臺(tái)禁止堆料[9-10]。爬模頂層平臺(tái)限載如圖5所示。

圖5 爬模頂層平臺(tái)限載

2.5.4混凝土噴淋系統(tǒng)

在核心筒外墻設(shè)置混凝土噴淋系統(tǒng)，用于養(yǎng)護(hù)外墻混凝土。爬模混凝土保養(yǎng)用水管道在爬模第2層綁筋平臺(tái)下口及主平臺(tái)下口各設(shè)置1道，距墻面450mm[11]。主管道采用φ32 PVC水管，設(shè)置噴霧可調(diào)水龍頭，間距1.2m，每組爬架間采用軟管連接，當(dāng)爬架爬升時(shí)拆開(kāi)接頭，爬升后再連接使用。噴淋系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 混凝土噴淋系統(tǒng)

3 核心筒液壓爬模安全管理

爬模架體與核心筒結(jié)構(gòu)間設(shè)置200mm空隙，以保證架體爬升時(shí)不碰撞核心筒結(jié)構(gòu)。為防止物料、人員等從空隙處墜落，在架體與結(jié)構(gòu)、架體與架體間設(shè)置翻板。施工時(shí)封閉翻板，爬升時(shí)打開(kāi)翻板。

液壓爬模體系的第3,4層為鋁合金模板支撐層，將核心筒外墻鋁合金模板吊入爬模支撐體系，安裝后外墻鋁合金模板可隨架體同時(shí)爬升。由于液壓爬模體系第3層平臺(tái)需考慮退模距離，故此層通道較窄，在鋁合金模板合模階段無(wú)法借助此平臺(tái)加固模板。針對(duì)此特點(diǎn)應(yīng)先優(yōu)化液壓爬模體系，在此層平臺(tái)靠近模板位置設(shè)置翻折平臺(tái)，當(dāng)模板合模時(shí)打開(kāi)翻折平臺(tái)進(jìn)行操作，開(kāi)模時(shí)，收起翻折平臺(tái)，以保證有足夠的退模距離。

4 結(jié)語(yǔ)

1)爬模與塔式起重機(jī)同時(shí)作業(yè)時(shí)，應(yīng)提前做好爬升模擬，始終保持爬模機(jī)位高于塔式起重機(jī)外掛架，且低于塔式起重機(jī)上部結(jié)構(gòu)，保證兩者不發(fā)生沖突。

2)結(jié)合布料機(jī)與核心筒電梯井內(nèi)爬模技術(shù)，隨爬模同步爬升，可加快施工效率，通過(guò)計(jì)算論證爬模攜帶布料機(jī)的安全性。

3)通過(guò)設(shè)置爬模架體，使結(jié)構(gòu)與架體相互拉結(jié)，經(jīng)抗風(fēng)計(jì)算，爬模架體可抵抗14級(jí)大風(fēng)，有效保證爬模使用過(guò)程安全。

4)當(dāng)墻體截面尺寸變化較大時(shí)，可通過(guò)加設(shè)墊塊、調(diào)節(jié)支腿等方式使架體傾斜上爬，逐層消化變截面尺寸。

5)當(dāng)結(jié)構(gòu)墻體尺寸發(fā)生變化或出現(xiàn)外伸牛腿時(shí)，可通過(guò)設(shè)置輔助墻體或拆改局部架體等方式，保證架體順利爬升。

6)通過(guò)在爬模上安裝翻板、翻折平臺(tái)，保證鋼筋綁扎和模板施工時(shí)的作業(yè)安全。通過(guò)安裝噴淋系統(tǒng)，便于混凝土養(yǎng)護(hù)和作業(yè)面的文明施工。