異形大跨度鋼結(jié)構(gòu)整體疊層拼裝及分層整體提升技術(shù)研究

異形大跨度鋼結(jié)構(gòu)整體疊層拼裝及分層整體提升技術(shù)研究

0多層大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)必要性隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，各種大型公建工程在用大寫(xiě)字母中的使用越來(lái)越多。隨著公共審美標(biāo)準(zhǔn)的提高，建筑結(jié)構(gòu)形式不斷變化。伴隨著大型鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展，我國(guó)的設(shè)計(jì)、建造水平也持續(xù)提高。不同場(chǎng)館的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，在施工過(guò)程中所使用的施工方法也不同。結(jié)合不同工程條件，根據(jù)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式、場(chǎng)地條件及工期要求等，綜合因素作用下所帶來(lái)的施工復(fù)雜性和技術(shù)難度給施工人員帶來(lái)了較大困難查閱相關(guān)資料后發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)大跨度鋼結(jié)構(gòu)多為單層屋蓋結(jié)構(gòu)，多層大跨度鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少，國(guó)內(nèi)對(duì)于多層鋼結(jié)構(gòu)整體提升研究并無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)。因此，以河南省科技館新館工程中庭3層鋼結(jié)構(gòu)連廊整體提升施工為研究背景，主要研究多層鋼結(jié)構(gòu)疊層拼裝及分層整體提升技術(shù)，并成功實(shí)踐。1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)河南省科技館新館主場(chǎng)館中庭區(qū)域?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)，單層鋼結(jié)構(gòu)最重達(dá)1300余t。北塔和南塔為混凝土結(jié)構(gòu)，東塔為鋼框架結(jié)構(gòu)?？萍拣^主場(chǎng)館區(qū)域分布如圖1所示。其中中庭區(qū)域2,3層鋼結(jié)構(gòu)連廊為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，高2.5m，上弦桿為箱形，下弦桿、腹桿為圓管，結(jié)構(gòu)內(nèi)分布8根圓管柱，主要材質(zhì)為Q345B，樓板采用鋼筋桁架樓承板。屋脊桁架為空間桁架結(jié)構(gòu)，桁架上、下弦高2.5m，結(jié)構(gòu)頂面標(biāo)高為41.000m，截面形式為矩形管、圓管，主要材質(zhì)為Q345B。屋面采光頂為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，頂面標(biāo)高為43.650m，弦長(zhǎng)27.15m，典型截面為H200×200×8×12，鋁合金材質(zhì)等級(jí)為6061-T6。中庭鋼結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。2施工方法選擇中庭3個(gè)塔樓為3個(gè)獨(dú)立施工段，各自結(jié)構(gòu)形式及施工部署、施工工序不盡相同，實(shí)際施工過(guò)程中必然存在施工進(jìn)度不一的情況1)使用大量支撐胎架對(duì)于單層鋼結(jié)構(gòu)而言，無(wú)法把控胎架拆除時(shí)間2)隨著鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)高不斷增加，對(duì)吊裝設(shè)備及場(chǎng)地要求也越來(lái)越高高空散拼法使用300t履帶式起重機(jī)，履帶式起重機(jī)放置在施工現(xiàn)場(chǎng)道路上會(huì)嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)交通及周邊土建施工，其和原有塔式起重機(jī)交叉作業(yè)，不利于安全作業(yè)。3)應(yīng)用高空散拼法，大多數(shù)桁架位置需采用仰焊，焊接面大，工人操作條件差，焊縫質(zhì)量得不到保證4)本工程中庭鋼結(jié)構(gòu)造型奇特，定位安裝要求高。針對(duì)多層交錯(cuò)大跨度鋼結(jié)構(gòu)整體造型獨(dú)特、安裝工程量大、安裝前置條件多、各專(zhuān)業(yè)工序交叉多、施工工期要求緊及安裝對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響大等特點(diǎn)，采用多臺(tái)50t汽車(chē)式起重機(jī)在地下室頂板進(jìn)行“整體疊層拼裝，分層整體提升”的施工方法，即先在地下室頂板上拼裝2層中庭連廊，再疊層拼裝3層連廊和屋脊桁架，拼裝完成后，進(jìn)行分層整體提升，先提升屋脊桁架，再依次提升3層連廊和2層連廊。此方案既可最大化減少占用作業(yè)面，又能顯著降低成本，更利于安全及質(zhì)量控制。3施工過(guò)程的模擬分析3.1連走廊的整體設(shè)計(jì)3.1.1頂格拼裝驗(yàn)算運(yùn)用MIDAS結(jié)構(gòu)驗(yàn)算軟件，結(jié)合GB50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范對(duì)2,3層、部分屋脊在地下室頂板拼裝進(jìn)行驗(yàn)算3.1.2支撐胎架布置1)2層桁架在地下室頂板拼裝，上部設(shè)置豎向鋼板作為桁架支撐調(diào)節(jié)。鋼梁尺寸為HN450×200，材質(zhì)為Q235B，受集中力處設(shè)置加勁板，加勁板厚度≥12mm。2)部分3層連廊結(jié)構(gòu)通過(guò)地梁擱置在2層連廊結(jié)構(gòu)上，部分通過(guò)支撐胎架擱置在地下室頂板。支撐胎架采用HM400×400鋼柱模擬，鋼柱線重與支撐胎架線重相近(鋼柱僅用于導(dǎo)荷)。3)部分屋脊桁架結(jié)構(gòu)通過(guò)胎架直接落至地下室頂板及地下室底板結(jié)構(gòu)上，部分通過(guò)支撐胎架擱置在2,3層連廊結(jié)構(gòu)上弦主桿件上。支撐胎架采用HW400×400鋼柱模擬，鋼柱線重與胎架線重相近。3.1.3計(jì)算負(fù)荷的性能恒荷載:考慮桁架節(jié)點(diǎn)自重，結(jié)構(gòu)自重取1.1倍放大系數(shù)。3.1.4全球計(jì)算模型采用MIDAS/Gen有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并驗(yàn)算分析。所有桿件采用梁?jiǎn)卧M3.1.5門(mén)架穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果在基本荷載組合作用下，原結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力為219.0N/mm2)門(mén)架鋼構(gòu)件應(yīng)力在基本荷載組合作用下，門(mén)架桿件最大應(yīng)力為38.7N/mm在標(biāo)準(zhǔn)荷載組合作用下，門(mén)架橫桿最大撓度為1mm,13.75mm(5500/400)，符合安全使用要求。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。在基本荷載組合作用下，門(mén)架構(gòu)件穩(wěn)定應(yīng)力比為0.3,<1，可滿足安全要求。穩(wěn)定性計(jì)算如圖6所示。3)整體拼裝底部反力地下室頂層混凝土梁受到的最大集中力為319.5kN。3.2計(jì)算結(jié)果及分析利用拼裝2,3層及頂板桁架工況計(jì)算的最大反力為522.6kN，驗(yàn)算支撐胎架受力。支撐胎架尺寸為1.2m×1.2m×1.4m(高)，豎桿為└125×10，水平桿為└75×6，斜撐為└75×6，頂部導(dǎo)荷梁為HN300×300×10×12，材質(zhì)為Q235。底部為鉸接約束，水平桿、斜撐與豎桿之間鉸接。胎架高按14.9m建模。恒荷載為結(jié)構(gòu)自重，活荷載為集中力353.9kN。風(fēng)荷載按0.3kN/m計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，風(fēng)荷載作用下水平位移最大為9.0mm;標(biāo)準(zhǔn)載荷組合下，導(dǎo)荷梁最大撓度為0.6mm,<3mm(1200/400)，滿足要求。應(yīng)力比計(jì)算如圖8所示。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力比為0.76,<1，支撐胎架滿足安全使用要求。3.3計(jì)算室頂加密框架3.3.1dp較小,梁底立桿縱向間距架體立桿，縱、橫水平桿采用ue78848.3×3.6鋼管，架體驗(yàn)算按ue78848×3驗(yàn)算。板底立桿縱向間距為900mm×900mm，梁底立桿縱向間距為450mm×500mm，水平拉桿步距為1500mm，頂層水平桿步距為1000mm，支架可調(diào)托座支撐點(diǎn)至頂層水平桿中心線的距離為500mm。由于HW400×400導(dǎo)荷梁現(xiàn)場(chǎng)布置會(huì)具有一定偏差，不考慮支撐下HW400×400導(dǎo)荷梁有利作用，荷載直接按集中力考慮，以計(jì)算腳手架豎桿軸力，建立16m×16m腳手架模型。3.3.2計(jì)算負(fù)荷的性能1)恒荷載考慮桁架節(jié)點(diǎn)自重，結(jié)構(gòu)自重放大系數(shù)為1.1，由軟件自動(dòng)計(jì)算。2)活荷載考慮人工拼裝作業(yè)，在樓面上考慮均布荷載3kN/m3.3.3方木與混凝土板連接所有桿件采用梁?jiǎn)卧M，鋼管材質(zhì)均為Q235;樓板為180mm厚C30混凝土;混凝土樓板下布置間隔200mm方木，尺寸為40mm×80mm。混凝土柱底部設(shè)置剛接，腳手架底部設(shè)置鉸接，水平桿與立桿均鉸接連接;立桿頂點(diǎn)與方木間采用受壓?jiǎn)卧B接，方木與混凝土板間采用受壓?jiǎn)卧B接。選取地下室頂層混凝土梁受到的最小集中力及最大集中力為計(jì)算區(qū)域。3.3.4架結(jié)算的結(jié)果在基本荷載組合作用下，集中力立桿最大軸力為12.4kN，換算抗壓強(qiáng)度為53.8N/mm3.4全球建設(shè)的模擬分析3.4.1梁?jiǎn)卧M使用SAP2000軟件對(duì)中庭鋼結(jié)構(gòu)提升進(jìn)行各階段分析。桁架單元均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，在吊點(diǎn)處進(jìn)行豎向約束加水平向彈簧約束，彈簧剛度取0.001kN/mm(可忽略不計(jì))，荷載為結(jié)構(gòu)自重，分項(xiàng)系數(shù)取1.4。本工程驗(yàn)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度采用1.4倍恒荷載，驗(yàn)算變形采用1.0倍恒荷載。3.4.2腹桿調(diào)整確定經(jīng)過(guò)初始復(fù)核，2層連廊共計(jì)8根桿件超應(yīng)力，通過(guò)替換加強(qiáng)，原截面ue78889×6豎腹桿調(diào)整為ue788203×16，經(jīng)驗(yàn)算，2層連廊結(jié)構(gòu)滿足受力要求。桿件替換后計(jì)算結(jié)果如圖10所示，選取的吊點(diǎn)位置如圖11所示。由計(jì)算結(jié)果可知，桁架整體提升時(shí)，結(jié)構(gòu)最大下?lián)?0.8mm，提升工況下結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力存在8根超應(yīng)力，需加強(qiáng)，加強(qiáng)后可滿足要求。3.4.3腹桿調(diào)整確定經(jīng)過(guò)初始復(fù)核，3層連廊共計(jì)5根桿件超應(yīng)力，通過(guò)替換加強(qiáng)，原截面ue78889×6豎腹桿調(diào)整為ue788203×16，經(jīng)驗(yàn)算，3層連廊結(jié)構(gòu)滿足受力要求。桿件替換后計(jì)算結(jié)果如圖12所示，選取的吊點(diǎn)位置如圖13所示。由計(jì)算結(jié)果可知，桁架整體提升時(shí)，結(jié)構(gòu)最大下?lián)?5mm，提升工況下結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力存在5根超應(yīng)力，需加強(qiáng)，加強(qiáng)后可以滿足要求。3.4.4屋脊桁架分析經(jīng)過(guò)初始復(fù)核，屋脊桁架共計(jì)6根超應(yīng)力桿件，通過(guò)替換加強(qiáng)，原截面ue78889×6豎腹桿調(diào)整為ue788203×16。同時(shí)為減小屋脊桁架及鋼屋蓋提升過(guò)程中結(jié)構(gòu)變形，對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，采用ue788203×16將屋脊桁架連接。加強(qiáng)后的屋脊桁架計(jì)算結(jié)果如圖14所示，吊點(diǎn)布置如圖15所示。由計(jì)算結(jié)果可知，桁架整體提升時(shí)，結(jié)構(gòu)最大下?lián)蠟?08mm，提升工況下結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力存在6根超應(yīng)力，置換后滿足要求。3.5安全風(fēng)險(xiǎn)分析：上下點(diǎn)和安全3.5.1鋼柱端面提升平臺(tái)上吊點(diǎn)共分為5種:混凝土柱側(cè)提升平臺(tái)、混凝土柱頂提升平臺(tái)、塔架提升平臺(tái)、鋼柱側(cè)面提升平臺(tái)、在屋脊桁架預(yù)拼裝部分設(shè)置的提升架。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，上吊點(diǎn)按1.2倍結(jié)構(gòu)自重+1.4倍(提升吊點(diǎn)反力+x向水平荷載+y向水平荷載)進(jìn)行有限元分析后，發(fā)現(xiàn)上吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力比均<0.8，滿足安全性要求。3.5.2吊具吊點(diǎn)確定采用ANSYS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.4。提升工況下，吊具最大應(yīng)力約167,183MPa，最大變形約0.2,2.3mm，材質(zhì)均采用Q345B，滿足安全要求，下吊點(diǎn)1,2計(jì)算結(jié)果分別如圖16,17所示。4全球改善關(guān)鍵研究4.1高空與屋頂鋼屋蓋液壓同步提升施工技術(shù)本工程鋼結(jié)構(gòu)具有跨度大、安裝高度高、空間定位要求高的特點(diǎn)。如采用分件高空散裝方法，需大量高空支撐架。高空組裝、焊接工作量大，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)較差，而且存在較大的質(zhì)量、安全風(fēng)險(xiǎn)若將2,3層和屋頂鋼屋蓋在地下室頂板拼裝成整體后，采用超大型液壓同步提升施工技術(shù)將其分層逐步提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高，首先提升鋼屋蓋，其次提升3層連廊，最后提升2層連廊，再進(jìn)行對(duì)口處桿件焊接，大大降低現(xiàn)場(chǎng)高空施工量和施工難度。4.2安裝帶絲和提升裝置(1)第1步提升屋頂鋼屋蓋;(2)第2步屋脊桁架提升到位，安裝補(bǔ)缺桿件，卸載、拆除提升設(shè)備。同步安裝中庭后補(bǔ)的圓管柱和提升裝置，并檢查驗(yàn)收，圓管柱采用塔式起重機(jī)吊裝;(3)第3步提升3層連廊;(4)第4步3層連廊提升到位，安裝補(bǔ)缺桿件，卸載、拆除提升設(shè)備;同步提升2層連廊;(5)第5步2層連廊提升到位;(6)第6步安裝補(bǔ)缺桿件，卸載、拆除提升設(shè)備，中庭連廊及屋脊桁架全部安裝完成。4.3控制指令傳遞液壓同步提升技術(shù)采用行程及位移傳感監(jiān)測(cè)和計(jì)算機(jī)控制，通過(guò)數(shù)據(jù)反饋和控制指令傳遞，可全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)作、負(fù)載均衡、姿態(tài)矯正、受力控制、操作閉鎖、過(guò)程顯示和故障報(bào)警等多種功能屋脊桁架為空間定位結(jié)構(gòu)，在提升過(guò)程中，工作人員根據(jù)空間定位要求，不斷調(diào)整液壓提升速度，保證定位準(zhǔn)確。4.4降低工程風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備配置液壓提升器的布置原則如下。1)滿足連體鋼結(jié)構(gòu)液壓提升力的要求，盡量使每臺(tái)液壓設(shè)備受載均勻。2)盡量保證每臺(tái)液壓泵站驅(qū)動(dòng)的液壓設(shè)備數(shù)量相等，提高液壓泵站利用率。3)在總體布置時(shí)，要認(rèn)真考慮系統(tǒng)安全性和可靠性，降低工程風(fēng)險(xiǎn)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況配置提升設(shè)備，主要有TLJ-4500,TLJ-2000,TLJ-600型提升器。額定提升能力分別為450,200,60t，所用鋼絞線規(guī)格均為1×7-17.8mm，單根鋼絞線破斷拉力為355kN。各層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備配置如表1～3所示，其中各吊點(diǎn)反力為有限元軟件計(jì)算得出。1)鋼絞線最大長(zhǎng)度20m，單臺(tái)提升器和鋼絞線最大質(zhì)量分別為0.9,1.5t。2)提升器額定提升能力為2000kN，提升器安全系數(shù)=2000/反力標(biāo)準(zhǔn)值。3)