模塊化低位頂升鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)與施工

模塊化低位頂升鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)與施工

低碳模式的存儲(chǔ)容量平臺(tái)模型框架體系（以下簡(jiǎn)稱“模塊層模型”）是超高層建筑主管工程的一個(gè)重要技術(shù)進(jìn)步。該技術(shù)施工速度快，勞動(dòng)力投資低，材料轉(zhuǎn)讓簡(jiǎn)單，平臺(tái)輔助功能強(qiáng)。鑒于該技術(shù)對(duì)應(yīng)模架一次性投入過(guò)大的問(wèn)題,中建三局從2009年底開(kāi)始進(jìn)行模架模塊化改造,提高其周轉(zhuǎn)效率,降低該模架在單個(gè)項(xiàng)目上的成本,從而進(jìn)一步增強(qiáng)該技術(shù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。裝配式鋼桁架平臺(tái)是模塊化頂模的重要組成部分(見(jiàn)圖1),也是實(shí)現(xiàn)頂模模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該平臺(tái)應(yīng)可適應(yīng)不同項(xiàng)目核心筒施工的需要,可根據(jù)核心筒形狀進(jìn)行布置,而桁架則選用由模塊化單元裝配而成。目前,采用貝雷片為標(biāo)準(zhǔn)組件的裝配式鋼橋被廣泛使用,另外,在項(xiàng)目施工中,貝雷片也被用來(lái)搭設(shè)臨時(shí)平臺(tái)或棧橋等。此類裝配式結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)勢(shì):建造工期短、性能可靠、適應(yīng)性強(qiáng)。但是,采用貝雷片搭設(shè)的鋼橋、平臺(tái)以及棧橋?qū)儆谄矫媸芰w系,而非空間桁架。因此無(wú)法在頂模鋼桁架平臺(tái)設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)單照搬,但其設(shè)計(jì)理念和節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造是可以參考的。鋼桁架平臺(tái)懸掛著模板與掛架,同時(shí)也是模架頂部建筑材料、施工機(jī)具的堆場(chǎng)和附著物。因此鋼桁架平臺(tái)必須具備足夠的承載能力與剛度,確保平臺(tái)在使用過(guò)程中不發(fā)生破壞或出現(xiàn)不適宜組裝、施工的變形。在裝配式設(shè)計(jì)方面,平臺(tái)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,具體包括:鋼平臺(tái)組件應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)件為主,對(duì)于不同工程,以標(biāo)準(zhǔn)組件和少部分非標(biāo)準(zhǔn)組件便可形成不同形狀的鋼平臺(tái)滿足施工需要;同時(shí),在鋼平臺(tái)使用過(guò)程中,可以添加或拆除部分組件;整個(gè)鋼平臺(tái)系統(tǒng)可方便組裝與拆卸。1鋼框架平臺(tái)1.1鋼桁架平臺(tái)模型鋼桁架平臺(tái)采用主次桁架受力體系,主受力桁架直接支撐在支撐系統(tǒng)的支點(diǎn)上,次受力桁架支撐在主受力桁架上,在主受力桁架間、次受力桁架間以及主、次受力桁架間加入支撐構(gòu)件(或吊架梁)保證單片桁架的穩(wěn)定性和承載能力。整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)類似主次梁結(jié)構(gòu),主桁架是主要的受力結(jié)構(gòu),次桁架承受的荷載較小,其主要功能為傳遞荷載。主、次桁架均由滿足模數(shù)(基本模數(shù)取為1.5m)的標(biāo)準(zhǔn)單元和非標(biāo)準(zhǔn)單元拼裝而成,根據(jù)混凝土剪力墻布置鋼桁架,使鋼桁架主要由標(biāo)準(zhǔn)單元組成。標(biāo)準(zhǔn)單元之間以及標(biāo)準(zhǔn)單元和非標(biāo)準(zhǔn)單元之間采用可拆卸連接,這樣便可以實(shí)現(xiàn)空間鋼桁架平臺(tái)組件的周轉(zhuǎn)使用,鋼桁架平臺(tái)模型如圖2所示。1)主受力桁架主受力桁架是主要的承力骨架,包括井字節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)(見(jiàn)圖3a)與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)(見(jiàn)圖3b)及非標(biāo)準(zhǔn)節(jié),標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主要模數(shù)包括3,4.5m。主受力桁架弦桿為H型鋼(440×300×11×18),豎腹桿為圓鋼管(ue788140×12),斜腹桿為雙角鋼(└90×10)。在主桁架受壓弦桿部位設(shè)置有端封板。2)次受力桁架次受力桁架在分擔(dān)鋼平臺(tái)荷載的同時(shí),主要承受模板和掛架的荷載。次受力桁架弦桿為2[18,豎腹桿與斜腹桿均為[8。在次桁架端部設(shè)置有陰陽(yáng)銷軸接頭,如圖4所示。3)面外撐桿面外撐桿的作用是減少桁架弦桿的面外計(jì)算長(zhǎng)度,防止桁架弦桿長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大。面外撐桿為2[10。其陰陽(yáng)接頭與次桁架陰陽(yáng)接頭一致,從而保證了次桁架與面外撐桿可以在不同位置使用。1.2主桁架斜腹桿連接主桁架平面內(nèi),受拉弦桿采用翼緣與腹板的全螺栓連接,受壓弦桿端部設(shè)端封板,該弦桿除了翼緣采用全螺栓連接,在端封板處亦采用螺栓連接。主桁架斜腹桿在連接位置分別設(shè)置單、雙耳板,單、雙耳板間采用2個(gè)銷軸連接。在主桁架平面外,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)處設(shè)有用于連接次桁架或面外撐桿陰頭或陽(yáng)頭的銷軸節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)可連接次桁架或面外撐桿。在次桁架平面內(nèi)的陰陽(yáng)接頭,主要用于次桁架的拼接,同時(shí)也用來(lái)與主桁架連接。次桁架平面外標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)處設(shè)銷軸節(jié)點(diǎn)連接面外撐桿。主桁架可拆卸連接節(jié)點(diǎn)如圖5所示。2平臺(tái)桁架布置的實(shí)現(xiàn)頂模施工中鋼桁架平臺(tái)主桁架交點(diǎn)應(yīng)位于平臺(tái)支點(diǎn)以上。同時(shí),桁架應(yīng)盡量位于墻體兩側(cè),從而為墻體施工預(yù)留充足的空間。為此,為使鋼桁架平臺(tái)滿足不同工程核心筒剪力墻施工要求,并盡量使空間鋼桁架主要由標(biāo)準(zhǔn)單元拼裝而成,以下以福州世茂國(guó)際中心項(xiàng)目核心筒(見(jiàn)圖6a)施工所采用的頂模鋼桁架平臺(tái)為例說(shuō)明平臺(tái)桁架布置的流程。1)首先建立1.5m的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格(見(jiàn)圖6b)。2)將核心筒放入標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格內(nèi),盡量使更多的墻體位于兩條網(wǎng)格線的中間,當(dāng)網(wǎng)格線離剪力墻過(guò)遠(yuǎn)或過(guò)近時(shí),可以減小網(wǎng)格尺寸,但網(wǎng)格尺寸必須是0.5m的倍數(shù)。最終形成由標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格(1.5m)和非標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格(非1.5m)組成的平面網(wǎng)格(見(jiàn)圖6c)。3)根據(jù)空間桁架支撐點(diǎn)位置確定主桁架(見(jiàn)圖6d)。4)根據(jù)核心筒剪力墻位置確定次桁架,并將沒(méi)用的網(wǎng)格線刪除(見(jiàn)圖6e)。5)在主桁架間、主次桁架間以及次桁架間加入面外撐桿,形成空間鋼桁架平臺(tái),將平面網(wǎng)格線轉(zhuǎn)化為空間桁架網(wǎng)格(見(jiàn)圖6f)。3平臺(tái)加載試驗(yàn)鋼桁架平臺(tái)在頂模施工過(guò)程中是主要的承力骨架,平臺(tái)上部有堆載和施工荷載,平臺(tái)下部懸掛著模板與掛架,而掛架上又同時(shí)存在著施工荷載。由前面分析可知:平臺(tái)以主桁架交匯處的4個(gè)井字節(jié)點(diǎn)為支點(diǎn),平臺(tái)承受的荷載通過(guò)次桁架或直接傳遞到主桁架上,最終經(jīng)井字節(jié)點(diǎn)向下傳遞到結(jié)構(gòu)的支撐柱處。平臺(tái)井字節(jié)點(diǎn)外部具有較大的懸挑區(qū)域,這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致平臺(tái)井字節(jié)點(diǎn)處內(nèi)力較大,而懸挑區(qū)域端部撓度較大,為確保平臺(tái)安全,根據(jù)平臺(tái)施工過(guò)程中最大的荷載工況進(jìn)行平臺(tái)加載試驗(yàn)。福州世茂國(guó)際中心項(xiàng)目鋼桁架平臺(tái)如圖7所示。主要構(gòu)件的截面如表1所示。3.1加載量測(cè)試鋼桁架平臺(tái)荷載包括平臺(tái)、模板和掛架自重,掛架上的施工荷載,平臺(tái)上的堆載以及平臺(tái)上的施工荷載幾部分。經(jīng)折算后,平臺(tái)荷載總和為6400kN,將平臺(tái)上的荷載分為5個(gè)區(qū)域,各區(qū)域荷載如圖8所示。加載分三級(jí)進(jìn)行:0~40%~80%~100%,卸載分兩級(jí)進(jìn)行:100%~40%~0。各區(qū)域加載情況如表2所示。平臺(tái)構(gòu)件在工廠生產(chǎn)出來(lái)后,即在工廠進(jìn)行預(yù)拼,并采用鋼板進(jìn)行堆載。根據(jù)圖8堆載分布情況,首先在平臺(tái)各區(qū)域均勻放置木方,此后將鋼板堆放在木方以上,堆載過(guò)程中應(yīng)保證各區(qū)域均勻加載,同時(shí)避免鋼板跨界。1)主桁架應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置測(cè)量支點(diǎn)附近長(zhǎng)軸方向上、下弦桿應(yīng)變。圖9“Δ”表示應(yīng)變測(cè)試位置,括號(hào)內(nèi)為測(cè)點(diǎn)編號(hào),前一編號(hào)為上表面,后一編號(hào)為下表面。2)次桁架應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置測(cè)量懸挑區(qū)域和中心區(qū)域次桁架跨中和支座附近上、下弦桿應(yīng)變(見(jiàn)圖10)。3)主桁架撓度測(cè)點(diǎn)測(cè)量長(zhǎng)軸方向懸挑端豎向位移,平面外受次桁架作用的主桁架跨中豎向位移、面外位移(見(jiàn)圖11)。圖中“”表示位移測(cè)點(diǎn)。4)次桁架撓度測(cè)點(diǎn)測(cè)量懸挑區(qū)域和中心區(qū)域次桁架端部與跨中豎向位移(見(jiàn)圖12)。圖中“”表示應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。3.2平臺(tái)應(yīng)力試驗(yàn)分析位移試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。分析位移結(jié)果可得如下結(jié)論。1)桁架位移在加載和卸載階段均基本保持線性變化,當(dāng)荷載完全卸去后,位移基本消失,這說(shuō)明結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)處在彈性階段。2)主桁架最大懸挑位置豎向位移最大,內(nèi)側(cè)約43mm,外側(cè)約26mm。桁架最大撓度約1/500,滿足規(guī)范要求。井字節(jié)點(diǎn)間主桁架跨中豎向位移僅5mm。位移左右對(duì)稱說(shuō)明結(jié)構(gòu)加載無(wú)明顯偏載。3)次桁架西側(cè)跨中撓度達(dá)26mm,而中部和南側(cè)跨中撓度僅10mm左右。排除由于次桁架連接部位主桁架的位移后,次桁架跨中位移均在5mm以內(nèi),這說(shuō)明次桁架整體剛度較大,施工過(guò)程中自身變形很小,結(jié)構(gòu)的變形主要是主桁架變形所致。平臺(tái)試驗(yàn)應(yīng)變結(jié)果及加載結(jié)束時(shí)由平臺(tái)應(yīng)變計(jì)算出的應(yīng)力結(jié)果如下。1)平臺(tái)主桁架應(yīng)力峰值約為-162MPa,遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度345MPa,平臺(tái)次桁架應(yīng)力峰值僅為53.1MPa,與材料強(qiáng)度差距更大。試驗(yàn)結(jié)果表明平臺(tái)承載能力可以滿足施工需求。2)平臺(tái)主桁架懸挑長(zhǎng)度較大一側(cè)井字節(jié)點(diǎn)根部的應(yīng)力更大,且2根主桁架中靠近平臺(tái)內(nèi)側(cè)的主桁架下弦下翼緣應(yīng)力峰值更大。懸挑長(zhǎng)度越長(zhǎng),井字節(jié)點(diǎn)處彎矩越大,對(duì)應(yīng)的應(yīng)力也就越大,而下弦下翼緣在整體受彎與局部受彎產(chǎn)生同向的壓應(yīng)力,進(jìn)而使該位置產(chǎn)生受壓狀態(tài)的應(yīng)力峰值。3)平臺(tái)次桁架應(yīng)力峰值出現(xiàn)在斜向桁架根部上弦桿上表面,應(yīng)力峰值為拉應(yīng)力,此處應(yīng)力峰值是次桁架整體受拉和局部受拉疊加的結(jié)果。3.3鋼桁架平臺(tái)的有限元模型采用大型通用有限元設(shè)計(jì)軟件SAP2000對(duì)鋼桁架平臺(tái)進(jìn)行有限元分析。所有桿件均為桿系單元。主桁架豎腹桿和斜腹桿桿端及斜腹桿相交位置設(shè)為鉸接。次桁架弦桿拼接位置以及次桁架豎腹桿與斜腹桿桿端設(shè)為鉸接。鋼桁架平臺(tái)的有限元模型如圖13所示。鋼桁架平臺(tái)約束取在井子節(jié)點(diǎn)和鋼柱連接的部位。3.4有限元分析結(jié)果鋼平臺(tái)在外荷載作用下的變形及應(yīng)力云圖如圖14所示。各測(cè)點(diǎn)位移結(jié)果與有限元分析結(jié)果如表4所示。對(duì)比結(jié)果可知:有限元分析位移結(jié)果與試驗(yàn)得到的位移結(jié)果趨勢(shì)一致——桁架在懸挑端部豎向位移較大,而支點(diǎn)間的主、次桁架豎向位移均較小,位移峰值發(fā)生在桁架懸挑位置次桁架的跨中位置,而在4個(gè)井字節(jié)點(diǎn)內(nèi)部區(qū)域主次桁架跨中撓度均較小。大多數(shù)測(cè)點(diǎn)位置試驗(yàn)結(jié)果較有限元分析結(jié)果偏大約20%。出現(xiàn)這種差異的主要原因在于:在主桁架設(shè)置了端封板的受壓弦桿位置由于加工誤差導(dǎo)致端封板無(wú)法完全貼緊、受壓;另外,平臺(tái)主桁架弦桿螺孔較為密集,部分位置由于加工誤差導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)安裝困難,部分位置出現(xiàn)了螺孔擴(kuò)孔現(xiàn)象,這在一定程度上降低了摩擦型高強(qiáng)螺栓的摩擦力,在加載中出現(xiàn)一定的滑動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致?lián)隙冗M(jìn)一步增大。各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果與有限元分析結(jié)果如表5所示。對(duì)比結(jié)果可知:有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,產(chǎn)生誤差的主要原因包括:有限元分析中模型的加載是理想化的均勻加載,在試驗(yàn)加載中,首先在平臺(tái)上每隔2~3m擱置木方,然后在其上放置鋼板,這必然導(dǎo)致平臺(tái)局部有較大的集中荷載存在,進(jìn)而造成一定誤差。另外,如前文所述平臺(tái)上螺孔較多,由于加工誤差導(dǎo)致平臺(tái)局部在加載過(guò)程中出現(xiàn)一些變形,從而造成局部卸載的情況,影響了試驗(yàn)結(jié)果。4鋼桁架平臺(tái)的周轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)本文提出的鋼桁架平臺(tái)可以滿足有關(guān)承載力和剛度的施工要求,但仍存在一定不足,現(xiàn)給出主要的改進(jìn)意見(jiàn)。1)作為裝配式鋼平臺(tái),平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)組件種類過(guò)多,這造成加工以及組拼時(shí)的諸多困難,使平臺(tái)周轉(zhuǎn)使用的難度加大。建議在今后的設(shè)計(jì)中將主桁架弦桿、斜撐等節(jié)點(diǎn)改為統(tǒng)一形式,同時(shí)保持上、下相對(duì)位置一致,從而大幅度降低標(biāo)準(zhǔn)組件的數(shù)量以及適用性。2)平臺(tái)主桁架受壓端封板的設(shè)計(jì)要求加工精度較高,微小的誤差即導(dǎo)致封板無(wú)法充分接觸;另外,桁架弦桿自身還有彎曲發(fā)生,這進(jìn)一步限制了封板充分接觸。因此,建議取消封板受壓的設(shè)計(jì),而直接采用全螺栓連接。3)對(duì)于矩形的核心筒而言,鋼桁架平臺(tái)角部構(gòu)件為兩端懸挑構(gòu)件,不宜在角部設(shè)置本文提