可變微凸支點(diǎn)匣套型智能控制頂升模架技術(shù)

可變微凸支點(diǎn)匣套型智能控制頂升模架技術(shù)

0少支點(diǎn)高位頂模技術(shù)方面的問題隨著中國高層建筑的大規(guī)模建設(shè)，高層塔架結(jié)構(gòu)的問題越來越受建筑部門的關(guān)注。通過在上海環(huán)球金融中心、廣州西塔、福州世茂、無錫國金等超高層項(xiàng)目的實(shí)踐,就目前在國內(nèi)超高層使用較多的內(nèi)筒支撐的少支點(diǎn)低位頂模技術(shù)而言,以下幾個(gè)問題仍沒有得到很好解決。1)占用內(nèi)筒空間多,影響塔式起重機(jī)、電梯及吊裝空間的布置。2)在伸臂桁架層,外伸牛腿在核心筒外預(yù)留長度受掛架及伸臂桁架影響不宜過長。3)內(nèi)筒支點(diǎn)需要在核心筒墻體上預(yù)留洞口,尤其是在暗柱位置,預(yù)留洞口會打斷布置較密的主筋,加固難度大,安全不易保證。4)當(dāng)核心筒墻體有較大內(nèi)收時(shí),12~13m高的掛架部分需在高空進(jìn)行拆解。為了進(jìn)一步解決以上問題,本文提出一種基于核心筒外圍單側(cè)支撐的可變微凸支點(diǎn)匣套型智能控制頂升模架(簡稱“凸點(diǎn)頂模”)技術(shù)來進(jìn)一步提高超高層塔樓核心筒施工的安全、質(zhì)量,同時(shí)確保施工過程高效、快速。1鋼框架系統(tǒng)支撐與頂升系統(tǒng)凸點(diǎn)頂模由支撐與頂升系統(tǒng)、鋼框架系統(tǒng)、模板及附屬設(shè)施系統(tǒng)組成。鋼框架系統(tǒng)類似一個(gè)“罩”在核心筒上部的鋼“匣套”,鋼框架系統(tǒng)通過支撐與頂升系統(tǒng)支撐在核心筒外圍墻體上,模板及附屬設(shè)施懸掛或附著在鋼框架系統(tǒng)頂部及四周。核心筒施工時(shí)作業(yè)人員利用鋼框架系統(tǒng)作為作業(yè)面綁扎鋼筋、支設(shè)模板、澆筑混凝土。模架隨著核心筒高度的增加利用外圍的支撐與頂升系統(tǒng)不斷向上爬升,完成上部混凝土墻體的施工作業(yè)。凸點(diǎn)頂模如圖1所示。2凸點(diǎn)屋頂設(shè)計(jì)2.1核心筒結(jié)構(gòu)及施工設(shè)備布置武漢中心工程塔樓88層,裙樓4層,總建筑面積約36萬m2,建筑高度438m,混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)高為410.7m,建筑整體外形呈帆形漸變結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)形式為16根巨柱框架+核心筒+伸臂桁架的筒體結(jié)構(gòu),其中12層以下為勁性鋼板剪力墻結(jié)構(gòu),剪力墻混凝土強(qiáng)度等級為C60,巨柱內(nèi)混凝土等級隨高度變化為C70~C50。塔樓單層面積平均約2800m2,核心筒單層面積平均約800m2,核心筒平面上由正方形內(nèi)收為八邊形。建筑效果及塔樓核心筒典型平面布置如圖2所示。本工程塔樓共3道伸臂桁架,分布在L31~L32,L47~L48,L63~L64層。伸臂桁架為“K”形布置,上弦和下弦均為普通焊接方鋼管,兩端通過復(fù)雜巨型節(jié)點(diǎn)與塔樓核心筒、外筒鋼管柱連接,每道伸臂桁架共8榀,布置在核心筒4個(gè)角。在核心筒2個(gè)筒內(nèi)布置2臺塔式起重機(jī),分別為M900D和1250D,在另外1個(gè)筒布置1臺直達(dá)模架頂部的雙籠施工電梯,如圖3所示。分析武漢中心塔樓核心筒結(jié)構(gòu)及施工設(shè)備布置情況,塔樓核心筒施工重、難點(diǎn)如下:(1)核心筒整體內(nèi)收多,最大達(dá)1300mm;(2)墻體厚度變化大,部分墻體收掉;(3)核心筒平面內(nèi)設(shè)備、設(shè)施布置較多;(4)勁性構(gòu)件吊裝空間要求大?；谇笆鐾裹c(diǎn)頂模技術(shù)的優(yōu)勢,武漢中心選擇凸點(diǎn)頂模技術(shù)可以很好地解決上述問題。2.2核心筒支護(hù)布置凸點(diǎn)頂模設(shè)計(jì)的主要流程為:(1)根據(jù)核心筒墻體分布、厚度、勁性構(gòu)件位置、伸臂桁架分布及大型設(shè)備布置選擇模架支點(diǎn)位置,并進(jìn)一步確定鋼框架頂平臺梁布置及模架平面布置;(2)根據(jù)核心筒墻體高度確定模架立面高度及立面布置,根據(jù)塔式起重機(jī)爬升規(guī)劃進(jìn)一步確定模架爬升規(guī)劃;(3)選擇鋼框架系統(tǒng)構(gòu)件及支撐與頂升系統(tǒng)構(gòu)件截面、節(jié)點(diǎn)形式等進(jìn)行驗(yàn)算與優(yōu)化,根據(jù)支撐與頂升系統(tǒng)反力選擇液壓油缸;(4)根據(jù)核心筒墻體布置、高度、鋼框架頂平臺主梁布置設(shè)計(jì)模板及附屬設(shè)施系統(tǒng)。支點(diǎn)選擇:本工程塔樓核心筒下部為四邊形,上部轉(zhuǎn)為八邊形,支點(diǎn)宜選擇在核心筒墻體外側(cè),每邊2個(gè)支點(diǎn),考慮到有兩側(cè)墻體洞口位置的變化,需增補(bǔ)2個(gè)備用支點(diǎn),當(dāng)結(jié)構(gòu)施工至32層時(shí),外圍2個(gè)頂升油缸和備用油缸互換,備用油缸投入工作,原工作油缸停止使用?？紤]到結(jié)構(gòu)跨度較大,在核心筒平面接近形心位置設(shè)置1個(gè)支點(diǎn),減小鋼梁跨度,中間支點(diǎn)采用傳統(tǒng)上、下箱梁支點(diǎn)。模架支點(diǎn)如圖4a所示。頂平臺鋼梁布置及模架平面布置:平臺鋼梁布置時(shí)主梁應(yīng)盡量直接與支點(diǎn)連接并位于接近核心筒墻體的內(nèi)側(cè),核心筒墻體內(nèi)側(cè)的其他位置可選擇次梁,這樣其下部的內(nèi)框架可直接作為核心筒施工的操作面。另外,鋼梁應(yīng)盡量避開勁性鋼柱,同時(shí)根據(jù)伸臂桁架、勁性鋼板的分段、分節(jié)要預(yù)留充足的吊裝空間以免影響鋼結(jié)構(gòu)施工與吊裝。頂平臺鋼梁布置如圖4b所示。模架頂部平臺主要作為堆載區(qū)域,上設(shè)操作機(jī)房、混凝土布料機(jī)、材料堆場、施工機(jī)具堆場等,同時(shí)設(shè)置供核心筒施工人員作業(yè)、休息、控制模架運(yùn)行與監(jiān)測的設(shè)施及場地。劃分功能分區(qū)時(shí)除考慮施工方便、安全、高效等因素外,同時(shí)應(yīng)考慮平臺的受力情況。根據(jù)以上原則布置,鋼平臺頂部平面分區(qū)如圖5所示。模架核心筒施工區(qū)域包括3.5個(gè)層高,由上至下為鋼筋綁扎及鋼筋預(yù)留共1.5層,混凝土澆筑1層,混凝土養(yǎng)護(hù)1層。模架支撐與頂升區(qū)域包括3個(gè)層高,其中上、下支撐架各占1個(gè)結(jié)構(gòu)層,下部1個(gè)結(jié)構(gòu)層主要用于混凝土承力件的周轉(zhuǎn)操作。為此模架高度約為6.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層,標(biāo)準(zhǔn)層高為4.2m,模架高度>27.3m,最終取為27.6m(不包括平臺上部護(hù)欄的高度)。2.3突出點(diǎn)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.3.1核心筒建模鋼框架系統(tǒng)由外框架、頂平臺、內(nèi)框架以及角部開合機(jī)構(gòu)組成;框架平面投影為35m×35m的正方形,最大高度約28m。頂平臺主要由窄翼緣H型鋼通過焊縫和螺栓連接組成;外框架為4個(gè)單片的鋼架,主要構(gòu)件為支撐立柱及外框鋼梁;內(nèi)框架包括6個(gè)獨(dú)立懸掛在平臺主梁下的封閉環(huán)形框架,如圖6,7所示。為了滿足核心筒施工的需要,鋼框架系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了開合機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)及卸料平臺,如圖8所示。本工程伸臂桁架位于塔樓4個(gè)角部,為了便于角部伸臂桁架吊裝,同時(shí)為伸臂桁架外伸牛腿預(yù)留充足的空間,在鋼框架4個(gè)角部預(yù)留開合機(jī)構(gòu)。開合機(jī)構(gòu)包括6層,相互獨(dú)立,可整體或分別開啟,這種設(shè)計(jì)既可以方便吊裝,又可以確保吊裝時(shí)的安全。本工程塔樓核心筒外墻內(nèi)收最多達(dá)1.3m,為了保證外框架與墻體之間距離不至于過大,在外框架立柱與頂平臺梁之間設(shè)計(jì)伸縮機(jī)構(gòu),即在立柱頂部增加套梁,頂平臺梁穿過套梁與立柱連接,套梁內(nèi)部與頂平臺梁表面固定滑移材料,在油缸的推動下使外框架可以相對頂平臺梁整體內(nèi)收。模架平臺頂部距離在施樓層較遠(yuǎn),而本工程核心筒內(nèi)有鋼板剪力墻,以上兩點(diǎn)造成核心筒鋼筋從平臺頂部轉(zhuǎn)運(yùn)困難。為此,在每片外框架外側(cè)設(shè)置卸料平臺,鋼筋及周轉(zhuǎn)架料吊裝至卸料平臺,再由卸料平臺轉(zhuǎn)運(yùn)至核心筒內(nèi)部。平臺焊接在外圍立柱上,長6~9m,寬1.5m,最大堆載為8kN/m2。2.3.2核心筒內(nèi)剪力墻支撐與頂升系統(tǒng)包括11套支撐點(diǎn),其中10套支撐在剪力墻外側(cè),設(shè)計(jì)頂升力為2500kN,行程6m;1套支撐在核心筒中部內(nèi)剪力墻上,設(shè)計(jì)頂升力為4000kN,行程6m。正常工作狀態(tài)下,施工平臺內(nèi)部有9個(gè)支點(diǎn)投入使用(內(nèi)部1個(gè)支點(diǎn)加外圍8個(gè)支點(diǎn))。支撐與頂升系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)部分與液壓系統(tǒng)部分。2.3.2.承力件與固定件連接方式設(shè)計(jì)內(nèi)部支點(diǎn)采用傳統(tǒng)的上、下箱梁形式,此處不再贅述。外部支點(diǎn)由混凝土承力件、上支撐架和下支撐架及位于上、下支撐架之間的頂升油缸構(gòu)成,如圖9所示?；炷脸辛庑纬叽鐬?.2m×0.84m×0.03m,主要由帶凹槽的鋼板(凹槽在混凝土澆筑時(shí)形成凸鍵)、縱向和橫向加勁肋以及掛靴構(gòu)成。承力件與對應(yīng)側(cè)的固定件配合使用,二者之間用高強(qiáng)對拉桿連接;二者在傳力的同時(shí),兼作混凝土模板使用。承力件同時(shí)承受支撐架傳遞來的豎向力與彎矩,通過混凝土凸鍵抵抗豎向力,通過對拉桿及承力件與墻體擠壓產(chǎn)生的水平反力抵抗彎矩。上支撐架結(jié)構(gòu)外邊沿投影尺寸約為3.7m×3.1m×1.0m,主要包括鋼支架、爪箱、掛爪及伸縮油缸等幾部分;掛爪與承力件爪靴連接,將豎向荷載與彎矩傳遞給承力件。下支撐架與上支撐架結(jié)構(gòu)類似,較上支撐架增加了頂升油缸缸體連接件。掛爪采用高強(qiáng)材料42CrMo機(jī)加工而成,并通過銷軸固定在爪箱內(nèi),在一定范圍內(nèi)可以轉(zhuǎn)動,在掛爪尾部懸掛配重,可將掛爪在沒有外力的情況下旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)。正常施工時(shí)上、下支撐架均支撐在承力件上,模架通過立柱將荷載傳遞到上支撐架上,上支撐架通過掛爪咬合承力件爪靴將一部分傳遞給墻體,上支撐架通過油缸將另一部分荷載傳遞到下支撐架,下支撐架通過掛爪咬合承力件爪靴將荷載傳遞給墻體。2.3.2.液壓控制系統(tǒng)液壓設(shè)備包括8套支腿油缸、11套頂升油缸、1套現(xiàn)場控制柜、液壓管道及附件等。其中泵站1控11配置。液壓泵站設(shè)備包括1套油箱總成、2套液壓泵電動機(jī)組(互為備用)、1套調(diào)壓控制閥組,11套同步控制閥組。11套頂升油缸中用于外部支點(diǎn)上、下支架間的10套液壓油缸頂升力為2500kN,用于內(nèi)部支點(diǎn)上、下支撐箱梁間的1套液壓油缸頂升力為4000kN?？刂葡到y(tǒng)主要包括液控系統(tǒng)和電控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對9套頂升油缸和8套支腿油缸聯(lián)動控制。其中液控系統(tǒng)主要包括泵站、各種閘閥和整套液壓管路,通過控制各個(gè)閘閥的動作控制整個(gè)系統(tǒng)的動作和緊急狀態(tài)下自鎖。電控系統(tǒng)主要包括一個(gè)集中控制臺、連接各種電磁閘閥與控制臺的數(shù)據(jù)線、主缸行程傳感器、小油缸行程限位等,實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)電磁閘閥動作的控制與監(jiān)控,對主缸頂升壓力的監(jiān)控、對主缸頂升行程的同步控制與監(jiān)控。液壓系統(tǒng)利用同步控制方式,通過液壓系統(tǒng)伺服機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)控制9個(gè)油缸的液壓油流量,從而達(dá)到9個(gè)油缸的同步頂升要求。其中行程控制設(shè)置為不超過3mm,任意油缸頂升行程與另外2個(gè)超過3mm后即自動補(bǔ)償,主油缸壓力控制考慮到施工荷載的不均勻,以頂升開始前初始壓力為基準(zhǔn),頂升過程中若壓力出現(xiàn)急劇變化超過0.3MPa即緊急制動。2.3.3核心筒安裝及拉結(jié)問題本工程使用86系列子母口大鋼模板施工,模板分標(biāo)準(zhǔn)模板、非標(biāo)準(zhǔn)不變模板、異形角模等。本工程標(biāo)準(zhǔn)層高為4.4m與4.2m,模板設(shè)計(jì)高度為4.8m。標(biāo)準(zhǔn)模板尺寸為4.8m×3.0m,穿墻螺栓孔的豎向間距自下而上依次為0.3,0.9,0.9,1.05,1.05,0.4m。邊框采用標(biāo)準(zhǔn)件M16×50螺栓栓接,背楞采用芯帶和鋼斜楔固定。模板配置時(shí)盡量減少模板的變化,達(dá)到配模一次性成功,不需要進(jìn)行補(bǔ)償模板配置,并能滿足墻體變化時(shí)角部模板的變化。模板設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮以下問題:(1)模板應(yīng)便于安裝、清理與拆卸,并保證周轉(zhuǎn)使用的次數(shù)以及周轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)方便;(2)滿足核心筒沿豎向截面不斷變化的要求;(3)滿足伸臂桁架核心筒角部外伸牛腿的施工要求;(4)確保施工過程中模板高空改裝作業(yè)的安全性和可操作性;(5)對拉螺桿位置需考慮墻體變截面時(shí)大面不受影響,并考慮避開剪力墻內(nèi)型鋼柱外120mm,無法避開的位置考慮型鋼柱腹板穿孔,以保證穿墻螺桿正常使用;(6)模板在有勁性鋼板的墻體部位應(yīng)可有效拉結(jié),防止爆模。本工程在上述3條與6條問題的解決上具有一定特殊性,以下專門論述。在核心筒陽角處伸臂桁架根部模板設(shè)計(jì)為可開合模板。為了適應(yīng)墻體內(nèi)收與外伸牛腿不同位置伸出的要求,開合機(jī)構(gòu)水平、豎向均要分塊。同時(shí),為防止新澆混凝土在陽角部位澆注時(shí)側(cè)壓力集中,增加附加背楞。由于伸臂桁架的影響,鋼模板不能滿足的部位方利用木模配合。核心筒在首個(gè)伸臂桁架層施工時(shí)角部不同位置打開情況如圖10所示。有勁性鋼板的墻體在模板支設(shè)時(shí)可以通過以下3種方式實(shí)現(xiàn)拉結(jié)固定:(1)在鋼板上焊接套筒,將對拉桿拉結(jié)在勁性鋼板上;(2)將對拉桿直接焊接在穿越鋼板的拉筋上;(3)在鋼板上為對拉桿開洞。附屬設(shè)施部分除了模架走道板、立面防護(hù)、樓梯、兜底防護(hù)等設(shè)施外,還包括涉及照明、臨水、臨電、消防、混凝土泵送相關(guān)的管路、電纜、控制柜、開關(guān)等設(shè)備設(shè)施。走道板、立面防護(hù)均采用鋼板網(wǎng)固定在鋼框架上;樓梯采用鋼板整體加工后吊裝至預(yù)定位置焊接;最底層走道板同時(shí)作為兜底防護(hù),采用花紋鋼板制作。塔樓給水和消防采用二次加壓供水。消防水箱設(shè)在地下3層,并在每個(gè)設(shè)備層設(shè)置中轉(zhuǎn)水箱和中轉(zhuǎn)水泵,考慮臨時(shí)系統(tǒng)和正式系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際特點(diǎn),在模架上安裝臨時(shí)消防及給水系統(tǒng),保證模架施工時(shí)的消防用水及施工生產(chǎn)用水。模架臨時(shí)施工用電包括臨時(shí)照明用電和臨時(shí)動力用電兩部分,電源取自現(xiàn)場2,3號變壓器。臨電照明包括普通施工照明、泛光照明、廣告照明3種;臨電動力包括模架提升用電、模架上施工普通機(jī)械動力用電和模架消防用電。為保障模架供電可靠性,特別增設(shè)1臺250kV柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急備用電源。2.3.4監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)對模架進(jìn)行全過程實(shí)時(shí)監(jiān)測,模架智能監(jiān)測系統(tǒng)的底層由表觀監(jiān)測系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康、監(jiān)測系統(tǒng)、氣象監(jiān)測系統(tǒng)組成,其中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測子系統(tǒng)中主要包含對架體主要結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、水平度和垂直度監(jiān)測。底層傳感器感知結(jié)構(gòu)的變化狀態(tài),解調(diào)設(shè)備實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合及協(xié)議命令的編寫,通過工控機(jī)、服務(wù)器和顯示器,將數(shù)據(jù)顯示在軟件終端上。系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖11所示。主要監(jiān)測爪箱、立柱、轉(zhuǎn)換梁及平臺主梁。由于測試周期較長、測試頻率要求相對較高,且長期暴露在變溫環(huán)境中,選用自補(bǔ)償?shù)墓鈻殴饫w類傳感器。鋼框架頂部標(biāo)高差異及立柱偏移,會產(chǎn)生較大結(jié)構(gòu)內(nèi)力,需對平臺水平度及立柱垂直度進(jìn)行監(jiān)測。使用靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測,共設(shè)9個(gè)測點(diǎn),主要監(jiān)測支點(diǎn)位置立柱的標(biāo)高與傾角。在各支撐點(diǎn)位置各設(shè)置一對攝像頭,觀測到爬爪就位情況,通過DVR視頻后臺服務(wù)器及液晶顯示器,將畫面集中顯示,并可按需選擇畫面。監(jiān)測系統(tǒng)解調(diào)儀、主機(jī)等設(shè)備設(shè)在模架頂部,與液壓控制系統(tǒng)共用一個(gè)控制室。監(jiān)控軟件主界面以三維模型為主要顯示對象,體系正常運(yùn)行時(shí)各傳感器測值默認(rèn)設(shè)為隱藏狀態(tài),當(dāng)發(fā)生預(yù)警和報(bào)警時(shí)分別有不同顏色的數(shù)值及聲音提示,并根據(jù)預(yù)先設(shè)定引導(dǎo)進(jìn)行下一步操作。單擊傳感器,傳感器所處的結(jié)構(gòu)件及左側(cè)菜單欄可直接進(jìn)入各子系統(tǒng)查看實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)。智能監(jiān)測系統(tǒng)軟件主界面如圖12所示。2.4鋼框架框架內(nèi)收整體安裝ndf圖3綜上所述,凸點(diǎn)頂模技術(shù)在設(shè)計(jì)中的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括:(1)結(jié)構(gòu)