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超高层建筑中薄壁结构安装工艺研究 S t u d y on I n s t a l l a t i on T e c h n ol o g y f o r Hol l o w Th i n Wa l l S t r u c t u r e i n S up e r Hi gh R i s e Bu i l di n g 冯振 源 上海市机械施 工有限公 司 上海2 0 0 0 7 2 摘要 以某酒店 的屋 顶钢结构 为例 ，对高空薄壁结构安装进行研 究。特别就施工过程 中的结构稳定计算和控制 、脚 手 辅助、吊装机械的拆装多个方面进行了详述，类似超高层建筑施工时可加以借鉴。 关键词超高层建筑 薄壁结构 高空安装 结构稳定 控制 中图分类号 T U 3 3 文献标识码B 文章编号 1 0 0 4 1 0 0 1 2 0 1 3 0 1 0 0 3 9 0 5 1 工程概况 上海 绿洲仕格维花 园酒店 为卢湾 区重点工程 之一 ， 位于打浦路商务 中心地段 ，四周车水马龙。酒店主楼结构 5 1 层 高1 8 4 ． 6 5 m ，其屋顶钢结构高达4 1 m 1 8 4 ． 6 5～ 2 2 5 ． 7 m 屋顶钢结构为薄壁钢管构成 的空间结构 ， 结构外边线与下部主体结构的外边线重合 长约6 O m、宽 4 O m ，安装在近2 0 0 m的高空 ，所采用的构件最大截面 仅为 2 9 9 mm1 6 mm、最小截面只有 9 5 mm8 mm， 所有钢管之间均为相贯焊接 ，总重只有4 2 6 t 。整个结构呈 “ 三脚凳”形、3 个支脚均为倒锥形 ，这个 “ 头重脚轻”的 结构只靠1 1 个铸钢件与下部主体结构铰接固定 图1。 图1 屋顶结构效果图 工程特点和难点为 a 由于屋顶结构的设计方案变化和滞后 ，根据原先 设计 方案设置的吊装设备在屋顶管桁架内部 ，无法满足屋 作者简介 冯振 源 1 9 7 9 一 ，男，本科，工程师。 通讯地址 上海市洛川中路7 0 1 号 2 0 0 0 7 2。 收稿 日期 2 0 1 2 - 1 0 - 3 0 顶钢结构 的吊装要求。 b钢结构 吊装位于 1 8 4 ． 6 5 m以上的高空 ，受到风 荷载的影Ⅱ 向 很大。 C在屋顶钢结构 吊装封闭前 为不稳定体 系 ，加上 所有的杆件均 为相贯连接 ，同一节点最多有十余根杆件相 贯 ，对钢结构 的吊装测量要求非常高。 d 整个结构高41 m、自身四面通透，在地面吊装 已属不易，且该结构与下部结构只是铰 接连接 ，须待整个 结构完全形成并连接固定后 方为稳定的空间结构。 因而如 何保证施工阶段的结构稳定至关重要。 e高空脚手架的搭设、设计难度大。 f 相应的塔 吊拆除设备的安装条件受到限制，需重 新设置安装位置和计算结构加固措施。 2 钢 结构安装工艺研究 2 ． 1 方案比较和技术路线的确定 超高空结构 吊装的方案为 采用钢管桁架构成“ 三脚 凳”形的空间结构。 根据最终的设计图纸，屋顶钢结构 的构件全部 为薄壁 钢管，最大构件的截面仅仅要覆盖近1 4 0 0 m 的面积 ，导致 钢管杆件 多达两千多根。所有钢管间连接均 为相贯连接 ， 其中存在许多节 点是多根杆件交汇与一点 最多时有1 3 根 杆件交汇与一点 。因此，考虑将尽量 多的杆件组成整体 进行 吊装 ，在高空尽可能避免过多的多型号杆件的相贯焊 接 ，在仔细研究图纸后 ，结合结构特点、现场 实际施工情 况和工期要求，我们对屋顶钢结构安装的施工 方案做 了如 下的比较分析。 2 ． 1 ． 1 散件 吊装 散件 吊装为高层 、轻型网架的常用吊装方法，对于本 工程来说，优点是施工工艺简单、利用现有的K 5 ／ 5 0 B 塔 吊 2 0 1 3 ．1 B u i l d in g C 。 n s u c t i o n I 3 9 冯振源超高层建筑中薄壁结构安装工艺研究 配合卷扬机能够满足 吊装要求 ；缺点是高空作业量大、校 正难度大、安全度低、进度慢 ，多杆件贯于1 个节点处的大 量焊接工作量不可避免。再者 ，制作厂无法进行预拼装 ， 在施工过程中存在无法估计的焊接变形 ，会造成局部、涉 及整体 的变形和后续 的杆件的长短间隙难以控制，补缺杆 件无法进挡。 2 ． 1 ． 2整体提升 整体提升的施工方法适用于一般机械难 以施工的、结 构复杂的、空间结构超大的特殊工程。优点是能减少高空 作业量、精度质量容易控制、安全度高、工期短 ；缺点是 受到 自身结构受力情况及相应强度、刚度允许条件 ，以及 是否有宽敞平坦场地等施工条件的限制。 2 ． 1 - 3 分块 吊装 分块吊装基于散件吊装 ，将杆件按照要求进行分段组 块 ，把整个结构分成若干相对稳定的区块进行 吊装 ，并进 行制作厂预拼装 ，以减小误差。相对于散件 吊装，可减小 高空作业量、提高校正精度、增加安全度、提前进度 ；在 吊装阶段 ，尽管也需要脚手架作 为分块构件 的稳定靠山， 但 由于钢结构与脚手架交替上升 ，钢结构可利用脚手架作 为依靠而增加抗风稳定性 ，脚手架也可利用与钢结构的依 靠解决连墙件的设置问题 ，所以脚手架 的搭设可以相对简 化，而减小对屋面的荷载影响。二者的相互依靠可保证整 体稳定和施工安全。 其缺点是由于分块 的构件均 为两力杆组成 ，吊装时缆 索具 的位置和捆扎方式必须注意，避免 吊装过程的变形和 构件损坏。一旦采取分块 吊装，则K 5 ／ 5 0 B 塔吊由于有效高 度不够 ，需多爬升一次，需 自行设计加 固措施替代混凝土 结构进行传递附墙杆件荷载。 2 ． 1 ． 4方案 确 定 考虑到此类空间结构若不进行工厂预拼装将对现场安 装带来较大困难 ，而整体提升存在大量不利条件 ，所 以确 定以 “ 分块 吊装”来进行总体施工方案的设计和完善。在 建模计算并和设计沟通后 ，确定屋顶钢结构安装的技术路 线 采用分块 吊装的方法由K S ／ 5 0 B 塔 吊完成3 个支脚和支 脚间的联系桁架，使结构封 闭后再在结构上安装QM1 8 、 Q W6 屋面吊，拆除K S ／ 5 0 B 塔 吊后，剩余钢管构件散件吊装 图2 。 2 ． 2 临时措施 根据本工程结构特征 ，必须解决施工过程中较大的风 荷载影响问题 ，保证各施工阶段的结构稳定。通过结构建 模设 置抗 风支撑和脚手架 ，可在各施工阶段给予结构相应 的辅助，从而减小施工中结构变形带来的影响。 2 ． 3 测量 此类空间结构 中杆件繁 多 ，周围没 有位 置可设置测 量仪器 ，在其底部又由于脚手架阻挡 了构件的上下通视 ， 4 o 1 t l t U lI -T - 第 3 5 卷第 1 期 图2 构件 吊装示意 大量的构件无法直接观测定位。若直接将仪器设置在操作 脚手架上又无法保证精度 ，会受到 吊装B ,1 n 人走动 时脚手 架的震动影响。简单地利用经纬仪和垂准仪进行测量放线 已不适用于上部结构的安装校正。且根据建模计算结果 ， 由于风荷载 的影响，整个结构在施工过程中最大的弹性变 形可能达 t] 5 7 mm，因此如何保证杆件安装时的空间定位 至关重要。通过现场勘测 ，并借鉴了相关施工经验 ，首先 采用瑞士T C 2 0 0 2 全站仪对土建所移交的控制点、轴线进行 复测，修正后在大屋面上建立控制网 图3。然后将所有 横 向构件投影到大屋面上 ，与相关的控制轴线进行测放 ， 并在大屋面和核心筒上将其引出以保证通视。再在 吊装时 严格控制1 1 根竖 向主弦杆 的垂直度和标高 ，保证其与控制 轴线的绝对偏差。 图3全站仪轴线控 制网示意 利用轴线控制网 ，对底部结构构件与控制线的绝对偏 差严格把关 ；再在核心筒内搭设专用测量台，做好标高控 制点 ，利用引到核心筒上的控制线 ，同时参照1 1 根竖 向主 弦杆与控制轴线间的绝对偏差关系，来控制上部结构构件 与1 1 根竖向主弦杆之间的相对偏差值。 通过这样 的方法进行施工 ，取得 良好的实效 ，在最后 屋顶钢结构管桁架闭合时最大位移偏差仅5 mm。 3 临时支撑体 系研究 3 ． 1 临时支撑体 系施工难点 a必须考虑到大屋面仅有5 0 0 k g ／ m 的承载力，如 趱 l 一 Ⅺ 弓 振源 超高 层 建筑 中 薄 壁 结 构 安 装 工 艺 研究 图7 临时抗风支撑平面位置示意 5 塔 吊爬升及拆除工艺研 究 5 ． 1 塔 吊拆 除难点分析 超高层建筑塔 吊的拆 除一般 采用置换法。本工程前 期由于边施工边设计的缘故 ，屋顶钢结构 的外观及结构形 式也经过多次变化。因此，原先采用的吊装设备、技术路 线以及塔吊的拆除已不能适应。还存在如何布置用来拆除 K 5 ／ 5 0 B 塔 吊的QM1 8 、Q W6 屋面 吊，以及何 时进行拆除的 问题。 5 ． 2 拆除工艺的确定 针对此情况 ，我们结合结构 本身特 点 ，首先确定对 K 5 ／ 5 0 B 塔 吊的拆除采用置换 法，即先 由K S ／ 5 0 B 塔 吊安装 Q M1 8 屋面 吊，待拆除K 5 ／ 5 0 B 塔 吊后 ，再安装Q W6 屋面 吊 来拆 除组装QM1 8 屋面 吊。其 中，M1 8 屋面吊的设置好坏直 接关系到整个塔 吊拆除施工的顺利与否。因此 ，做 了如下 方案考虑和 比较。 方案一 按照QM1 8 屋面 吊拆除K S ／ 5 0 B 塔 吊的企 业 工法和其他类似的高吊拆除方法，QM1 8 屋面 吊须安装在 距K 5 ／ 5 O B 塔 吊中心1 6 m半径 内 ，有效起重高度 必须超过 K 5 ／ 5 0 B 塔 吊A 架 图8 。 图8 QM1 8 屋面吊设置在核心筒位置示意 按照分块吊装的施工方法 ，K 5 ／ 5 0 B 塔 吊无法先拆 ，要 尽量多地将K 5 ／ 5 0 B 塔 吊 “ 用足 ”，如此 ，QM1 8 屋面吊只 能安装在核 心筒东侧。由于QM1 8 屋面 吊有效高度不够 ， 在 1 2 m塔身后还需要设计支架来加高QM1 8 屋面的有效高 度。而且在进行K 5 ／ 5 0 B 塔 吊的拆除时 ，受到屋顶钢结构的 限制 ，巴杆无法整体拆下 ，须在高空分节拆除，拆下的分 段构件只能从结构东南侧的空档 吊下至地面 ，不够安全； 拆除K 5 ／ 5 0 B 塔 吊回转台时 ，起重高度受到屋顶钢结构的限 4 2 1 建 筑施工第 3 5 卷第1 期 制 ，K 5 ／ 5 0 B 塔吊在拆除巴杆后需自降约6 m的距离后才能拆 除 ，同样安全度较低。 方案二 由于 方案一不够安全，而屋顶上唯～可利用 的结构就是 吊装完成之后的屋顶钢结构本身，若QMI 8 屋面 吊能设置在屋顶钢结构 自身结构上，那Q M1 8 屋面 吊的起 重高度就不会受到屋顶钢结构的限制 ，K 5 ／ 5 0 B 塔 吊巴杆可 整体拆除，减小高空的作业量、增加安全性 图9。但整 个屋顶钢结构为薄壁弱抗风结构 ，会受到屋顶钢结构 自身 受力情况及允许强度、刚度 的影响，可能带来较大的加固 量 ，且 K 5 ／ 5 0 B 塔 吊起重高度无法 满足QM1 8 屋面 吊组装 要求。 图9 屋面 吊平 、立面位置示意 因此，将QM1 8 屋面 吊的载荷加入 到模型之中，在各 个施工工况下对屋顶钢结构自身结构进行验算得出 必须 在标高 2 2 5 ． 7 m的外围横 向联 系桁架全部安装、焊接完成 后才能安装Q MI 8 屋面 吊。 按照计算结果 ，在得到设计 允许后 ，将Q M1 8 、Q W6 屋面吊机安装在钢管桁架 自身结构上。在相应的安装位置 对屋顶钢结构做如下的加固 图1 0。 图1 0 屋面 吊支撑位 置加 固示意 ■譬 薏 _I l 为保证结构安全稳定 ，还对QM1 8、QW6 屋面 吊的安 装时间做了要求 必须在 2 1 6 ．2 0～ 2 2 5 ． 7 0 m范围内横 向 联 系桁架安装完毕且屋顶钢结构闭合后进行安装。并对该 工况下的钢管桁架进行结构复核验算 图1 1 。 在K 5 ／ 5 0 8 塔吊最后一次爬升的问题上 ，由于K 5 ／ 5 0 B 塔 吊有效起重高度无法满足标 高2 2 5 ． 7 m的结构安装 差 3 ． 1 m ，更加无法满足标高 2 2 5 ． 7 m之上的QM1 8 屋面吊 组装。考虑是否需要设计1 个爬升附着支架以增大爬升梁的 间距 ，使K 5 ／ 5 0 B 塔 吊爬升后 的起重高度能满足QM1 8 屋面 吊的组装要求。但这样的设计对相应位置的核心筒加固量