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1、柔底 Y 形巨柱斜撑高位转换中的钢结构无胎架施工技术 蔡继斌 李树文 吴钢杰 余红福 容学权 龙叶天 中建三局集团有限公司成都分公司 摘 要： 在建筑功能设计时, 为了满足楼层底部使用大空间和通行道路的需要, 高位转换结构体系的应用越来越多, 而此类结构体系往往采用复杂的大型钢结构, 具有构件质量较大、空间定位复杂、施工难度大等特点。为此, 结合西宁市某工程实践, 提出了针对柔底 Y 形巨柱斜撑高位转换体系的无胎架施工技术, 很好地解决了此类复杂空间结构的施工难题, 为类似工程积累了经验。关键词： 柔底 Y 形巨柱斜撑高位转换体系; 悬挑; 钢结构; 施工模拟分析; 厚钢板焊接; 作者简介：蔡
2、继斌 (1989) , 男, 本科, 工程师。通信地址:四川省成都市高新区府城大道西段 399 号天府新谷 9 栋 16 楼 (610041) 。收稿日期：2017-09-27Free of Bed-jig Steel Structure Construction Technology for Overhead Transfering of Soft Base Y Shaped Huge Column Diagonal BracingCAI Jibin LI Shuwen WU Gangjie YU Hongfu RONG Xuequan LONG Yetian China Construct
3、ion Third Engineering Bureau Group Co., Ltd.Chengdu Branch; Received： 2017-09-27青海商业厅大院改造工程裙楼部分由于考虑到下沉广场和通行道路的要求, 地下 1 层至地上 3 层为架空结构, 采用了一种柔底 Y 形巨柱斜撑高位转换体系作为支撑结构, 通过 3 组结构相近的 Y 形四向斜撑钢管混凝土组合结构, 支撑裙楼上部 6 层楼荷载。针对 Y 形巨柱斜撑高位转换体系的结构设计, 通过对比分析 2 种吊装方案, 根据场地及结构特点, 最终确定采用无胎架高空散拼的施工方案, 依托大型吊车作为安装机械, 通过双夹板技术进行
4、构件的临时连接固定, 采用有限元施工模拟分析, 在吊装顺序选择、厚钢板焊接质量控制、高空安全防护方面进行了重点控制, 有效地解决了复杂结构的高位吊装难题, 同时有效节约了施工工期及措施费用。1 工程概况本改造工程位于西宁市城西区, 由一幢独立的高层写字楼及商业裙楼组成, 总建造面积 54 808 m。塔楼地上 22 层, 地下 3 层, 建筑高度 99.70 m;裙楼地上9 层, 结构屋面高度 43.60 m。塔楼为框架剪力墙结构, 裙楼则为柔底 Y 形巨柱斜撑高位转换体系, 通过地上 4 层转换层将主、裙楼连为一体 (图 1) 。该高位转换体系由 3 组结构相近的 Y 形四向斜撑钢管混凝土组
5、合结构组成, 竖向巨柱为 1 900 mm50 mm 的钢管混凝土柱, 柱撑节点、梁撑节点为铸钢件, 斜撑钢柱为 1 450 mm50 mm 的钢管混凝土柱, 转换层主梁为1 000 mm1 400 mm30 mm30 mm 钢管混凝土梁, 内部浇筑 C50 补偿收缩自密实混凝土 (图 2) 。在 4 层转换层采用箱型钢梁将主、裙楼连接形成整体, 并铺设钢筋桁架模板, 总用钢量约 1 400 t。该转换体系具有空间造型复杂、吊装高度大 (35 m) 、构件质量大 (60 t) 、空间定位难度大、施工工艺难度大等技术特点和难点1。图 1 建筑效果图 下载原图图 2 高位转换体系三维示意 下载原图
6、2 施工难点1) 本工程构件质量大, 最大构件质量 60 t, 普通塔吊机械无法满足吊装要求。2) 本工程连接节点为异形铸钢件, 加工制作要求高。3) 钢结构主体垂直高度达 35 m, 结构造型呈树状, 且单个构件质量大, 构件高空安装空间定位难度大, 安装精度要求高。4) Q390GJE-Z15 钢管柱厚度为 50 mm、ZG270-480H 铸钢件厚度为 75 mm, 焊接过程涉及不同材质、不同厚度对焊, 现场焊接工艺难度大、质量要求高, 且构件悬挑安装, 需要考虑焊接应力对构件空间定位的影响。5) 本工程高空吊装与焊接作业量大, 如何保证钢结构施工过程中的安全是本工程的重点。6) 施工工
7、况复杂, 施工过程受力结构状态与结构设计中不完全一致, 施工荷载对结构变形有较大影响。3 解决思路1) 采用安全余量较大的 260 t 吊车进行构件吊装。根据结构形式以及后浇带的布置, 将本工程划分为塔楼、裙楼两部分进行独立施工, 至 4 层进行高空连接, 裙楼筏板基础施工完成并达到设计要求后组织吊车进场, 将筏板面作为吊装场地进行钢结构的吊装。2) 深化设计阶段借助三维设计软件 XSTEEL 对各节点构件几何尺寸、连接方式进行深化设计, 编制构件加工详图, 用于材料下料、构件制作及安装。3) 通过计算悬挑构件在自重作业下的变形设置预起拱值, 使用计算机软件精确计算控制点的三维坐标, 施工现场
8、采用 2 台全站仪对坐标进行精确定位、校核。同时制订合理的焊接工艺, 按照科学的焊接顺序施焊, 有效防止焊接变形产生的安装误差。4) 针对本工程非等厚、异材质对接焊接节点的处理, 采用铸钢件自带梯口加35单 V 坡口节点形式, 通过焊接工艺评定、焊缝力学性能试验以及 UT 检测, 使各项指标均满足设计要求。焊接过程中严格执行焊接工艺评定, 加强焊接工艺控制, 选择技术过硬的焊工进行焊接施工。5) 在钢结构安装时, 重点加强钢结构高空焊接操作平台的安全防护、转换层钢梁水平兜网、临边挑网安全防护、塔楼区临边硬防护等, 同时加强重点部位的安全管理, 高空作业 100%系安全带, 确保钢结构施工安全。
9、6) 采用计算机进行施工过程模拟, 确定构件吊装顺序, 结合吊装顺序采用有限元分析软件 Midas/Gen 对结构应力及变形进行数值分析计算, 计算出构件安装过程中的变形, 对构件进行预起拱, 施工过程中采取边监控、边施工的方式, 根据监测结果与施工模拟数据进行对比分析, 并对施工预设值进行调整, 确保高位转换体系施工质量与安全满足设计要求。4 安装方案分析施工前, 根据结构特点提出以下 2 种吊装方案供对比选择2-3。4.1 方案一:高空胎架安装法本方案在基础筏板面搭设高空胎架, 钢结构构件在胎架上吊装、焊接完成后, 整体卸载, 卸载后拆除胎架, 达到设计状态。优点:高位转换体系可以按普通钢
10、结构安装方法进行, 然后整体卸载, 施工荷载传递更符合设计状态;施工安全防护搭设较为便捷。缺点:受场地限制, 搭设胎架后汽车吊难以移动就位, 同时占用了构件堆场;胎架搭设工作量大, 高度大, 加之所承托的构件质量大, 斜撑钢管柱与梁撑节点铸钢件拼装后达 50 t, 对胎架承载力及稳定性要求高, 胎架安全保障措施复杂;胎架搭设费用较高;卸载后, 胎架位于高位转换体系下方, 受结构造型影响塔吊吊装不便, 胎架拆卸、外运困难。4.2 方案二:高空散拼法结合 Y 形巨柱斜撑高位转换体系结构特点, 合理安排吊装顺序, 采用双夹板技术进行构件的临时连接固定, 通过吊装倒链调节构件空间位置并逐个吊装、焊接,
11、 通过采用双夹板和钢丝绳作为构件的双重固定措施, 保证转换体系的稳定性, 并充分利用结构自身特点承担结构自重及施工荷载, 让其自成结构体系, 4 层转换层主梁安装完成后, 及时安装各主梁之间的次梁及连梁, 使已安装完成的构件连接成为一个整体, 从而削弱施工荷载对高位转换结构体系的不利影响, 保证整个吊装安全、顺利进行。优点:施工成本低;对 Y 形巨柱斜撑高位转换体系影响小, 逐个进行构件加载、卸载, 可以避免胎架整体卸载后结构变形过大的情况。缺点:空间定位困难, 构件安装精度要求较高。经过多重分析和综合考虑, 通过采用施工模拟分析和施工应力变形分析, 提前做好预起拱等措施后, 无胎架安装的方案
12、二在技术可行性、安全性、经济性等方面较好, 作为优先选择方案。5 方案实施5.1 施工整体流程Y 形巨柱斜撑高位转换体系钢结构深化设计确定初步吊装顺序施工过程模拟分析根据施工模拟分析调整吊装顺序确定吊装顺序现场焊接工艺评定构件验收及复核构件吊装及焊接过程监控与反馈上部结构施工结构应力及变形监测5.2 施工模拟及方案安全性分析采用有限元分析软件 Midas/Gen 进行施工模拟分析, 施工模型的建立按照初步吊装顺序进行, 为分析高位转换体系在施工过程中的变形和受力状态, 建立裙楼整体模型, 与塔楼的连接部分按边界固结考虑, 根据最终确定的吊装顺序, 运用生死单元技术, 依次激活或杀死相应结构单元
13、、荷载及边界条件, 实现施工阶段全过程模拟 (图 3) 。图 3 Midas/Gen 施工模拟建模 下载原图分别按施工方案确定的吊装顺序与一次性加载工况进行施工模拟, 并将各工况下 Y 形巨柱斜撑高位转换体系的应力及变形进行对比分析。1) 按吊装顺序逐个加载工况下的最大应力及应变均发生在吊装完成后, Y 形巨柱斜撑高位转换体系的 x 向最大位移为 3.8 mm, y 向最大位移为 11.7 mm, z 向最大位移为 13.9 mm, 最大 von-Mises 应力为 71.4 MPa。2) 一次性加载工况下 Y 形巨柱斜撑高位转换体系的 x 向最大位移为 2.2 mm, y向最大位移为 3.5
14、 mm, z 向最大位移为 12.5 mm, 最大 von-Mises 应力为 54.5 MPa。由上述施工模拟分析可知, 在施工过程中, Y 形巨柱斜撑高位转换体系的最大von-Mises 应力为 71.4 MPa, 小于钢材的屈服强度及其许用应力, 结构的受力处于弹性范围内, 按此吊装顺序进行施工, 施工过程中的结构安全性满足设计要求。对比分析按施工方案确定的吊装顺序与一次性加载工况下的位移及应力可知, 考虑施工顺序后, 结构的位移有所增加, 但增值较小, 最大水平位移为 11.7 mm, 整体变形较小, 满足设计要求。von-Mises 应力变化最大发生在斜撑上, 其应力由 54.5 M
15、Pa 增加至 71.4 MPa, 增值为 16.9 MPa, 应力增加较小, 满足设计要求。在施工准备阶段, 利用有限元分析软件对施工过程进行数值模拟分析, 在技术上确认了无胎架高空吊装施工方案的可行性。同时可以根据施工模拟结果, 在施工中对结构构件进行合理的预起拱, 抵消结构在自重及施工荷载作用下的变形, 使施工完成后满足设计要求。5.3 Y 形巨柱斜撑高位转换体系吊装深化设计阶段提前考虑吊装方式及吊装设备性能, 结合结构特点及设备选型合理分段。本工程整个转换体系构件吊装选用 260 t 吊车, 在现场最不利位置最大吊重为 90 t, 满足构件吊装要求。吊装过程中配合设置在吊绳上的可调倒链,
16、 通过液压千斤顶、临时连接双夹板以及螺栓进行构件临时固定, 并及时拉结设置在筏板基础上的缆风绳, 确保构件吊装稳定性 (图 4) 。图 4 主要安装步骤 下载原图5.4 吊装定位吊装前利用三维坐标精确计算各个吊钩钢丝绳长度, 在钢丝绳上安装角度调节倒链 (20 t) , 构件吊装前根据计算结果调整倒链长度, 将构件起吊角度调至接近构件就位角度, 构件就位后利用倒链微调构件角度, 并采用全站仪监测、校核。同时安装双夹板自平衡体系, 校正时配合 20 t 千斤顶微调构件标高与构件对接口错位, 实现了 60 t 级大型拼装构件的精确安装。5.5 特厚钢板焊接质量控制为避免 Y 形巨柱斜撑高位转换体系节点处多向杆件集中焊接产生复杂焊接应力, 转换结构深化设计过程中各焊缝位置尽量错开, 节点铸钢件共计 15 个, 由工厂加工制作, 单个铸钢件最大质量 48 t, 拼装后最大质量 60 t。铸钢节点与钢管柱、箱型钢梁焊接连接, 铸钢节点焊接截面尺寸有 1 900 mm50 m
