百米高空悬挂多层大跨钢结构整体提升及滑移技术

百米高空悬挂多层大跨钢结构整体提升滑移安装技术耿中原佘远军江苏南通六建建设集团有限公司226500[摘要]石家庄金马小区5#楼钢结构为钢框架和劲性混凝土混合结构，从23层开始至34层止，采用在结构顶部用四榀6m高的预应力钢结构大梁悬挂10层钢框架，悬挑跨度为10.55m，根据工程实际情况，采用整体提升高空滑移技术，最大限度的满足了设计要求，成功完成了钢结构的安装。[关键词]钢结构整体提升高空滑移1工程简介石家庄金马小区5#楼钢结构工程，为钢框架和劲性混凝土的混合结构；面积约1330m2，钢结构从23层开始至34层止，标高为67.720米～103.80；该工程主要包含钢结构工程和劲性混凝土大梁（预应力组合结构）两部分，通过顶部四榀6m高的预应力钢结构大梁悬挂下部十层钢框架。从结构性质上分该结构为四部分，见上图，区域Ⅰ属劲性钢骨混凝土钢结构，区域Ⅱ为悬挑劲性钢骨混凝土钢桁架，为高空大悬挑结构（标高：97.790、悬挑跨度：10550mm），区域Ⅲ为钢框架，为准悬挂结构，区域Ⅳ为预应力钢结构部分。2施工难点1)悬挑高度大；施工最低点离地面67.720米，最高点为103.87米；2)悬挑跨度大，为10550mm，对施工技术要求很高；3)结构形式复杂，本工程结构形式分为钢框架结构、钢桁架、劲性钢骨混凝土结构、大跨悬挑预应力结构四种结构，施工工艺各有不同，甚至差别很大；结构形式复杂、工种交错，如何保证每种的结构质量，同时使各工种交接顺利、合理的交错施工也对施工技术，特别是综合的施工技术要求很高。4)散拼构件数量多，焊接量大，施工至23层时，以近冬施，高空露天作业对人工焊接的要求较高。3钢结构安装方案的选择方案1：从下至上高空散装，即先搭设平台，自下而上进行安装，费用较低，现场焊接量大，而且正逢冬季施工，平台搭设难度大，60多米高空，而且承重较大，不论落地还是高空悬挑都比较难，而且悬挂结构与楼层间节点为铰接，采用钢丝绳斜拉，不能保证钢结构变形均匀，可能会产生内应力，对结构造成不利影响。方案2：卷扬机机组整体提升和高空滑移安装，部分散件和部分组合件进场，区域Ⅰ和区域Ⅱ部分钢构件随混凝土结构进行施工，区域Ⅲ在地表搭建的施工平台上利用抱杆系统进行施工组装，然后把区域Ⅰ和区域Ⅱ的劲性钢骨混凝土结构作为支撑点，利用卷扬机机组，进行整体提升和高空滑移安装就位，现场焊接量少，但卷扬机组无法确保所有吊点同步提升，会对结构产生不利的内应力。方案3：计算机控制液压同步整体提升和高空滑移安装，做法同方案2，利用计算机控制液压同步整体提升和高空滑移安装安装就位，避免了方案2的不足。综合考虑，最终我们采用了方案3。4安装工艺流程4.1整个安装过程分成七个流水阶段流水段1：区域Ⅰ的施工，区域Ⅳ的楼板预应力施工；→流水段2：区域Ⅲ钢结构的拼装平台搭建；→流水段3：区域Ⅲ的在拼装平台上的整体拼装；→流水段4：区域Ⅱ钢结构的施工，区域Ⅰ内97.79标高以上混凝土施工；→流水段5：区域Ⅱ内的混凝土施工和预应力张拉，区域Ⅲ的钢结构焊接和加固；→流水段6：区域Ⅲ的主体框架结构的液压同步整体提升和整体滑移；→流水段7：区域Ⅲ结构与主体结构对接和加固措施的处理、拼装平台拆除至竣工验收。4.2各流水段施工方法：4.2.1流水段1：区域Ⅰ的施工，区域Ⅳ的楼板预应力施工；区域Ⅰ内钢结构随主体同步施工，利用现场的正兴QTZ80塔吊进行吊装，属于普通的高层劲性钢构安装，在混凝土结构封顶时区域Ⅰ内钢结构完工，楼板预应力施工方法本处不作详细描述。4.2.2：流水段2：区域Ⅲ钢结构的拼装平台搭建；4.2.2.1区域Ⅲ钢结构组装平台的位置确定施工现场区域Ⅲ钢结构的投影下方上表面标高不在一个平面上，现场必需组建一个临时的搭设施工组装平台，同时1～23层每层楼层位置在5-A轴以外有600～800mm的挑檐，为了区域Ⅲ钢框架的整体结构提升，因此临时搭设的施工平台必需在区域Ⅲ钢结构的垂直投影的位置基础上，整体向5-A/2轴偏移1000mm。4.2.2.2区域Ⅲ钢结构组装平台的设计平台结构采用钢框架结构，如右图所示，该平台的承重构件柱主要落在原有混凝土结构柱顶和剪力墙上，落在梁和板上的柱子，在下面部位做相应加固；为区域Ⅲ钢框架抗风荷载需要，部分柱间增加钢支撑。4.2.3流水段3：区域Ⅲ的在拼装平台上的整体拼装；由于上部区域Ⅱ同时施工，因此不能采用塔吊进行构件拼接，采用抱杆进行吊装拼接。该抱杆系统分为五个部分（如左图）。第一部分为抱杆本身，采用φ273x10，材质为20号钢；第二部分为支座，起到固定作用；第三部分为1＃钢丝绳为主线的卷扬滑轮组设备，包括由滑轮1和滑轮2组成的滑轮组、1＃钢丝绳、滑轮3、滑轮4、1＃卷扬机，作业为吊装构件；第四部分以2＃钢丝绳为主线的卷扬滑轮组设备，包括由滑轮5、滑轮6、滑轮7、2＃钢丝绳、2＃卷扬机，作用为使抱杆在竖向运动；第五部分以3＃钢丝绳为主线的水平导向设备，作用为使抱杆在水平范围内运动。（附组装完成后的照片）4.2.4流水段4：区域Ⅱ钢结构的施工，区域Ⅰ内97.79标高以上混凝土施工；因为在高空作业，为了区域Ⅱ钢结构的施工，需搭设悬挑钢平台。4.2.4.1区域Ⅱ钢结构悬挑平台的的施工采用“销轴旋转法”搭建区域Ⅱ悬挑结构的施工平台，该施工平台的材料完全取自区域Ⅱ的底层钢构件（标高为97.790米悬挑钢梁），达到经济、安全、实用目的。悬挑梁旋转单元划分如下图所示。三角托架梁顶标高为97.310，比悬挑梁底标高97.340低了30mm,为了弥补二者的高差，在三角托架上面采用橡胶垫作为找平措施，橡胶垫的作用一方面是为了垫高找平，另一方面是为了防止悬挑梁与三角托架的“硬碰硬”，保证结构安全和易操作性。拉结钢棒直径为φ28，材质为Q235B；花篮螺栓选用002型花篮螺栓，承载力为147KN；钢棒与悬挑梁是铰接连接，与上部桁架是刚接连接；花篮螺栓的作用是调节拉结钢棒的长度，控制悬挑梁的水平度。悬挑梁柔性拉杆φ28的优点是在悬挑单元旋转施工过程中，易于操作，缺点是悬挑梁的柔性拉结，使悬挑梁的变形难于控制；为解决该难题，增加悬挑单元的施工安全性，每根梁增加两根刚性拉杆φ54x4，该拉杆需在柔性拉杆固定好后进行施工。待整个悬挑单元安装完毕后，调整平台的高度和水平度，达到设计要求后安装横梁。然后铺设特制架板和安全网，这样操作平台就行成了。4.2.4.2区域Ⅱ悬挑钢桁架的施工区域Ⅱ悬挑钢桁架剩余钢结构的施工，主要是在已搭建完的悬挑平台上利用搭吊进行安装。该部分构件全部为散装构件，利用搭吊进行安装施工；为了结构的安全，施工的顺序为从里向外，具体如下：5-A轴构件→5-A/2轴构件→5-A/1轴构件。区域Ⅱ悬挑钢桁架的施工过程简述:第一步：利用主体结构顶作为施工平台，安装该部分钢构件。第二步～第五步的安装过程如左图示；在每步安装过程中，同时安装每个桁架侧向支撑和联系梁，保证每个桁架的稳定性。4.2.5流水段5：区域Ⅱ内的混凝土施工和预应力张拉，常规的混凝土施工和预应力张拉技术，本处不作过多描述。4.2.6流水段6：区域Ⅲ的主体框架结构的液压同步整体提升和整体滑移4.2.6.1整体提升总体施工流程整体提升→提升至距离设计标高1m处→整体向主结构方向滑移1m→整体提升合拢4.2.6.2整体提升吊点布置点、经计算，本工程提升设置4个整体提升吊点，1、2号点每个提升吊点布置2台LSD40千斤顶，3、4号点每个提升吊点布置2台TX-100-J千斤顶，共布置千斤顶8台；吊点的标高为103.870。结合本工程提升油缸的布置，布置2台BJ-40泵站，流量40L/min，提升速度可达3～4米/小时。4.2.6.3整体提升支撑以及上、下提升节点设计1＃；2台40吨油缸2＃；2台40吨油缸3＃；2台100吨油缸4＃；2台100吨油缸将提升上锚点设置在悬挑出结构的两根通长的劲性钢骨混凝土预应力大梁上，悬挑梁横截面尺寸为600×6000。提升上锚点立面和平面图提升下锚点支架安装在钢框架的第七层顶梁上，即标高88.800处，位置与上锚点垂直。提升上锚点立、平面和下锚点结构图4.2.6.4区域Ⅲ钢框架整体提升上锚停缩缸下锚紧上锚紧伸缸下锚停上锚紧无动作下锚停下锚紧缩缸上锚停载重伸缸：上锚紧、下锚停，主油缸伸缸，被提构件可提升一段距离。第三步：锚具切换：主油缸缩到底，停止缩缸，上锚紧，下锚停。第二步：第一步：空载缩缸：上锚停、下锚紧、主油缸缩缸，被提构件在空中停滞一段时间。锚具切换：主油缸伸到底，停止伸缸，下锚紧，上锚停，重复第一步。第四步：提升上锚点提升上锚点提升下锚点位置钢绞线钢绞线开始提升提升到顶提升上锚点油缸行程传感器计算机控制柜就这样通过上下锚具负载的转换，油缸的伸缩，将重物随着油缸的伸缸动作逐步提升至规定高度。4.2.6.5区域Ⅲ钢框架整体滑移桁架整体提升至距设计标高1m距离时，暂停提升，实施整体滑移。由于本工程滑移距离较短，所以采用2台50吨手动液压千斤顶进行整体滑移。千斤顶布置如下图所示，布置在靠近结构两个提升点后方，作为主动滑移点，四个提升点利用Φ140×5的圆管联接成一整体，剩余两个提升点作为从动滑移点。千斤顶行程为300mm，由手动液压泵站配合使用。首先预先在预应力混凝土梁面上预埋钢板作为滑移轨道，提升上锚点做在轨道上；在2个主动滑移点后方预应力混凝土梁面上，预先下好预埋件，作为滑移反力架。整体滑移装置示意图如上图所示4.2.6.6区域Ⅲ钢框架桁架第二次提升、合拢滑移到设计位置后，继续整体提升，最后进行柱对柱的合拢。4.2.7流水段7：区域Ⅲ结构与主体结构对接和加固措施的处理、拼装平台拆除至竣工验收。5钢框架整体提升高空滑移法安装的施工验算钢框架整体提升高空滑移法安装的施工验算分为地表拼装平台、地表搭设的区域Ⅲ钢框架、悬挑结构梁（桁架）、区域Ⅲ钢框架整体提升和整体滑移以及辅助施工措施构件等七部分验算。本工程计算软件采用空间有限元软件MIDAS6.9.1，采用MIDAS软件中的《钢结构设计规范》GB50017-2003对构件进行检验。其中构件的应力比为采用规范检验构件强度、稳定性等检验条款中设计综合应力与设计强度的比值，应力比小于1的构件满足规范要求；对实体分析采用通用有限元分析软件ANSYS8.0进行计算分析。6钢框架整体提升高空滑移法安装的质量和安全控制6.1质量控制的重难点及采取的应对措施6.1.1、区域Ⅲ钢框架的垂直度控制重难点：本工程为地表拼装，超高空竖向和横向对接工程，区域Ⅲ钢框架垂直度超标，会直接影响工程最终的对接安装。采取措施：A、控制拚装施工平台胎架底部杆件（含区域Ⅲ钢框架的底层钢梁）的水平度很关键。B、对区域Ⅲ钢框架的垂直度进行多维多向同时监控，在钢框架的轴线上挂重锤，可以随时监控主桁架垂直度的偏离情况；并在每段柱子焊接定位前，用经纬仪和其它工具进行测量复测定位。6.1.2区域Ⅱ钢桁架和区域Ⅲ钢框架12个对接点的位置和垂直精度重难点：本次对接为多点对接，并且为四点提升，在对接过程中很难保证对接点的位置和垂直精度；一方面是对接点的机械定位时产生的误差，另一方面是在整体提升和整体滑移过程中，结构难免产生扭转或偏移，而导致安装偏差；还是达不到预期的效果。采取措施：一方面保证对接牛腿在施工过程的垂直度和上下对应牛腿的精确定位，另一方面保证四点提升时的同步，特别时在将近对接时，要多次监控和调整。6.1.3在整体提升和滑移过程中，会出现扭曲或偏移现象重难点：因四点进行整体提升和滑移，并且是长距离提升，如各个提升点或滑移点的步调不一致，会出现区域Ⅲ钢框架的偏移或扭曲情况。采取措施：本工程的整体提升采用计算机控制的液压同步控制系统，可以保持整体提升时节奏的一致性，并且能够进行自我监控和调节，位移可以控制在10mm以内。整体滑移时，可以利用滑移轨道上的毫米级刻度和限位器进行控制，严格控制整体滑移的速度也是保证同步滑移的关键。6.2安全控制重点及对策6.2.1结构安全保证1）钢结构结构自身稳定性保证在整个施工过程中，区域Ⅲ钢框架经历了三种不同的受力工况，对其产生了多处的不利之处；应积极根据各种施