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廣東省博物館新館鋼結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    長江精工鋼構(gòu)集團華南事業(yè)部
    王 煦 陳國棟 婁 峰 姜 峰

    主題詞：懸掛結(jié)構(gòu)、體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、水平桿件內(nèi)灌混凝土結(jié)構(gòu)、等標高累積滑移、軌道分離式滑移
    摘要：廣東省博物館新館鋼結(jié)構(gòu)工程是目前國內(nèi)最大的吊掛式結(jié)構(gòu)，總用鋼量1.8萬噸。屋蓋桁架中還采用了內(nèi)灌混凝土和體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索提高構(gòu)件剛度，節(jié)點設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)施工、結(jié)構(gòu)累積變形的分析和結(jié)構(gòu)施工過程的精度控制難度大。經(jīng)過多種方案的比選，施工采用了多個工作面同時展開的施工思路。其中主桁架施工采用利用核心混凝土柱作滑移軌道支撐，等標高、直線、累積滑移工藝
    1、工程概況
    廣東省博物館新館外形為盛滿珍寶的容器（見圖1.1），總建筑面積約66280平方米，建筑總高度為44.5米，地下室1層，地面以上共5層。基礎(chǔ)及二層以下采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，三層以上以懸臂預(yù)應(yīng)力桁架鋼結(jié)構(gòu)為主。總用鋼量1.8萬噸。
    鋼結(jié)構(gòu)分為四大部分（見圖1.2）：核心筒鋼管柱及樓層圈梁，五六層懸臂桁架體系，吊桿及樓層結(jié)構(gòu)，外圍護立面墻體系。

    鋼管柱及圈梁：布置于核芯筒體混凝土剪力墻內(nèi)，鋼管柱為直徑650mm直縫鋼管，與樓層結(jié)構(gòu)對應(yīng)的標高框架圈梁則采用箱形、H型鋼結(jié)構(gòu)（見圖1.3）。
    五六層懸臂桁架體系：是本工程主要的受力系統(tǒng)，支撐在核心筒混凝土墻上部，與鋼管柱直接焊接。桁架共8榀，采用雙向交叉平面桁架，桁架高度8m，上下弦采用1.5m×1m箱型截面，腹桿與弦桿等寬為1m，高度從800mm×1500mm不等。上弦穿體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索，單榀桁架長度113.5m，兩端各懸挑出核心筒23m。沿懸臂桁架外端設(shè)4榀封口邊桁架。上、下弦分別設(shè)置五層和六層樓層鋼梁，形成整體桁架屋蓋體系（見圖1.4）。

    吊桿及樓層結(jié)構(gòu)：封口桁架下伸600×600的箱型鋼吊桿，核心筒內(nèi)部下伸Φ299圓鋼管吊桿，懸吊3～4層樓面結(jié)構(gòu)體系。
    外圍護立面墻體：采用由H型鋼骨架形成的凹凸立面墻架。

    按照結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)體系有三大特點：
    懸掛結(jié)構(gòu): 鋼桁架外挑23m，通過剛性吊桿懸掛下部三層樓蓋結(jié)構(gòu)，樓面與混凝土核心筒鉸接，形成了典型的懸掛結(jié)構(gòu)體系（見圖1.7）。

    組合結(jié)構(gòu);混凝土核心筒承擔主要豎向和水平承載（見圖1.8），支撐上部桁架鋼結(jié)構(gòu)。桁架下弦及部分受壓腹桿內(nèi)灌混凝土（見圖1.9），形成鋼?混凝土組合結(jié)構(gòu)。桁架及樓層梁內(nèi)灌混凝土形成鋼-混凝土組合構(gòu)件。

    預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)：桁架、核心筒內(nèi)外吊桿內(nèi)設(shè)預(yù)應(yīng)力索，形成水平和立面共同作用的預(yù)應(yīng)力體系（見圖1.10）。桁架預(yù)應(yīng)力每榀四束，每束由31根Φ15.24mm 鋼絞線組成群索，索從上弦穿過腹桿錨固在下弦，索在箱形梁內(nèi)轉(zhuǎn)彎（見圖1.11）。懸掛吊桿內(nèi)設(shè)Φ7×121纜索，外吊桿內(nèi)設(shè)四束一組，內(nèi)吊桿1束一組。

    2、施工條件
    土建施工面條件：在移交鋼結(jié)構(gòu)施工前，土建已完成地下室一層、二層6.5m混凝土結(jié)構(gòu)施工，核心筒鋼柱施工到7.5m標高。樓面荷載達到設(shè)計值，即室外30KN/?，室內(nèi)15KN/?。

    3、施工重點、難點
    3.1 桁架上下弦、腹桿均采用箱形截面，弦桿截面全部采用1500×1000，主方向帶牛腿的桁架合計重量為670t。構(gòu)件截面大、重量重，場地狹窄，吊裝施工異常困難。（見圖3.1）

    3.2 主體桁架箱形截面縱橫交叉，吊桿與斜撐、吊桿與樓面梁、鋼管柱與樓面梁連接節(jié)點翼板均需整體下料（見圖3.2）。復(fù)雜的節(jié)點構(gòu)造限定了結(jié)構(gòu)的分段，大量節(jié)點需要在工廠制作成為整體，不僅使深化設(shè)計、構(gòu)件加工難度大。同時給構(gòu)件的運輸和鋼結(jié)構(gòu)安裝帶來困難。

    3.3 不同于普通的結(jié)構(gòu)體系，施工過程需要與結(jié)構(gòu)特殊的受力秩序吻合。施工順序需要根據(jù)各部分構(gòu)造對結(jié)構(gòu)的貢獻來確定。
    3.4 預(yù)應(yīng)力索為體內(nèi)索，索錨的設(shè)計、穿索、張拉施工難度都非常大。索存在與桁架混凝土和吊桿的相互協(xié)同作用，張拉預(yù)應(yīng)力值控制難度大。
    3.5 因結(jié)構(gòu)采用特殊的懸掛式，主要受力桁架的變形會隨施工的順序不斷發(fā)生變化，桁架的變形是一個隨施工過程反復(fù)變化和疊加的過程。因此預(yù)變形值的設(shè)定和施工過程控制難度大。
    4、施工方案
    本工程施工分為三條主線：核心筒框架、五六層屋蓋桁架體系、吊桿及樓層結(jié)構(gòu)。
    五六層桁架體系共10000噸，采用高空拼裝，累積滑移（見圖4.1）。

    核心筒鋼管柱分三層吊裝，連接相應(yīng)樓層圈梁，形成穩(wěn)定框架體系(見圖4.2)。
    樓層結(jié)構(gòu)采用正序安裝，按吊桿?主梁?次梁分層吊裝。支撐架設(shè)置在底層吊桿下，吊桿在安裝過程中臨時作為鋼柱拆除支撐，形成吊掛結(jié)構(gòu)。

    方案優(yōu)點：(1)利用核心筒鋼管混凝土柱的豎向承載力和側(cè)向剛度大以及直線、等標高的特點，作為滑移的軌道支撐（2）核心筒鋼管柱、屋蓋桁架、樓層結(jié)構(gòu)三個作業(yè)面可同時施工，做到立體交叉水平占滿；（3）屋蓋桁架采用液壓爬行器同步滑移，實現(xiàn)滑移體系內(nèi)力自平衡和滑移過程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。(4)豎向承載及滑移軌道分離，充分利用鋼結(jié)構(gòu)自身剛度，減小了支撐體系集中力作用。
    5、施工順序（見圖5.1）
    （1）西側(cè)空地為鋼結(jié)構(gòu)的地面拼裝場地，構(gòu)件分段臥拼裝。
    （2）場地的東、南、北側(cè)各布置一臺固定式塔吊，西側(cè)布置滑移支撐架，采用大型履帶吊吊裝。
    （3）進行鋼管柱和框架梁的吊裝。鋼管柱吊裝分三層，安裝到滑移軌道的底標高。
    （4）核心筒施工的同時可進行西側(cè)滑移拼裝平臺和樓層核心筒外樓層安裝支撐架的搭設(shè)。
    （5）滑移拼裝平臺每次只拼裝一榀桁架，采用等標高滑移。
    （6）滑移第一榀為東側(cè)邊桁架，拼裝可組成三角形穩(wěn)定體，分10主段進行吊裝。吊裝采用一臺500履帶吊和一臺200t履帶吊抬吊。
    （7）在第一榀桁架滑移時，設(shè)置8臺100t液壓爬行器，頂推桁架，一次滑移21.4m距離。
    （8）滑移軌道設(shè)在B、E軸，剪力墻和拼裝支撐胎架安裝完畢后，從1/01軸至5軸東西通長布置，長108m。
    （9）在滑移支撐架上進行第二榀主桁架的高空拼裝，主桁架分6段采用一臺500t履吊吊裝由一邊向另一邊吊裝，中間散件穿插吊裝；
    （10）安裝桁架間另一方向分段主桁架，吊裝采用500t履帶吊吊裝，200履帶吊配合吊裝。
    （11）安裝桁架間樓面鋼梁，增設(shè)8個100t爬行器，進行兩榀桁架的滑移，滑移距離為一個跨距。
    （12）依此類推，進行六榀屋頂鋼桁架和屋頂鋼梁的累積滑移。共24個100t爬行器進行頂推。
    （13）屋蓋結(jié)構(gòu)滑移的同時，南北兩側(cè)及核心筒內(nèi)的樓層結(jié)構(gòu)，也由三臺C7050塔吊從西向東順次吊裝。
    （14）吊裝采用分區(qū)退吊，分區(qū)內(nèi)按吊桿?主梁?次梁分層吊裝。支撐架設(shè)置在三層吊桿位置上。
    （15）第一榀桁架滑移到軌道5軸處，爬行器換置在第四榀桁架上。懸挑部分滑出軌道，推到設(shè)計位置。
    （16）吊桿與桁架連接的最后一段，留待最后安裝。
    （17）屋蓋整體滑移到設(shè)計位置，完成鋼管柱與桁架下弦的焊接。
    （18）拆除軌道和支撐架，采用塔吊和200t履帶吊先后進行東側(cè)和西側(cè)核心筒外側(cè)樓層鋼結(jié)構(gòu)的安裝。
    （19）進行四層吊桿安裝。隨后屋蓋結(jié)構(gòu)開始進行預(yù)應(yīng)力穿索。
    （20）第一次張拉屋蓋主桁架的預(yù)應(yīng)力索到設(shè)計值的70%，桁架懸臂部分上拱，樓層吊桿脫離支撐架，樓層結(jié)構(gòu)吊掛在屋蓋桁架上。
    （21）拆除樓面支撐，張拉吊桿預(yù)應(yīng)力鋼索，實現(xiàn)懸掛鋼結(jié)構(gòu)體系。
    （22）進行土建樓面和主桁架混凝土的澆注，第二次張拉桁架預(yù)應(yīng)力索到設(shè)計值。
    （23）安裝外墻立面結(jié)構(gòu)，完成鋼結(jié)構(gòu)施工。

    6、主要技術(shù)要點和質(zhì)量保證措施
    6.1結(jié)構(gòu)預(yù)拱
    本工程結(jié)構(gòu)在施工過程中存在五個階段：
    （1）屋蓋滑移到位，下部結(jié)構(gòu)樓層結(jié)構(gòu)與屋蓋結(jié)構(gòu)還未連接；
    （2）四層吊桿與屋蓋結(jié)構(gòu)連接，下部三層結(jié)構(gòu)懸掛在屋蓋桁架上；
    （3）桁架施加部分預(yù)應(yīng)力，屋蓋桁架有部分反向變形；
    （4）樓面及屋蓋結(jié)構(gòu)內(nèi)部澆注混凝土；
    （5）施加預(yù)應(yīng)力到設(shè)計值，結(jié)構(gòu)完成變形，在恒載和0.5倍活載作用下的結(jié)構(gòu)最終變形。


    桁架預(yù)拱：按照上述計算原則將各種荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形，反向施加于結(jié)構(gòu)，確定為1.0恒載＋0.5活載最用下的工況作為控制階段和結(jié)構(gòu)預(yù)拱值，且屋蓋結(jié)構(gòu)預(yù)拱只在懸臂桁架的端部進行；預(yù)拱采用直線式起拱，工廠構(gòu)件制作不考慮預(yù)拱的影響，預(yù)拱依靠地面拼裝和高空拼裝的定位實現(xiàn)。
    桁架端部預(yù)拱值見圖6.1。

    按照吊桿長度不變的原則，吊桿的預(yù)拱需要通過底部標高的調(diào)整進行。
    具體預(yù)拱措施為樓層結(jié)構(gòu)最外圈吊桿的標高定位值為：設(shè)計標高+預(yù)拱值+桁架自重變形值，（設(shè)計值+5階段值-1階段值）。
    6.2支撐架設(shè)計
    支撐架分為：滑移拼裝平臺支撐架，滑移軌道支撐架，樓層結(jié)構(gòu)安裝支撐架（見圖6.2，6.3））。
    拼裝平臺處支撐胎架分主胎架和副胎架，主胎架設(shè)置在地下室邊界線外側(cè)1/01軸處西偏1500mm，主要支撐滑移桁架的分段拼裝。副胎架位置在主胎架的東側(cè)，離西側(cè)剪力墻中心位置為14.5m，支撐南北向桁架安裝。為了與樓層混凝土柱形成對應(yīng)關(guān)系，支撐全部采用大直徑鋼管柱，柱之間采用鋼管撐連接連接，中間填充腳手架作為操作平臺。


    6.3滑移施工
    5?6層鋼屋蓋結(jié)構(gòu)采用逐榀累積直線等標高滑移（見圖6.4）。

    鋼屋蓋的滑移采用液壓同步頂推技術(shù)進行，滑移過程水平力自平衡（見圖6.5）。
    桁架下弦面設(shè)置滑移通道，通道表面與桁架下弦全面接觸，提供水平推力的爬行器軌道與豎向承重面分離。利用桁架自身剛度，減小軌道負荷（見圖6.6）。

    進行滑移施工的結(jié)構(gòu)重量約8800噸，除屋蓋鋼桁架外還應(yīng)包括核心筒內(nèi)部的5、6層樓層鋼梁，所有懸挑部分樓層鋼梁滑移到位后，原位安裝。
    整體滑移至核心筒東側(cè)邊緣時，結(jié)構(gòu)前端將脫離滑道，在懸挑狀態(tài)下逐步滑移到設(shè)計位置（見圖6.7）。
    第一次滑移邊桁架設(shè)計沒有斜撐，無法形成單向受力結(jié)構(gòu)，需要采用臨時桿件加強（見圖6.8）。

    第一滑移單元最大變形為45mm位于桁架中部（見圖6.9）。導(dǎo)致該部分在與第二單元組裝時接口位置錯位在完成第一次滑移后首先需將該單元與第二單元對接節(jié)點利用千斤頂頂起到設(shè)計標高，利用胎架固定牢固后才能與第二單元組裝。待桁架對接完成再卸載胎架，進行滑移。

    6.4預(yù)應(yīng)力施工
    縱橫向交叉與立面吊桿索交叉。施工難度大。需要在箱形結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)計彎管套筒、導(dǎo)索機構(gòu)，套筒在工廠直接定位在橫隔板上，施工時需要高空單根穿索，才能保證鋼索順利轉(zhuǎn)彎和交叉。
    本工程結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的索力大，施工順序確定后，需要對各種結(jié)構(gòu)狀態(tài)索力進行詳細分析，從而推算不同時供階段施加預(yù)應(yīng)力的控制值，經(jīng)分析確定桁架每束張拉力3500KN，分兩次張拉，預(yù)應(yīng)力控制值在索極限承載力的55%左右。吊桿索每束張拉力2200KN一次張拉到位，預(yù)應(yīng)力控制值為所極限承載力的30%。
    桁架第一次張拉的結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)為：所有鋼結(jié)構(gòu)安裝到位，屋蓋桁架與吊桿焊接，樓層結(jié)構(gòu)支撐架未拆除，第一次張拉到預(yù)應(yīng)力索設(shè)計值的85%，桁架懸臂部分上拱，樓層吊桿脫離支撐架，樓層結(jié)構(gòu)吊掛在屋蓋桁架上。

    拆除樓面支撐，張拉吊桿預(yù)應(yīng)力鋼索，實現(xiàn)懸掛鋼結(jié)構(gòu)體系。
    進行土建樓面和主桁架混凝土的澆注，第二次張拉桁架預(yù)應(yīng)力索到設(shè)計值每束3500KN。
    6.5施工仿真分析和變形控制
    本工程鋼結(jié)構(gòu)自重、樓面混凝土及各種活載作用，預(yù)應(yīng)力，桁架內(nèi)澆灌混凝土，各部分構(gòu)造對桁架的變形有不同的貢獻。結(jié)構(gòu)的最終變形是各階段荷載作用下變形的疊加，此值隨著施工順序在不斷的發(fā)生變化（見圖6.13），仿真計算就是要找到變形的規(guī)律，對結(jié)構(gòu)分層預(yù)變形，使結(jié)構(gòu)的最終變形達到設(shè)計的初始狀態(tài)。反過來再指導(dǎo)深化設(shè)計和安裝順序，并成為本項目質(zhì)量驗收標準編制依據(jù)。

    6、小結(jié)：
    廣東省博物館新館鋼結(jié)構(gòu)，采用大懸臂桁架懸掛下部三層樓面結(jié)構(gòu)的吊掛式結(jié)構(gòu)，桁架中還采用了內(nèi)灌混凝土和體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索提高構(gòu)件剛度，節(jié)點設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)施工、結(jié)構(gòu)累積變形的分析和結(jié)構(gòu)施工過程的精度控制難度大。經(jīng)過多種方案的比選，施工采用了多個工作面同時展開的施工思路。其中主桁架施工采用利用核心混凝土柱作滑移軌道支撐，等標高、直線、累積滑移工藝。同時在傳統(tǒng)的滑移工藝上也進行了以下創(chuàng)新：采用液壓爬行器頂推實現(xiàn)內(nèi)力自平衡、桁架下弦面設(shè)置滑移通道，通道表面與桁架下弦全面接觸，提供水平推力的爬行器軌道與豎向承重面分離，利用桁架自身剛度，減小軌道負荷。 采用局部頂升工藝，實現(xiàn)滑移桁架和拼裝桁架的順利對接。樓層和鋼管柱采用從下到上的順序施工工藝，通過最后與桁架的連接實現(xiàn)吊掛。
    在施工過程對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形實現(xiàn)全程仿真，以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)預(yù)拱、精度控制、預(yù)應(yīng)力狀態(tài)和預(yù)應(yīng)力值的控制。
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