馬永賀

廣東中科華大工程技術(shù)檢測有限公司 廣東 廣州 511458

針對大型懸挑鋼結(jié)構(gòu)安裝，黃紅剛等[1]發(fā)明了采用支撐胎架方法，深圳證券交易所營運(yùn)中心即采取搭設(shè)臨時支撐胎架的方法來安裝高空大跨度空間巨型懸挑鋼桁架結(jié)構(gòu)[2]。實(shí)踐證明，采取支撐胎架安裝大懸挑鋼結(jié)構(gòu)，可確保施工過程安全，有效控制構(gòu)件內(nèi)力，提高施工效率。

為保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量及施工安全，施工前對復(fù)雜項目施工過程進(jìn)行精細(xì)的有限元模擬分析很有必要。為此，賈寶榮[3]歸納了高層鋼結(jié)構(gòu)施工模擬分析方法。為保證關(guān)鍵施工過程中的安全可靠性，本項目臨時支撐卸載前亦采用Midas/Gen軟件進(jìn)行了施工階段模擬分析[4]，以期為施工過程中臨時支撐措施的拆除順序和拆除流程提供依據(jù)。

1 項目概況

背景項目總建筑面積約240 000 m2，由東、西2棟塔樓組成，集研發(fā)、辦公、寫字樓和地庫于一體。地下4層，功能為地下車庫及設(shè)備用房。西塔建筑高度約180 m，東塔建筑高度約211 m，2棟塔樓通過鋼連橋連接，極具藝術(shù)性（圖1）。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本項目結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大，尤其是鋼結(jié)構(gòu)部分設(shè)計新穎、工程量大、技術(shù)含量高。東西2座塔樓均采用帶懸掛層的支撐-框架結(jié)構(gòu)體系（圖2、圖3），采用鋼管混凝土柱＋鋼框架柱＋鋼支撐的形式，鋼梁＋鋼筋桁架樓承板組合樓蓋體系。

東塔及西塔分別設(shè)計有6個“懸挑方體”，使得建筑具有較強(qiáng)的“漂浮感”，每個“懸挑方體”的頂部為巨型懸挑桁架層。本項目鋼結(jié)構(gòu)總用量約50 000 t，鋼材材質(zhì)為Q420GJC、Q345GJC、Q345B、Q235B。

圖1 項目效果圖

圖2 核心筒結(jié)構(gòu)

3 工程重、難點(diǎn)

1）高材質(zhì)厚鋼板焊接難度大。本工程鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中存在大量的高材質(zhì)鋼（Q420GJC），板厚大（最大板厚100 mm），高材質(zhì)厚板的焊接質(zhì)量控制是本工程一大難點(diǎn)。

2）現(xiàn)場平面規(guī)劃難度大。本工程出入現(xiàn)場僅有唯一一條道路，支撐胎架及底部轉(zhuǎn)換桁架占地面積大，首層樓板存在多處降板區(qū)且設(shè)備洞口多，對場平布置規(guī)劃提出了很高的要求。

3）支撐措施的安裝、卸載及變形控制難度大。本項目懸挑方體施工擬采用底部支撐胎架＋上部臨時桁架支撐措施，由于各懸挑方體立面高度不一致，故要做好外框間卸載平衡，確保整體結(jié)構(gòu)變形在可控范圍內(nèi)。

4）復(fù)雜節(jié)點(diǎn)施工難度大。本項目存在較多的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)施工，如桁架層鋼柱節(jié)點(diǎn)（牛腿多達(dá)8個）、梁上起柱節(jié)點(diǎn)、外框斜撐節(jié)點(diǎn)等，安裝難度大。

4 施工總體部署

總體部署原則為：工序安排上統(tǒng)籌考慮、合理搭接，資源保證上比選優(yōu)化、均衡配置，施工管理上全面協(xié)調(diào)、周密服務(wù)。

本工程地上部分鋼結(jié)構(gòu)安裝按照施工工序分為9個施工階段：深化設(shè)計階段、鋼結(jié)構(gòu)制作階段、L1～L10層核心筒施工階段、懸挑方體底部支撐措施施工階段、地上鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層及中部支撐柱施工階段、臨時桁架層施工階段、上部方體及底部支撐措施拆除施工階段、臨時桁架層拆除施工階段、東西塔樓間鋼連橋安裝施工階段。

平面施工部署：本工程共分為東、西2棟塔樓，2棟塔樓同時進(jìn)行施工，其中每座塔樓分為1個核心筒和3個懸挑外框共4個鋼結(jié)構(gòu)施工分區(qū)（圖4）。

圖3 懸挑方體結(jié)構(gòu)

圖4 平面分區(qū)

立面施工部署：核心筒結(jié)構(gòu)施工作業(yè)層領(lǐng)先外框4～6層，鋼柱領(lǐng)先鋼梁安裝1～3層，鋼梁安裝領(lǐng)先鋼筋桁架樓層板鋪設(shè)3～6層，鋼筋桁架樓層板鋪設(shè)領(lǐng)先混凝土澆筑4～6層。

4.1 地上鋼結(jié)構(gòu)總體安裝流程

本工程地上鋼結(jié)構(gòu)為核心筒＋外框懸挑方體，每棟塔樓核心筒有鋼柱28根、外框吊柱10根、桁架層6個，每棟塔樓共布置2臺塔吊（均為雙倍率）進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)安裝。西塔布置2臺法福克M760D、東塔布置2臺中昇ZSL1150動臂式塔吊，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)塔吊的起重能力和運(yùn)輸條件的限制進(jìn)行分段分節(jié)，鋼柱最大分節(jié)長度為13.5 m，單節(jié)最大質(zhì)量34.77 t，主要采用分段高空散裝的工藝進(jìn)行安裝[5]。

鋼結(jié)構(gòu)總體安裝流程如下（圖5）：第一步，安裝核心筒1～8層鋼結(jié)構(gòu)；第二步，安裝底部支撐（此時核心筒施工至約12層）；第三步，安裝下部3個懸掛方體；第四步，安裝中部支撐柱及上部懸掛方體臨時桁架層；第五步，安裝完成上部懸掛方體臨時桁架層，拆除中部支撐，再拆除下部支撐；第六步，安裝臨時桁架層上層臨時支撐柱，并開始向上安裝上部懸掛方體；第七步，安裝完成上部懸掛方體后，將臨時支撐柱替換為原結(jié)構(gòu)柱；第八步，卸載上部懸掛方體臨時桁架層，完成整體鋼結(jié)構(gòu)安裝。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)總體安裝主要步驟

4.1.1 核心筒鋼結(jié)構(gòu)安裝流程

核心筒鋼結(jié)構(gòu)安裝流程為：安裝角部柱→安裝角部柱之間的斜撐、梁→擴(kuò)展安裝另一半柱及斜撐、梁。

4.1.2 外框懸挑方體安裝流程

1）懸挑方體標(biāo)準(zhǔn)層：采用從下往上的順序進(jìn)行安裝。安裝前于首層樓板上搭設(shè)底部支撐（分配桁架＋支撐胎架），支撐點(diǎn)測量定位后，進(jìn)行首層底部懸挑方體標(biāo)準(zhǔn)層的安裝。具體流程為：安裝支撐胎架上方最底層邊梁→安裝懸挑方體角部吊柱→安裝底層樓層次梁→安裝吊柱間第2、3層邊梁→安裝第2、3層樓層次梁→于次梁上布置水平通道、安全網(wǎng)等措施。

2）懸挑方體桁架層：每棟塔樓有6個桁架層，每個桁架層高度為4個標(biāo)準(zhǔn)層高（18 m），桁架層構(gòu)件均為大截面構(gòu)件，且節(jié)點(diǎn)處加勁板較多，構(gòu)件分段時需綜合考慮塔吊性能及安裝難度。桁架整體安裝順序采用從下往上依次安裝，待整體就位后再進(jìn)行焊接固定。

4.1.3 臨時支撐措施

本工程外框懸挑方體自重大，且為非對稱形式懸挑，在施工過程中需要加設(shè)臨時支撐措施，確保懸挑方體施工安全。臨時支撐措施由底部支撐措施＋中部臨時支撐＋臨時桁架層組成。

1）底部支撐措施由支撐胎架＋分配桁架組成（圖6）。因上部荷載較大，地下室頂板承載力不足，支撐胎架不可直接放置于地下室頂板上，故通過在支撐胎架底部設(shè)置分配桁架，將上部荷載傳遞至地下室混凝土柱頭。

圖6 底部支撐措施

2）中部臨時支撐布置在下部懸挑體的懸掛桁架層上部，用于支撐上部臨時桁架層施工，中部臨時支撐采用φ800 mm×25 mm的鋼管進(jìn)行支撐，支撐高度為9 m或13.5 m。

3）臨時桁架層設(shè)置于上懸掛方體底部3層，主要是用于支撐上部懸挑方體施工，同時可以將下部懸挑方體支撐措施進(jìn)行卸載，方便下懸挑方體其他工序提前插入施工，節(jié)省整體施工工期。

4.2 現(xiàn)場總體焊接順序

根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，焊接時采取整體對稱焊接與單根構(gòu)件對接焊接相結(jié)合的方式進(jìn)行，焊接過程中要始終進(jìn)行結(jié)構(gòu)標(biāo)高、水平度、垂直度的監(jiān)控。焊接順序?yàn)橄群附雍诵耐?，然后依次焊接周圍懸挑結(jié)構(gòu)，核心筒及周圍懸挑結(jié)構(gòu)均先焊接角柱，然后依次向周邊焊接。

5 施工模擬分析

本工程為超限結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為確保安裝精度及施工過程中的安全，采用Midas/Gen軟件進(jìn)行施工階段模擬分析，掌握了懸掛方體在施工過程中受力狀態(tài)的變化規(guī)律，分析了臨時支撐卸載前后的結(jié)構(gòu)最大變形量，確定了臨時支撐措施的拆除順序和拆除流程。按照施工步驟將結(jié)構(gòu)構(gòu)件、支座約束、荷載工況劃分為一組，計算過程中采用考慮時間依從效果的方式進(jìn)行分析，真實(shí)模擬實(shí)際施工的動態(tài)過程，將東西塔的施工過程分別劃分為52、50個步驟來進(jìn)行施工模擬分析。

施工模擬確定的臨時支撐拆除順序、施工階段核心筒水平位移、施工階段吊柱和核心筒內(nèi)方鋼管混凝土柱樓面節(jié)點(diǎn)豎向位移、施工過程構(gòu)件承載力等驗(yàn)算結(jié)果如下：

1）底部胎架、上部臨時桁架拆除順序。以施工模擬時核心筒鋼管混凝土柱出現(xiàn)的位移最小為比選依據(jù)，分析了臨時支撐不同拆除順序的效果。經(jīng)分析，拆除順序?yàn)槲魉-3—W-2—W-1、東塔E-3—E-2—E-1時，核心筒鋼管混凝土柱的位移最小。

2）施工階段核心筒水平位移。施工階段核心筒最大水平位移為：西塔x向34.4 mm、y向28.6 mm；東塔x向37.9 mm、y向25.3 mm。以上數(shù)值遠(yuǎn)小于地震作用和風(fēng)荷載作用下的變形，表明結(jié)構(gòu)是安全可靠的。3）施工階段吊柱和核心筒內(nèi)方鋼管混凝土柱樓面節(jié)點(diǎn)豎向位移。澆筑樓板混凝土前吊柱的最大相對位移為111.8 mm，對應(yīng)的撓度為1/387（跨度21.14 m），核心筒內(nèi)方鋼管混凝土柱的最大位移為24.1 mm；澆筑樓板混凝土后吊柱的最大相對位移為140.8 mm，對應(yīng)的撓度為1/300（跨度21.14 m），核心筒內(nèi)方鋼管混凝土柱的最大位移為34.1 mm。實(shí)際施工中通過采取豎向起拱方式來解決施工階段豎向位移的問題，以滿足設(shè)計標(biāo)高要求。

4）施工過程構(gòu)件承載力。在整個施工過程中，吊柱、斜撐和主要框架梁構(gòu)件的最大應(yīng)力比為0.71，次要構(gòu)件的應(yīng)力比不超過1.0，安全儲備充足，滿足施工過程的承載力要求。

6 結(jié)語

本項目鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎、工程量大、技術(shù)含量高、施工難度大，鋼結(jié)構(gòu)是本項目建造過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過采用先進(jìn)的建造設(shè)備和施工工藝，在“懸挑方體”鋼結(jié)構(gòu)施工中創(chuàng)新地采用“分配桁架＋底部臨時支撐＋中部支撐＋上部臨時桁架”臨時支撐工藝，施工過程中采用分階段施工仿真模擬的方法，科學(xué)合理地制定了臨時支撐卸載方案，保證鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵施工過程中的安全可靠性和安裝準(zhǔn)確性，達(dá)到了設(shè)計和相關(guān)規(guī)范的要求，可為類似鋼結(jié)構(gòu)工程施工提供參考。