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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(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    長(zhǎng)江精工鋼構(gòu)集團(tuán)華南事業(yè)部
    王 煦 陳國(guó)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(biāo)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(guó)內(nèi)最大的吊掛式結(jié)構(gòu)，總用鋼量1.8萬(wàn)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(diǎn)設(shè)計(jì)、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(guò)程的精度控制難度大。經(jīng)過(guò)多種方案的比選，施工采用了多個(gè)工作面同時(shí)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(biāo)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?？傆娩摿?.8萬(wàn)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(hù)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(duì)應(yīng)的標(biāo)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(zhǎng)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(hù)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(jì)，結(jié)構(gòu)體系有三大特點(diǎn)：
    懸掛結(jié)構(gòu): 鋼桁架外挑23m，通過(guò)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(dān)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(guò)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(biāo)高。樓面荷載達(dá)到設(shè)計(jì)值，即室外30KN/?，室內(nèi)15KN/?。

    3、施工重點(diǎn)、難點(diǎn)
    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(jì)重量為670t。構(gòu)件截面大、重量重，場(chǎng)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(diǎn)翼板均需整體下料（見圖3.2）。復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造限定了結(jié)構(gòu)的分段，大量節(jié)點(diǎn)需要在工廠制作成為整體，不僅使深化設(shè)計(jì)、構(gòu)件加工難度大。同時(shí)給構(gòu)件的運(yùn)輸和鋼結(jié)構(gòu)安裝帶來(lái)困難。

    3.3 不同于普通的結(jié)構(gòu)體系，施工過(guò)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(duì)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)來(lái)確定。
    3.4 預(yù)應(yīng)力索為體內(nèi)索，索錨的設(shè)計(jì)、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(huì)隨施工的順序不斷發(fā)生變化，桁架的變形是一個(gè)隨施工過(guò)程反復(fù)變化和疊加的過(guò)程。因此預(yù)變形值的設(shè)定和施工過(guò)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(guò)程中臨時(shí)作為鋼柱拆除支撐，形成吊掛結(jié)構(gòu)。

    方案優(yōu)點(diǎn)：(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(biāo)高的特點(diǎn)，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(gè)作業(yè)面可同時(shí)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(shí)現(xiàn)滑移體系內(nèi)力自平衡和滑移過(guò)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(chǎng)地，構(gòu)件分段臥拼裝。
    （2）場(chǎng)地的東、南、北側(cè)各布置一臺(tái)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(jìn)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(biāo)高。
    （4）核心筒施工的同時(shí)可進(jìn)行西側(cè)滑移拼裝平臺(tái)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(tái)每次只拼裝一榀桁架，采用等標(biāo)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(jìn)行吊裝。吊裝采用一臺(tái)500履帶吊和一臺(tái)200t履帶吊抬吊。
    （7）在第一榀桁架滑移時(shí)，設(shè)置8臺(tái)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(zhǎng)布置，長(zhǎng)108m。
    （9）在滑移支撐架上進(jìn)行第二榀主桁架的高空拼裝，主桁架分6段采用一臺(tái)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(gè)100t爬行器，進(jìn)行兩榀桁架的滑移，滑移距離為一個(gè)跨距。
    （12）依此類推，進(jìn)行六榀屋頂鋼桁架和屋頂鋼梁的累積滑移。共24個(gè)100t爬行器進(jìn)行頂推。
    （13）屋蓋結(jié)構(gòu)滑移的同時(shí)，南北兩側(cè)及核心筒內(nèi)的樓層結(jié)構(gòu)，也由三臺(tái)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(jì)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(jì)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(jìn)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(jìn)行四層吊桿安裝。隨后屋蓋結(jié)構(gòu)開始進(jìn)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(jì)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(shí)現(xiàn)懸掛鋼結(jié)構(gòu)體系。
    （22）進(jìn)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(jì)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(diǎn)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(guò)程中存在五個(gè)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(jì)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(jì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)。
    桁架端部預(yù)拱值見圖6.1。

    按照吊桿長(zhǎng)度不變的原則，吊桿的預(yù)拱需要通過(guò)底部標(biāo)高的調(diào)整進(jìn)行。
    具體預(yù)拱措施為樓層結(jié)構(gòu)最外圈吊桿的標(biāo)高定位值為：設(shè)計(jì)標(biāo)高+預(yù)拱值+桁架自重變形值，（設(shè)計(jì)值+5階段值-1階段值）。
    6.2支撐架設(shè)計(jì)
    支撐架分為：滑移拼裝平臺(tái)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(tái)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(duì)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(tái)。


    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(biāo)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(jìn)行，滑移過(guò)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(fù)荷（見圖6.6）。

    進(jìn)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(shí)，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(jì)位置（見圖6.7）。
    第一次滑移邊桁架設(shè)計(jì)沒有斜撐，無(wú)法形成單向受力結(jié)構(gòu)，需要采用臨時(shí)桿件加強(qiáng)（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(shí)接口位置錯(cuò)位在完成第一次滑移后首先需將該單元與第二單元對(duì)接節(jié)點(diǎn)利用千斤頂頂起到設(shè)計(jì)標(biāo)高，利用胎架固定牢固后才能與第二單元組裝。待桁架對(duì)接完成再卸載胎架，進(jìn)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(jì)彎管套筒、導(dǎo)索機(jī)構(gòu)，套筒在工廠直接定位在橫隔板上，施工時(shí)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(duì)各種結(jié)構(gòu)狀態(tài)索力進(jìn)行詳細(xì)分析，從而推算不同時(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)懸掛鋼結(jié)構(gòu)體系。
    進(jìn)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(jì)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(duì)桁架的變形有不同的貢獻(xiàn)。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(jì)算就是要找到變形的規(guī)律，對(duì)結(jié)構(gòu)分層預(yù)變形，使結(jié)構(gòu)的最終變形達(dá)到設(shè)計(jì)的初始狀態(tài)。反過(guò)來(lái)再指導(dǎo)深化設(shè)計(jì)和安裝順序，并成為本項(xiàng)目質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)設(shè)計(jì)、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(guò)程的精度控制難度大。經(jīng)過(guò)多種方案的比選，施工采用了多個(gè)工作面同時(shí)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(biāo)高、直線、累積滑移工藝。同時(shí)在傳統(tǒng)的滑移工藝上也進(jìn)行了以下創(chuàng)新：采用液壓爬行器頂推實(shí)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(fù)荷。 采用局部頂升工藝，實(shí)現(xiàn)滑移桁架和拼裝桁架的順利對(duì)接。樓層和鋼管柱采用從下到上的順序施工工藝，通過(guò)最后與桁架的連接實(shí)現(xiàn)吊掛。
    在施工過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形實(shí)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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