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    淺談超高層建筑鋼結構安裝的關鍵技術

    淺談超高層建筑鋼結構安裝的關鍵技術

    打印 0條評論來源:中鐵長安重工 作者:白文晨

    摘 要:


    超高層建筑項目比普通建筑的設計施工工藝更復雜,施工過程中需要承擔更大的風險,因此對于安裝施工技術、材料都有著更高的要求。鋼結構具有強度高、自重輕、施工效率高、可循環利用等諸多優勢,隨著超高層建筑技術的不斷發展,鋼結構的應用也越來越廣泛。鋼結構不僅可滿足超高層建筑結構的力學性能要求,而且可循環利用的特性與綠色建筑可持續發展的理念也十分相符,因此研究超高層建筑鋼結構的安裝技術具有重要的現實意義。本文主要以某超高層國際廣場工程項目為例進行分析研究。


    關鍵詞:


    超高層建筑;鋼結構;安裝


    前言



    隨著我國社會主義市場經濟的不斷發展,廣大人民群眾的生活水平獲得了極大的提高,對于衣食住行都方面都有了較高層次的要求,特別是在生產和生活所需要的環境方面表現的尤為明顯。相關資料也表明,良好的生產和生活環境,有助于人們獲得心理上的滿足感,從而更好地投入到生產和生活當中去。超高層建筑一方面可以滿足人們日益增長的生產生活需求,另一方面也有效地解決了當前緊張的土地資源形勢,因此可以說,對于社會經濟的發展和人們生活水平的提高都是有著非常顯著的促進作用的。在超高層建筑施工過程中,鋼結構的加工與安裝絕對是其中非常重要的一個環節。做好鋼結構施工相關工作,不僅可以使超高層建筑的工程質量獲得提升,同時也可以更好地保障廣大人民群眾的生命和財產安全,充分地發揮他們的主觀能動性,以創造性思維來推動我國社會主義建設。


    工程概況


    該項目總建筑面積224830㎡,其中地上178030㎡、地下46800㎡。地下3層,地上由超高層塔樓和周邊裙房組成。T1塔樓為超高層辦公樓,地上51層,結構高度233.1m;T2塔樓為超高層商業,地上37層,結構高度140.1m;商業裙房及劇院地上3~4層,結構最大高度23m。本項目地下室連為一體,地上沿塔樓周邊設置抗震縫,將地上部分分為1#塔樓、2#塔樓、商業裙房、劇院四個獨立的結構單體。其結構示意圖如下:


    圖片

    圖1 結構示意圖


    2.1

    地上各單體的基本技術指標如下所示:


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    圖2 基本技術指標


    2.2

    項目功能用途


    該項目的建筑主要功能為辦公、劇場、配套商業及地下停車場。


    結構特點


    本項目鋼結構體量大,其主要分布于地下室、1#塔樓、2#塔樓和劇院屋蓋,其中地下室采用混凝土框架—剪力墻結構體系,地下3層;1#塔樓采用鋼管混凝土框架柱—核心筒結構體系,地上51層,結構高度233.1m,鋼結構貫穿至頂,核心筒為H型鋼骨柱,外框為圓管鋼柱,32~33層為加強層鋼桁架;2#塔樓采用框架—剪力墻結構體系,地上37層,結構高度140.1m,核心筒H型鋼骨柱分布于3層以下、外框H性鋼骨柱及十字鋼骨柱分布于7層以下;劇院采用框架—剪力墻結構體系,地上3~4層,結構高度23.0m,屋蓋為大跨度鋼桁架。鋼結構材質主要為Q355B、Q355C、Q420GJC等,總用鋼量約14637t,其分布如下圖示:

    圖片

    圖3 某超高層國際廣場鋼結構分布圖


    安裝施工關鍵技術


    超高層建筑鋼結構安裝施工相對便捷,鋼構件在廠內加工完成運輸至施工現場,其安裝施工時使用吊裝機械按照施工圖不同的構件吊裝到位即可。結合超高層鋼結構安裝實踐經驗分析可知,由于項目體量大、高度高,安裝作業中必須制定專項施工方案,精心組織作業,保證安裝精度達標、連接牢固,本工程鋼結構的安裝施工主要包括塔樓、裙房和地下室三部分內容,主要安裝構件為鋼柱、鋼梁和桁架等,具體安裝施工關鍵技術如下:


    4.1

    施工機械的選擇


    在進行超高層鋼結構安裝施工時,施工機械的選擇十分的關鍵,鋼結構進場卸貨、堆放、搬運、安裝等,均要由吊裝機械設備來完成。對此,超高層鋼結構安裝施工前,必須做好實地考察,綜合分析項目情況、場地大小及最大構件尺寸、重量等因素合理開展吊裝設備選型工作。


    以本項目工程T1塔樓地上吊裝進行分析:


    T1塔樓地上鋼柱分節后最大重量8.37t,分別采用兩臺1# ZSL380(50m臂)、2#M400D(52.5m臂)塔吊吊裝。


    工況分析:采用2#塔M440D(52.5m臂)動臂塔進行吊裝作業,構件安裝時最大作業半徑42m,構件堆場在47.5m范圍內,該工況下塔吊起重性能9.3t>8.37t,滿足吊裝要求。


    采用1#塔ZSL380(50m臂)動臂塔進行吊裝作業,構件安裝時最大作業半徑29m,構件堆場在30m范圍內,該工況下塔吊起重性能10.3t>8.37t,滿足吊裝要求。

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    圖4 ZSL380(R=50m吊臂)、M440D(R=52.5m吊臂)塔吊布置圖


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    圖5 塔吊M440D(R=52.5m吊臂)性能參數圖


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    圖6 塔吊ZSL380(R=50m吊臂)性能參數圖


    T1塔樓鋼梁最大重量7.62t,分布在F2層,利用2#M400D(52.5m臂)塔吊吊裝。塔吊在50m作業半徑時起重量為8.5t,鋼梁安裝位置、堆放位置均在50m范圍內,故滿足吊裝要求。


    (1)鋼結構吊裝施工方法。超高層鋼結構安裝施工方法眾多,不同施工方法均有其優缺點,可適用于不同規格、部位的鋼構件安裝作業。①高空散裝法:小拼單位、散件在設計位置總拼,整個工藝流程相對復雜,一般無須使用大型起重設備。②分條(塊)安裝法:地面拼裝后吊裝至高空,對各單元上、下弦桿、腹桿等進行連接,高空作業量較小。③高空滑移法:通過滑軌的方式進行條狀單元拼接。④整體吊裝法:地面總拼后吊裝就位,拼裝質量高、施工速度快。⑤整體提升法:地面整體拼裝后,利用起重設備提升至設計位置,效率高、工期短。


    上述幾種吊裝施工方法適用范圍各有不同,具體歸納如圖7所示。鋼結構安裝時,需要根據項目情況,綜合考慮進度、質量、安全等因素,合理選擇吊裝方法,同時注意落實吊點設計與驗算工作,保證整個施工過程安全可靠。


    圖片

    圖7 不同吊裝方法適用范圍


    4.2

    鋼構件安裝施工技術


    超高層建筑鋼結構安裝工藝要考慮各種因素,根據現場實際情況,詳細的分析和研究建筑工程的結構特點,考慮各種不利因素,如技術的原因、工程造價的限制以及周圍環境的影響等,都是施工時所要考慮的問題。具體有以下幾個方面。


    一是預埋件的安裝。在超高層建筑鋼結構預埋件安裝的過程中,需要做好以下幾個方面的工作,第一,必須要做好預埋錨栓的軸線處理。在鋼結構施工的過程中,埋設精度對于工程后期的施工以及整個項目工程的質量都是有著非常重要的影響的,因此在進行鋼柱的吊裝工作前,必須要做好相關的檢測工作,確保正常后方可進行后續施工。第二,進行安全檢查。在預埋件安裝的過程中,一旦地腳錨栓出現故障,就必須要做好校正或是更換工作,防止對后期的施工造成影響,同時也需要做好螺紋的檢查工作,對于出現損傷的螺牙也要按照技術規范進行處理,以此來對錨栓進行妥善的保護。第三,進行標高墊塊的妥善安置。在開展混凝土的澆灌工作之前,需要采用焊接的方式來對標高墊塊進行固定,保障后期施工的順利開展。第四,進行標高的調整。施工人員需要對墊塊進行妥善的應用,采用多次操作的方式可以有效的進行標高的調整。將四組墊塊均勻的放置在鋼柱的底部,這樣就實現了調整標高工作的最基礎動作;待到鋼柱被放置在施工規定的區域后,就可以開展后續的進一步調整,直至與施工設計要求的位置一致后,方可進行其他墊塊的布置工作。第五,做好分析工作。在預埋件安裝的過程中,如果未能按照施工要求進行混凝土材料的澆筑以及振搗措施等工作,都是會導致錨栓的位置出現一定的偏差。施工人員一定要進行妥善的分析,確保減少混凝土澆筑過程中的流動現象,以免引起錨栓出現偏移。在開展混凝土的振搗工作時,也需要確保鋼筋不能夠與振搗器產生直接的接觸,防止錨栓跑位。


    二是鋼柱安裝。


    鋼柱吊裝主要有四步,一是復核鋼柱的軸線間距、基面標高、地腳螺栓的位置等信息,調整錨栓桿下螺帽位置,并備好墊鐵塊;二是吊裝鋼柱之前,在鋼柱上安裝登高梯并加以固定,然后緩慢吊起鋼柱,至鋼柱處于垂直狀態后緩慢下落,使錨栓孔對準錨栓桿,并確保鋼柱軸線對準十字線,再繼續下落到設計標高位置上;三是通過纜風繩上的倒鏈對鋼柱垂直度進行調節,鋼柱校正完畢后擰緊錨栓,收緊纜風繩;四是將柱腳墊鐵塊與柱底板點焊固定,然后移交下道工序施工。


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    圖8 標高校正和垂直度校正


    主樓鋼結構安裝遵循由中間向兩側安裝的原則,在安裝外框架鋼柱前,核心筒必須高出外框三層以上,核心筒混凝土達到設計強度75%以上,塔吊方可爬升。

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    圖9 鋼柱吊裝示意圖


    鋼柱安裝注意事項:

    (1)鋼柱吊裝應按照分區的安裝順序進行,并及時形成穩定的框架體系。


    (2)鋼柱安裝前應焊好安全環并綁上爬梯,清理干凈柱身的污物。


    (3)吊點設置可以利用鋼柱的臨時連接耳板,吊點應對稱,確保鋼柱吊起時保持垂直狀。


    (4)柱的定位軸線應直接從地面控制線的基準線引上,而不應從下層柱的軸線引上。


    (5)結構的樓層標高控制可使用相對標高,鋼柱吊裝前從基準點引出控制標高,并標識在混凝土基礎或鋼柱上,以后均使用此標高,確保結構標高符合設計及規范要求。


    (6)安裝好的鋼柱要及時進行初步校正,以便于后續鋼柱的安裝和校正。


    (7)校正時應對垂直度、軸線、標高、焊縫間隙等因素進行綜合考慮,每個分項的偏差值要同時符合設計及規范要求。


    (8)上下鋼柱之間的連接板經校正并焊接完畢后,及時將連接板割掉,表面打磨光滑,并涂上防銹漆,割除時注意不要傷害到母材。


    (9)當本層鋼柱和框架主梁吊裝完成,采取高強螺栓連接完成后,應及時催促土建單位進行鋼管柱內混凝土的澆灌。


    三是鋼梁安裝。


    鋼梁吊裝主要有四步,一是吊裝前的檢查,對鋼梁定位軸線、標高、長度、截面尺寸、螺栓孔數量及大小等進行全面復核后才能開始吊裝;二是當鋼梁到達安裝位置時,要利用鋼梁兩端的溜繩,將其慢慢對準鋼柱的牛腿腹板,穿入沖釘與安裝螺栓進行臨時固定,同時將梁兩端打緊校正,確保每個節點上安裝的螺栓不少于安裝總數孔的1/3;三是調節梁兩端的焊接坡口間隙,達到設計和規范規定后,擰緊安裝螺栓,并將安全繩連通到兩邊的鋼柱上;四是鋼梁安裝后與鋼柱形成穩定的空間單元時,同時對鋼柱與鋼梁的安裝精度進行復核,復核合格后,終擰各節點上的安裝螺栓。

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    圖10 鋼梁安裝示意圖


    鋼梁的安裝順序為:


    (1)同平面鋼構件的吊裝順序是由內到外、對稱吊裝。


    (2)立面上鋼構件的吊裝順序是由下至上的安裝。


    (3)構件吊裝按施工方案分區進行,吊裝順序為柱、主梁、次梁。


    本工程項目根據塔樓地上鋼結構施工進度、結構特點、受力形式、安全施工等因素,采取合理的安裝順序,鋼梁局部由上向下依次安裝。具體流程如下:


    (1)先安裝核心筒內鋼柱,核心筒施工領先外框鋼結構六層,首先安裝外框角部鋼柱;


    (2)安裝角部鋼梁,形成穩定結構;


    (3)從角部向中間安裝外框鋼柱;


    (4)安裝中間鋼柱與核心筒之間的鋼梁;


    (5)安裝外框框架梁;


    (6)安裝核心筒與外框架間的鋼梁;


    (7)安裝外框懸挑鋼梁;


    (8)安裝外框次梁;


    (9)標準層安裝完成。


    四是桁架層安裝。鋼結構的桁架一般分布在核心筒周圍,由上弦桿、下弦桿、腹桿連接組成。本工程加強層桁架由16榀環桁架、8榀耗能申臂桁架組成。


    本次環桁架安裝均采用高空散拼,環桁架安裝順序按照下弦桿、上弦桿、豎腹桿、斜腹桿依次安裝。


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    圖11 加強層環桁架整體效果圖


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    圖12 環帶桁架分段形式


    環桁架安裝流程如下:

    (1)安裝環桁架層相鄰鋼柱;

    (2)安裝環桁架層下鋼框梁;

    (3)安裝環桁架層上鋼框梁;

    (4)安裝環桁架層下弦桿;

    (5)安裝環桁架層上弦桿;

    (6)安裝環桁架層腹桿;

    (7)安裝環桁架層下次梁;

    (8)安裝環桁架層上次梁;

    (9)安裝外圈下次梁;

    (10)安裝外圈上次梁;

    (11)完成單榀環桁架的安裝,其余環桁架安裝流程與此相同。


    耗能伸臂連接


    (1)耗能伸臂技術的運用


    在水平荷載起控制作用的超高層建筑中,設置耗能伸臂可以提高結構的整體工作性能,從而提高結構的抗側剛度,控制結構的頂部位移,降低核心筒所承擔的傾覆力矩。但是耗能伸臂在施工階段,由于內外筒施工不同步,結構布置不對等原因,會導致施工過程中內、外筒的變形存在一定差異。


    在施工階段,如果提前將內、外筒之間起協調變形作用的耗能伸臂進行固定,會使耗能伸臂上部樓層的豎向荷載大部分被伸臂承受,而無法通過外框柱向下傳遞,導致原本設計用來主要承受豎向荷載的外框柱嚴重浪費。相反,平時作為儲備,一旦遇到大風、地震等特殊情況才發揮主要抗側力作用的耗能伸臂提前“服役”。提前“服役”的直接影響是在耗能伸臂構件內部產生不必要的“施工階段殘余應力”,耗能伸臂節點處的焊縫可能被撕裂或因受拉而變形;間接影響是在結構建成后,在還未達到極限荷載狀態的情況下就可能失效?;诖藯l件下,本方案采用耗能伸臂延遲連接來彌補這一缺陷。


    (2)耗能伸臂“延遲連接”節點設計


    在耗能伸臂與外框柱相連的位置設計了一種開放式連接“鉸接+阻尼連接”。該節點由放大裝置和粘滯阻尼器組成,放大裝置上下兩側通過粘滯阻尼器與耗能伸臂上下弦桿連接,放大裝置左右兩側通過鉸接方式分別與耗能伸臂、環桁架連接。

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    圖13 延遲連接節點大樣圖


    (3)耗能伸臂連接的施工流程


    在耗能伸臂施工過程中,首先對核心筒一側節點進行焊接,耗能伸臂鉸座耳板暫不焊接,待整樓封頂之后,調節耳板位置后再施焊,并連接粘滯阻尼器。隨著工程的進展,對節點兩側內、外筒的變形進行監測,根據監測得到的內、外筒變形差值調節鉸座耳板位置,使耗能伸臂相連的內、外筒在施工階段豎向能夠相對自由變形,從而達到對伸臂桁架的內力進行釋放,待結構封頂且內、外筒的變形差穩定之后,再對外框架一側的伸臂桁架“延遲連接”節點進行焊接固定。


    (4)現場變形監測


    在耗能伸臂鉸座耳板位置和環桁架豎腹桿鉸座耳板上設置監測點,在監測點位置做好永久性標記,并記錄好初始標高。采用全站儀對耗能伸臂節點兩側內、外筒的豎向變形進行監測,根據監測得到的內、外筒變形差值調節豎腹桿上鉸座耳板位置標高。


    延遲連接節點監測點如圖下所示:


    圖片

    圖14 延遲連接節點監測點


    伸臂桁架的安裝分為兩部分:核心筒內伸臂桁架構件安裝和核心筒外伸臂桁架構件安裝。由于核心筒領先于外框施工,因此先安裝核心筒內伸臂桁架構件,待外框架施工至伸臂桁架層時,再安裝外框伸臂桁架構件。

    圖片

    圖15加強層耗能伸臂桁架整體效果圖


    耗能伸臂最大跨度為9383mm,其分段形式見下圖:


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    圖16 伸臂桁架分段形式


    綜合主塔地上鋼結構施工進度、結構特點、受力形式、安全施工等因素,采取合理的安裝順序,具體流程如下:

    a 復測安裝鋼柱定位;

    b 安裝耗能伸臂;

    c 安裝環桁架層相鄰耗能伸臂;


    結論


    本文以某超高層國際廣場工程項目為例,通過對其工程概況、結構特點、安裝技術的研究分析,得出以下結論:


    (1)通過統計工程鋼構件的類型規格,計算各構件的重量和尺寸,選擇合適的吊裝機械,確定構件卸貨堆放地點,劃分吊裝的區域范圍;


    (2)通過采用耗能伸臂來提高結構的抗側剛度,控制結構的頂部位移,降低了核心筒所承擔的傾覆力矩;


    (3)在耗能伸臂與外框柱相連的位置設計了一種開放式連接“鉸接+阻尼連接”,此連接可彌補節點焊縫處撕拉、變形等的缺陷;并采用全站儀對耗能伸臂節點兩側內、外筒的豎向變形進行監測,根據監測得到的內、外筒變形差值調節豎腹桿上鉸座耳板位置標高。


    (4)針對超高層鋼結構現場安裝遇到大型節點構造復雜、安裝現場狹小高??臻g受限、單根超長超重斜向構件無法用纜風繩找正固定等情況,造成構件安裝連接固定的困難。要求構件制作單位在制作廠進行構件預拼裝,在構件上做好定位標記并焊接定位耳板,并標識相關構件參數,現場安裝時可以根據定位耳板快速定位、定向安裝,無需纜風找正,快速脫鉤,極大地提高了安裝精度和速度。


    綜上所述,超高層建筑安裝施工中,鋼結構的運用越來越多,鋼材彈塑性較好,在抗震性能方面具有顯著優勢。同時由于采取加工廠集中制作模式,現場施工以吊裝、焊接為主,施工速度較快、無污染,具有極大的推廣應用價值。在超高層施工過程中,施工單位要注重對工程進行詳細分析,結合實際情況選擇合適的施工方法,規范落實各項工序,保證項目施工質量可靠、安全性好,真正打造優質工程。


    參考文獻


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    (責任編輯:何雯麗)



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    [責任編輯:Susan]

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