鋼結構工程施工創新技術范文

本站小編為你精心準備了鋼結構工程施工創新技術參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

上海中心大廈總高632m，建筑形態呈旋轉收縮上升態勢，由主體結構、內幕墻和外幕墻等組成(見圖1);采用“巨型柱-核心筒-伸臂桁架”抗側結構體系，以加強桁架層(8道，其中第1道和第3道不設有伸臂桁架)為界，共分為8個結構分區;每個結構分區之中，內外幕墻之間自然形成3個垂直中庭大堂。鋼結構主要應用于主塔樓核心筒和外圍框架、塔冠結構、外幕墻柔性懸掛鋼支撐結構，如圖2所示，總用鋼量達12萬t，板材最厚達140mm。結構體量巨大、體系復雜，且具有復雜的功能性需求，采用常規的建造技術已經無法滿足工程施工需要。本文將以各個建造階段不同的需求為主線，以鋼結構工程施工建造技術(施工模擬、施工控制、施工工藝、施工裝置等)為輔線進行施工創新技術的梳理和介紹，希望能夠為今后超高層建筑施工技術的發展提供借鑒。

1鋼結構幕墻一體化深化技術

上海中心大廈鋼結構工程與其他相關專業界面眾多，涉及土建結構、鋼結構、幕墻等專業。各專業系統的空間關系極為復雜，傳統的CAD技術無法清晰地表明各專業之間的相互關系，施工圖紙上不可避免地存在著“結構碰撞”和“工藝空間不足”等問題。按照傳統的按圖深化、按圖施工，將影響工程推進的效率。借助BIM模型和模擬技術，以及信息化、數據化、參數化的特點，實現設計圖紙和深化圖紙間的有機銜接。在施工圖設計階段，建立基于施工圖的各專業設計BIM模型，通過合模發現和解決各專業施工圖紙，尤其是結構與幕墻、結構與機電相互之間存在的“硬碰撞”和“軟碰撞”問題，并形成正確的設計BIM模型;在深化圖設計階段，以設計BIM模型為基礎，進行土建、鋼結構、幕墻等專業一體化深化設計工作，同時協調結構、機電管線及裝飾之間的空間定位及界面關系。并通過BIM深化設計的建模和合模，再次校核上述問題，形成準確的深化設計模型，指導或自動生成深化設計圖紙，彌補設計圖紙深度不足、提高深化設計效率。圖3為典型結構分區鋼結構幕墻合模進行碰撞檢查的案例。

2主樓鋼結構施工模擬分析及控制技術

2.1豎向變形分析及控制技術超高層建筑豎向變形分析及施工控制一直是超高層結構施工的關鍵技術，通過吻合施工流程和工況的全過程施工模擬計算分析確定各施工分段的豎向變形補償值(見表1)以及伸臂桁架的終固方案(見表2)，有限元模型如圖4所示。主要計算假定如下:①收縮徐變計算模型考慮巨型柱配筋率和勁性結構的影響;②核心筒剪力墻和巨型柱中使用水泥為快硬高強水泥;③環境濕度取為70%;④巨型柱和核心筒剪力墻的加載齡期均取為5d，施工速度為5d/層;⑤核心筒領先樓面鋼結構12層施工，樓板澆筑落后樓面鋼結構8層;⑥待樓層施工到第2層伸臂桁架時再把第1層伸臂桁架終固。實際監測結果表明各結構分區相對變形的實測值與理論值差值基本控制在10mm之內，主樓絕對標高的實測值與理論值基本控制在50mm之內，達到設計要求。伸臂桁架終固方案分析和實施:①方案1施工各伸臂桁架時直接固死;②方案2首次施工到伸臂桁架時先臨時固定，待施工到第2層桁架層時再把第1層伸臂桁架終固。比較結果如表2所示。方案1豎向變形差異產生的伸臂桁架內力最大，軸力應力比最大值為12.2%;方案2豎向變形差異產生的伸臂桁架內力次之，軸力應力比最大值達到5.5%，其余均控制在5%之下。應力監測結果也驗證了理論分析結果的合理性和可靠性。通過比較可以看出，采用方案2對伸臂桁架施工較為合理，基本不會影響其在抵抗風荷載或者地震荷載時發揮作用，且根據工程總進度計劃，外幕墻鋼支撐施工必須進行流水搭接施工，如若不對伸臂桁架進行終固，整個幕墻系統的變形控制將變得更為復雜和難以控制。

2.2塔冠鋼結構施工模擬分析及控制技術從8區加強鋼桁架層以上直至632m屬于塔冠鋼結構的范圍，由核心筒、轉換層(斜柱+樓面鋼梁+混凝土樓板)、八角鋼框架、鰭狀鋼桁架4部分結構組成(見圖5)。由于轉換層結構的存在，其施工流程及方案確定變得極為重要，否則將造成轉換層鋼結構的應力和平面扭轉變形的增大，從而造成施工完成狀態無法滿足設計的要求。通過多個施工方案的施工全過程模擬分析，最終確定了如下施工流程:①126F～128F八角框架結構施工;②129F～132F八角框架結構施工，同時穿插119F～121F南北兩側轉換層鋼結構施工;③119F～121F東西側轉換層鋼結構施工;④按照從121F～119F的順序進行樓面混凝土澆筑;⑤分節段進行鰭狀桁架鋼結構施工。施工模擬分析結果表明，在塔冠鋼結構持續施工的過程中，轉換層的扭轉變形從最初的2.8mm發展到最終的10mm左右;應力的分布和大小均滿足設計要求。

3外幕墻鋼支撐結構施工技術

外幕墻鋼支撐結構具有其獨特的結構特性，整個系統由柔性拉棒、水平鋼支撐、懸挑主結構、變形協調群支座等部分組成。柔性拉棒主要提供豎向剛度，水平鋼支撐提供水平剛度，群支座協調由于風或地震產生的主樓側向擺動引起的主體結構與鋼支撐系統不均勻變形，整個系統吊掛于加強桁架層的懸挑結構上。外幕墻鋼支撐結構作為外幕墻板塊的支撐系統，其施工的精度和進度將直接影響后道工序(內外幕墻系統)的施工，所以結構變形分析和施工控制，以及解決在懸挑加懸空的位置進行結構安裝難題是創新研究的重點。

3.1變形分析及控制技術外幕墻鋼支撐與主體結構相互關系如圖6所示，施工階段產生的變形主要由3部分組成:懸掛結構所依附的主體結構豎向變形、懸掛結構產生的豎向變形、鋼支撐結構的豎向變形。其中，懸掛結構所依附的主體結構豎向變形已在主體結構豎向變形中進行分析和控制，限于篇幅，本文將以2區為例重點對其余2個變形進行分析和研究。1)懸掛結構產生的豎向變形分析及設計優化外幕墻鋼支撐結構及幕墻板塊依靠25組掛點吊掛在頂部加強桁架層懸挑樓面下方，其吊掛點位的變形對外幕墻系統的豎向變形影響較大，尤其是相連掛點之間不均勻變形將會對外幕墻系統存在較大危害。2區幕墻支撐體系懸掛點位布置及懸掛點樓面梁體系如圖7所示。經過計算比較和設計調整優化，最終通過對懸掛吊點樓面體系的剛度進行調整的方法(懸掛點區域主結構鋼梁截面增加，以及增加吊點梁杠桿效應)，將吊掛點的絕對和相對變形均控制到幕墻板塊允許的范圍之內。在吊點區域樓面剛度調整前后，25組吊掛點的豎向變形對比如圖8所示，剛度調整得到極大改善。同時，剛度調整后，鋼支撐逆作施工和幕墻板塊順作施工引起的不均勻變形控制在20mm之內，如圖9所示，達到幕墻設計的安全性和功能性要求。2)鋼支撐結構施工變形分析及控制2區外幕墻鋼支撐結構施工時，變形主要由2部分構成:幕墻支撐的鋼拉棒頂部懸掛點位豎向變形、鋼拉棒伸長變形，施工過程也將根據2部分的數值分別進行預變形控制，2區鋼支撐樓層及吊點編號如圖10所示。鋼支撐結構頂部吊掛點位標高預調整控制:根據變形分析計算結果，對加強桁架層對應鋼支撐結構吊點位置的標高進行施工預調整，確保鋼支撐及幕墻板塊施工完成后標高控制在設計允許的誤差范圍之內(±10mm)。鋼支撐結構施工標高預調整控制:每層鋼支撐結構的環梁安裝時，需要綜合考慮頂部吊掛點位的變形、鋼支撐施工引起鋼拉棒的變形、幕墻板塊施工引起鋼拉棒的變形，最后匯總得到“外幕墻鋼支撐結構施工各階段變形控制圖”。并以此為依據對鋼支撐的安裝標高進行標高預調整，確保幕墻板塊施工完成時，25個吊點水平度能夠滿足設計要求。在實際施工過程中，及時跟蹤實測了25個懸掛點位變形情況，并與理論計算進行比對，圖12為2區的對比結果，兩者趨勢基本一致，且數值較為吻合，誤差基本控制在10mm之內，考慮到溫差影響及測量誤差的影響，施工精度和變形控制的效果達到預期效果。

3.2施工技術鋼支撐結構屬于獨立施工線路，且亦屬于關鍵線路，主體結構施工塔式起重機除服務好主體鋼結構施工外已無法滿足此分項工程的施工進度要求，所以創新使用了3臺彎軌行走式塔式起重機以滿足施工需求。行走式塔式起重機設置在各結構分區頂部懸挑樓面上，塔式起重機型號為QD10B。另外，為滿足鋼支撐結構在懸挑及懸空區域施工操作需要，創新設計了超大型整體懸掛式升降式平臺。平臺設計時充分考慮上海中心大廈8個結構分區外幕墻鋼支撐結構旋轉內收的特點，采取模塊化的思路，在保證施工平臺安全的同時，盡量做到通用以適用于8個分區鋼支撐的施工要求，節約施工成本和提高施工效率，并具有可推廣和應用的價值。鋼支撐結構施工工藝如圖13所示。

4巨型動臂式塔式起重機外掛施工技術

上海中心大廈主樓選用4臺2450t•m的巨型塔式起重機，十字對稱外掛于核心筒墻體外側。需要設計安全可靠的爬升支架系統確保大型塔式起重機的使用、爬升和平移，以配合完成主體鋼結構工程的施工任務。借助廣州電視塔等工程實踐經驗對傳統爬升支架進行改進創新，將塔式起重機的荷載直接傳遞至核心筒結構墻體節點區域，避免了核心筒外墻的加固，從而減小對核心筒內部施工的干擾，并節約了施工成本。同時，隨著爬升支架外掛核心筒外墻體厚度的減小，外掛塔式起重機的中心與核心筒外墻壁的距離將增大，創新實踐了塔式起重機高空平移的新工藝，突破了爬升支架加長改造的傳統工藝。爬升支架荷載傳力情況如圖14所示，三維模型如圖15所示。

5外幕墻鋼支撐結構滑移支座國產化研發技術

為了協調上海中心大廈外幕墻體系與主體結構之間由于風荷載或地震作用產生的豎向差異變形，在外幕墻鋼支撐結構上設置了眾多(近千套)機械滑移支座。原本根據設計要求，滑移支座需要采用全進口支座，但經過多方討論研究和試驗，全進口成品支座不僅存在自鎖以及與結構系統不匹配等技術問題，而且采購周期長、成本高，無法滿足工程實際需求。于是，經過長達2年的研究，立足于結構體系的高度，通過傳力路徑優化、減磨材料選型、滑移構造優化、增加滑動主動力等一系列措施，創新研發了滿足工程需求的國產化機械滑移支座:短于2m徑向支撐滑移支座、底部水平滑移支座、底部垂直滑移支座、凸臺滑移支座、關節軸承支座。

6電渦流阻尼器國產化研發及施工裝配技術

在超高層建筑的頂部往往設置調諧質量阻尼器來進行風振和地震響應控制，一般采用液體阻尼桿調諧質量阻尼器，如臺北101大廈。電渦流調諧質量阻尼器作為一種新型的阻尼器已逐漸推廣和應用至超高層建筑，具有高效、環保及免維護等優點，當超高層建筑發生擺動時，吊掛在超高層建筑頂部的質量箱系統將帶動電渦流系統的磁鋼組件在電渦流系統的銅板上發生相對移動，從而將結構振動的能量轉化為熱能。上海中心大廈阻尼器設置在125層上方中庭之中，通過4組12根鋼索懸掛在131層樓面系統上，結構質量約1000t，由電渦流系統、質量箱、吊索和錨固、調諧框架等部件組成，是第1個國產化電耦流阻尼器，如圖16所示。電渦流阻尼器的施工較為復雜，且沒有成功的經驗可借鑒，根據電渦流系統和質量箱系統施工精度要求高及施工周期長的特點，創新提出一種并行施工裝配技術，包括隔離胎架施工技術、同步頂升和下降施工技術、電渦流系統組裝技術、質量箱系統組裝技術和質量箱與電渦流系統對接施工技術等。此組合施工技術不僅給高精度的裝配提供了良好的施工環境和操作空間，而且極大地提高了施工速度。

7超高空塔式起重機置換及拆除施工技術

超高層建筑巨型塔式起重機的置換及拆除歷來屬于施工領域的重點和難點，在上海中心大廈建造過程中，充分利用塔冠八角框架的主體結構，結合局部加固處理的技術成功設計了新型塔式起重機基礎，實現了超高空4臺巨型塔式起重機到M900D塔式起重機置換，圖17為M900D塔式起重機轉換基礎設計。另外，針對結構立面急劇收分的不利工況，應用“中拆大、小拆中、小自拆”技術成功實現了超高空M900D塔式起重機的拆除。施工創新技術如下:①充分利用塔冠外側主體螺旋式的空間桁架結構設置拆塔機械基礎轉換基礎，轉換基礎由平面框架、立柱和抗側支撐等部分組成，其中平面框架與拆塔機械進行連接，立柱分別與平面框架和主體桁架鋼管柱連接，立柱之間設置抗側支撐;②合理優化拆塔流程，利用ZSL380雙機抬吊拆除M900D塔式起重機，利用ZSL200拆除ZSL380;③根據結構立面收分20m和超高空的不利工況，定型設計ZSL120塔式起重機產品，用于拆除ZSL200;④ZSL120完成自拆，并通過永久電梯運輸至地面。

8結語

通過上海中心大廈鋼結構工程的成功實踐，本文將科技創新與工程實施有機結合，從深化設計、結構安裝、施工裝置、施工工藝等多個方面重點提煉和總結了工程實施中成功應用的施工創新技術，將為今后超高層建筑施工技術的發展提供技術手段和參考資料。1)借助BIM模型和模擬技術，將鋼結構與幕墻進行一體化深化技術，不僅可以通過合模發現和解決各專業施工圖紙上存在的矛盾和問題，尤其是專業之間的軟硬碰撞問題，而且可以實現設計圖紙和深化圖紙間的有機銜接，提高深化設計的效率。2)通過對主樓進行豎向變形模擬分析，為結構標高的施工控制和伸臂桁架終固實施確定提供了理論依據;對塔冠施工流程進行事先的模擬分析，確定了合理的施工順序和方法，有效地控制了施工過程中轉換層結構的扭轉變形。3)通過對外幕墻鋼支撐結構與主體結構進行施工模擬分析，調整和優化了懸掛點位的吊掛剛度，并給出了鋼支撐施工預變形的理論數值;同時，創新設計和使用了彎軌式行走塔式起重機和整體懸掛式升降平臺，成功解決了吊掛鋼支撐結構在懸挑加懸空的位置進行結構的高精度施工難題。4)創新研發巨型動臂式塔式起重機外掛爬升支架裝置，不僅實現了塔式起重機所依附的核心筒墻體免加固處理，而且通過塔式起重機的高空平移，成功解決了由于核心筒外墻厚度減少所帶來的爬升支架加長改造難題。5)立足于結構體系的高度，通過傳力路徑優化、減磨材料選型、滑移構造優化、增加滑動主動力等一系列措施，創新研發了滿足工程需求的外幕墻鋼支撐結構所需的國產化機械滑移支座。6)實現了千噸級電渦流阻尼器在超高層建筑上首次應用，并根據電渦流系統和質量箱系統施工精度要求高及施工周期長的特點，創新提出一種并行施工裝配技術。7)充分利用塔冠八角框架的主體結構，結合局部加固處理的技術成功設計了新型塔式起重機基礎，實現了超高空4臺巨型塔式起重機到M900D塔式起重機置換;針對結構立面急劇收分的不利工況，應用“中拆大、小拆中、小自拆”技術成功實現了超高空M900D塔式起重機的拆除。

作者：賈寶榮 陳曉明 單位：上海市機械施工集團有限公司