目前我国超高层的建筑逐渐增多,在2栋或者多栋 主体之间设置空中连廊越来越成为建筑师青睐的设计方 案[1-3]｡考虑结构在地震作用下的性能,特别是针对连体 超限高层的建筑而言,我国抗震设防的要求往往非常严 格[4]｡综合安全､经济､实用､美观等方面的考量,在 超限高层建筑的结构设计上,往往并不会将建筑设计成 实际上的连体结构,而是在外观上表现出连体建筑,实 际结构则为断开的形式｡由于存在着该种设计理念,自 然给该类连廊的施工带来了很大困难,随之产生了不少 技术难题｡

本文以成都世纪空间大厦项目为工程背景,提出 了一种分段式钢连廊临时固结提升与高空原位拼装相结 合的施工工艺,即将分段式钢连廊采用临时加固件焊接 成整体,再通过液压整体提升的方式完成后续的安装工 作,待与主体结构连接牢固后断开临时加固件,使连廊 恢复至原有设计状态;最后通过高空原位拼装法完成上 部钢框架的施工｡如此既能方便布置提升过程中吊点位 置,同时还能保证空中连廊在提升过程中的安全性,最 终有效解决该类连廊施工困难的问题｡

1、工程概况

成都世纪空间大厦项目由4期组成｡一期为2栋超 高层塔楼(2# 楼､3# 楼),结构形式为核心筒+钢框 架,地下3层､地上53层,建筑高度为189.8 m;二期为 商业裙楼,结构形式为钢框架,建筑高度为23.9 m, 地下3层､地上4层､局部5层;三期､四期由2栋超高 层塔楼之间的空中连廊组成(4# 楼､5# 楼),结构形式 为核心筒+钢框架,地下3层､地上61层,建筑高度为 228.85 m｡其中三期､四期均超过190 m,为超限高层 建筑｡

空中连廊在4# 楼､5# 楼2栋超高层塔楼之间,跨度 为22.8 m,位于48~51层,连廊的48~49层为桁架结 构,50~51层为钢框架结构,如图1所示｡4# 楼和5# 楼 的结构最大悬挑均为10.6m,两部分悬挑结构中间间距 1.6 m,48~49层空中连廊结构顶标高182.25 m,自身高 度3.60 m｡底部钢桁架均采用H型钢,上､下主弦杆截 面尺寸为H800 mm×700 mm×20 mm×38 mm,材质为 Q355B,提升质量约为141.72 t,底部钢桁架模型如图2 所示;连廊上部钢框架为H型钢,楼面结构均为钢筋桁 架楼承板组合楼板,材质为Q355B｡

图1 空中连廊

图2 底部钢桁架模型

2、工程重难点及施工技术的选择

空中连廊位于4# 楼､5# 楼2栋超高层塔楼之间,安装 高度高､跨度大,底部投影下方位于商业的裙楼顶板之 上｡由于4# 楼､5# 楼塔楼为超限高层建筑,业主采用连 廊实际不连接的设计方案｡

在施工方案的选择上,若采用满堂支撑架的施工 方案,裙楼顶板在连廊和架体自重下无法满足承载力的 要求,而且连廊安装高度高,需搭设脚手架的高度达到 150 m,架体在此高度下即便采用与主楼可靠的连接措 施,也难以保证施工过程中的安全;若采用悬挑脚手架 的施工方案,因为连廊的跨度大,质量大,同样不适 用;若采用分件高空散装法,不但焊接工作量大､塔吊 占用时间长､进度缓慢,而且存在很大的安全风险｡通 常对于一般类型的空中连廊,考虑施工速度､安全性､ 实用性等方面,采用液压整体提升的施工方案是优于常 规搭设脚手架等的方案[5-6],但对于分段式钢连廊,由于 其本身是断开的结构,在几何上不对称,提升的吊点位 置的选择难以确定,无法保证提升过程中结构的稳定及 后续连廊与主楼的安装精度[7-10],又因为连廊位于2栋塔 楼之间,提升装置设置的位置也自然成为了一个难点｡

针对该类型的空中连廊,采用分段式钢连廊临时固 结提升与高空原位拼装相结合的施工工艺,相当于施加 了非常规的施工荷载,方案设计阶段对连廊结构采用迈 达斯软件进行数值模拟,分析施工阶段各工况下的变形 受力情况,并在施工阶段对连廊各工况下的状态进行同 步监测,以确保施工完毕后不影响连廊原本的设计使用 功能｡

3、空中连廊安装技术

3.1 总体施工顺序

预埋件埋设→支撑胎架布设→底部钢桁架拼装､焊 接→提升设备安装和调试→试提升,静止观察→提升设 备及桁架结构全面检查,提升至设计高度→调整就位固 定､后装杆件安装､焊接→提升设备逐级卸载､观测桁 架形变→临时加固件切除,恢复原设计状态,观测桁架 形变→按逐层施工上部钢框架,直至完成｡

3.2 桁架层整体安装

3.2.1 支撑胎架的布设

裙房施工时,根据裙房6层结构平面布置图,连廊 的水平投影范围内无对应的钢柱,因此在钢梁上部预留700 mm×700 mm×20 mm的钢板作为预埋件,方便后 续胎架与结构固定｡

采用规格400 mm×400 mm×13 mm×21 mm､长 度为1 000 mm的H型钢做胎架,拼装时的桁架质量主 要依靠6层裙楼板面钢梁及胎架传力,当下弦及下弦之 间的次梁拼装完成后,及时测量校正､紧固螺栓并焊 接,使桁架形成整体进行重力传递｡根据施工计算, 拼装完成后荷载通过胎架传递至楼板的最大竖向集中 荷载为118 kN,而楼承板设计的最大单点集中荷载力 为130 kN,钢梁的应力比为0.86,梁板均满足承载力 要求｡

3.2.2 底部钢桁架的拼装､焊接

为保证构件质量,桁架以弦杆为主分段,在工厂 中制作安装后运输至现场,其中最长一段为10.1 m的下 弦杆,质量为7.7 t,均在塔吊的起吊质量范围内｡由 于塔楼25层以下的玻璃幕墙已提前安装完毕,施工中 应充分考虑空间上的余量,现场依据实际情况在塔楼 48~49层设置与桁架相连的钢牛腿时,伸出长度控制在 45~80 cm,以避免提升过程中连廊摆动时与塔楼的碰 撞｡由于连廊跨度大,为抵消后续施工可能带来的变 形,在拼装过程中按悬挑构件的规定,在跨中位置预留 最大值为2 cm的起拱值｡临时加固件与上､下主弦杆同 步安装,与两侧主桁架焊接固定,临时加固件的规格､ 材质均与桁架主弦杆相同｡连廊位于2座塔楼之间,高 度较大,需针对该处进行风洞试验;试验得出连廊位 置正处于风口下,风载相对较大,为尽可能减少风荷载 影响,桁架底部的楼承板要待桁架提升就位后再进行安 装,安装结束前连廊下方坠落范围设置警戒线避免人员 靠近｡

3.3 桁架层的整体提升及上部钢框架的安装

3.3.1 整体提升系统布置

根据连廊的结构特点及两侧塔楼的立面情况,共设 置4个提升平台,塔楼两侧各2个,对称布置,提升平台 位于50层板面位置,由提升梁､斜撑､水平加固杆和加 劲板组成,提升梁规格为B300 mm×250 mm×12 mm; 斜撑规格为HW250 mm×250 mm×9 mm×14 mm;水 平加固杆规格为P89 mm×4 mm;加劲板厚度同腹板厚 度,提示立面及提升平台安装如图3､图4所示｡提升 下吊点设置在连廊上弦杆端部上翼缘处,如图5､图6 所示｡

图3 提升立面图

图4 提升平台安装

图5 吊点平面图

图6 吊具示意

3.3.2 整体提升

底部钢桁架离开拼装胎架约150 mm后,利用液压 提升系统设备锁定,空中停留12 h进行全面检查,各项 检查正常无误,再进行正式提升,连廊试提升如图7所 示｡试提升阶段,为避免夜间突发较大的风荷载,采用 钢板将连廊与塔楼钢柱临时焊接,如图8所示｡

图7 连廊试提升

图8 临时固定焊接

以试提升后的连廊姿态作为提升姿态的控制标准, 正常状况下提升速率约为7 m/h,提升时每提升10 m各 吊点进行一次测量,根据测量数据进行连廊姿态调整, 消除同步提升过程中的累积误差,保障同步提升｡在提 升过程中对连廊姿态调整时发现,将连廊通过临时加固件连接为整体后,结构的几何形状基本对称,提升姿态 在整体施工过程中基本维持不变,无需做较大调整,直 至提升到设计标高附近,连廊提升姿态如图9所示｡底 部钢桁架提升至距离设计标高约200 mm时,暂停提升; 各吊点微调使结构精确提升到达设计位置,安装马板､ 拧紧安装螺栓,如图10所示;液压提升系统设备暂停工 作,保持提升单元的空中姿态,后装杆件安装､焊接, 使结构形成整体稳定受力体系｡

图9 连廊正式提升

图10 连廊位置微调

3.3.3 连廊卸载

连廊的卸载分为2个阶段:第一阶段为松开液压提 升系统设备,第二阶段为断开临时加固件｡

1)第一阶段,液压提升系统设备同步减压,至钢 绞线完全松弛;拆除液压提升系统设备及相关临时措 施,完成钢桁架的整体提升安装｡后装杆件全部安装完 成后,进行卸载工作｡以计算的提升载荷为基准,所有 吊点同时下降卸载10%;在此过程中会出现载荷转移现 象,即卸载速度较快的点将载荷转移到卸载速度较慢的 点上,以至个别点超载｡因此需调整泵站频率,放慢下 降速度,密切监控计算机控制系统中的压力和位移值｡ 某些吊点载荷超过卸载前载荷的10%,或者吊点位移不 同步达到10 mm,则立即停止其他点卸载,并单独卸载 这些异常点｡如此往复,直至钢绞线彻底松弛｡

2)第二阶段,为保证在施工上层钢框架时,连廊 已恢复至原有设计状态,需在后装杆件安装完毕且焊缝 探伤满足规范要求后进行临时加固件的切断｡由于整个 底部钢桁架可以近似看作两端固结的单梁结构,梁底受 拉,梁顶受压,施工中安排2组工人先沿原焊缝位置断 开桁架下弦杆位置的临时加固件,尽量保证两侧加固件 断开时间接近,待下部临时加固件断开后,观测桁架无 明显变形后再同步断开上弦杆位置的临时加固件,临时 加固件的切断顺序､切断后加固件的断面､连廊的完成 面如图11~13所示｡临时加固件断开前后均对连廊状态 进行同步测量,如图14所示｡

图11 临时加固件切断顺序示意

图12 临时加固件切断后示意

图13 连廊断开后完成面

图14 变形测量

3.3.4 桁架层上部钢框架安装

底部钢桁架与两侧塔楼形成稳固的结构后,铺设 桁架楼承板,混凝土浇筑完毕后按常规钢结构施工做 法依次安装50~51层的钢柱､钢梁及楼层板的施工及浇 筑｡为了保证连廊的整体结构安全,逐层施工时需待连 廊的钢梁与塔楼预埋件焊接稳固后,方可进行下一层的 施工｡

3.4 整体提升的各工况计算及观测数据分析

由于在连廊上增设了临时加固件,施工前分别对连 廊在提升过程中､后装杆件安装完毕及临时加固件断开 3个阶段和提升平台进行了相关计算,连廊的应力､应 变如图15所示｡模型计算时由于起拱值数值小,按规范 要求可以不考虑起拱对结构的影响｡

图15 连廊3个阶段的应力､变形云图

根据计算分析,由于整个连廊的自身刚度足够大, 过程中基本只承受连廊自重带来的荷载,各阶段下连廊 的最大竖向变形为1.9~2.9 mm,远小于规范要求(按 最短长度即断开后悬挑段长度10.6 m的2倍计算,为 42.4 mm),而最大应力比为0.05,结构留有足够的安全 冗余度｡计算表明,分段式钢连廊临时固结提升的施工 工艺是安全可靠的｡

同时,对连廊各阶段下的变形进行实时监测,监测 点布置如图16所示,变形数据见表1｡数据表明靠近塔楼点位1~2､7~8的相对位置在施工全过程中基本均无 明显变化,与数值模拟的计算结果相符;但点位7~8在 拼装阶段转入提升阶段后发生了一次较为明显的变化, 这是由于钢牛腿定位时安装误差带来的｡

图16 监测点位布置

表1 各阶段下连廊的实际变形情况

点位3~6为跨中点位,在拼装阶段时预留了8~ 16 mm的起拱值,转入提升阶段后,由于自重作用,起 拱值被削减7~12 mm,该阶段位移变化大于数值模拟 的计算结果,经分析该异常同样是因为钢牛腿定位时安 装误差带来的;提升阶段转入后装杆件安装阶段的数值 无明显变化,符合数值模拟的计算结果;最后转入临时 加固件断开阶段时,点位3~6相较上一阶段的位移变化 为6~8 mm,略大于模拟计算的结果,这是由于临时加 固件的断开实际上等同于能量的瞬间释放,对结构有个 短暂的冲击荷载,从而带来了与数值模拟计算结果的 差异｡

综合观察整个连廊全过程的位移变化规律,符合 数值模拟计算中对整个连廊各阶段分析的预期,且在 数值变化幅度上看均未超出挠度容许值(42.4 mm)的 要求｡此外,对提升采用的平台也进行相关计算,提 升平台的应力､应变及反力如图17所示｡结构在提升 施工过程中,提升平台最大应力比为0.59,最大竖向变形为2 mm,最大水平变形为2 mm,最大竖向反力为 444 kN,均满足规范要求｡

图17 提升平台的应力､变形､反力图

4、结语

本文以成都世纪空间大厦项目为工程背景,对超 限高层建筑中分段式钢结构空中连廊施工技术进行了研 究｡项目采用分段式钢连廊临时固结提升与高空原位拼 装相结合的施工工艺,在施工全过程对连廊采用数值模 拟和实时监测,并将两者数值对比分析,最终顺利完成 了连廊的安装,在降低施工难度､保证施工质量等方面 均有良好的效果｡此外,对于其他超限高层建筑中外形 极度不规则的空中连廊,可采用设置临时加固件的方式 将结构重新分割为多个几何对称的单元体后再进行施 工,并结合数值模拟､建立实体模型等方式来实现进一 步研究｡

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文章来源:黄昊文,娄一鸣.超限高层建筑中分段式钢结构空中连廊施工技术研究[J].建筑施工,2024,46(12):2064-2067+2078.