超高层异形多腔体巨型柱集成式操作平台设计与应用
1 工程概况
中国尊位于北京朝阳区东三环商务中心CBD核心区中轴线,东至金和东路,南至规划绿地,西至金和路,北至光华路,总建筑面积约437 000m2,其中地上约350 000m2,地下约87 000m2。建筑高度528m,地上108层 (不包括夹层) ,地下7层,基础埋深约37.3m。该建筑兼具甲级写字楼、高端商业及景区观光等多项业态功能。
1.1 巨柱概况
多腔体巨型柱位于塔楼平面四角 (对称分布) ,底部与顶部柱截面分别为63.9m2和2.56m2,钢板厚度最大为60mm,其材质主要为Q390GJC, Q345C。4根巨型柱分别编号为MC1, MC2, MC3和MC4且中心对称 (见图1) 。
巨型柱在1~6层 (标高:2.900~43.350m) 为4根六边形异形多腔体柱;7层开始分叉,由4根转换为8根,柱外形由六边形渐变为五边形、四边形,且柱截面逐渐变小;7~17层 (标高:43.350~90.250m) 为六边形田字形巨柱;18~19层 (标高:90.250~98.850m) 为五边形田字形巨柱;20~92层 (标高:98.850~433.850m) 为四边形田字形巨柱;93~F106层 (标高:433.850~503.200m) 为四边形箱形柱。巨型柱截面形式可分为6类 (见图2) 。
1.2 巨型柱特点
目前,超高层建筑集成式操作平台基本应用于外截面不发生巨大变化的巨型柱或外墙上,本工程中巨型柱分为6种类型,每种类型都渐变过渡,巨型柱外边缘尺寸随标高增大而改变,集成式操作平台设计须根据巨型柱异形截面的变化进行调整以满足现场施工要求。
1.3 集成式操作平台概况
本项目集成式操作平台主要用于巨型柱安装、焊接、探伤等钢结构安装作业。操作平台主要依靠自身提升系统遥控指挥提升架体至所需标高。本工程拟在地上外框巨型柱安装完成4节后开始采用集成式操作平台。每个巨型柱首层布置16个机位。为方便平台安装,底部双排架须限高2层,即从1层底板以上组装,施工前原架体须覆盖住1层。操作平台全高12m,一次吊装到位,吊装同时将2~4节巨型柱3处的附着支座安装牢固,为操作平台提供可靠的结构附着点。
2 集成式操作平台设计
2.1 操作平台组成
集成式升降操作平台主要由折叠脚手架单元、附着支撑系统、提升系统、控制系统和防坠落装置等5部分组成。每个提升单元划分根据现场施工实际情况,满足流水施工进度及工程质量要求。
2.1.1 附着支撑系统
附着支撑系统是由多个设备集合构成,其中包括稳定运行导轨、可靠附墙支座 (可防坠落) 、承载安全螺栓等 (见图3, 4) 。
2.1.2 折叠脚手架单元
折叠脚手架单元是一个安全的承力结构,能够将荷载有效传递到导轨主框架上。以定型立杆框架为骨架,框架的内外立杆通过型钢脚手板进行连接,通过三角支撑架与斜拉撑杆来提高单元的整体稳定性,内挑密封翻板和防护钢丝网起到围护作用 (见图5) 。
2.1.3 提升系统
采用7.5t电动葫芦作为动力提升,下吊点设吊点桁架,与导轨立杆、平台立杆通过螺栓连接,上吊点焊接在与下吊点对应位置的巨型柱上。
2.1.4 控制系统
控制系统主要包括: (1) 重力传感器,确保操作平台处于安全运行状态,防止失载事故; (2) 电气线路保护装置,可对漏电、短路等情况及时采取保护手段; (3) 控制箱,控制操作平台的升降,分为单独升降、整体升降等。
2.1.5 防坠落装置
星轮和单向运动阻挡构件使速度信号和荷载信号相结合,极大地提高了附着式升降脚手架的安全防坠效果。除附墙支座防坠外,在下吊点位置增加1个吊点,爬架整体提升时,下吊点与上吊点间拉设1道钢丝绳,作为第2项防坠措施。
2.2 操作平台布置
2.2.1 总体布置
操作架的布置形式根据巨型柱截面变化。在高度方向上,根据巨型柱分段长度变化作适当调整,在15.000~298.700m标高范围巨型柱分段长度<3.5m,可采用4层集成式爬架;标高298.700m以上部分,巨型柱分段长度在7.4~14m,采用双层式集成爬架。
2.2.2 平面布置
1) 集成架与巨型柱间隙
采用在架体前段增加1块钢跳板和钢跳板前沿安装活动翻板的形式来实现集成架与巨型柱间空隙的封闭,在架体投入使用阶段,尤其是在焊接操作中须在通道、钢跳板及前翻板上铺设石棉布防止焊接、返修火花掉落。
2) 转角处安全防护
在架体转角处,标准通道板为矩形,易形成空洞,因此在转角位置铺设与空洞大小一致的异形跳板,使得架体通道畅通且无安全隐患。
2.2.3 立面布置
1) 分段<3.5 m
集成式架体总高度为12m,根据巨型柱的分段、分节布置,为使巨型柱立面各工作面方便施工,将操作架体分为4层,前3层层高3.2m,最高1层层高2.4m,层间通道采用宽度为500mm的斜爬梯,采用1部护笼式爬梯进入集成式架体。
2) 分段>7.4 m
在标高298.700m以上,巨柱分段>7.4m。如巨柱分段为9m,可有效利用的架体只有2层,即第4层用于上节柱的安装校正,第1层用于焊接、返修工序。架体每次提升的高度为巨型柱分段长度,即9m高。在12m高架体范围内,用冲孔镀锌板在架体立面外侧做一圈外围防护结构,转角位置也须覆盖到位。
3 巨型柱特殊位置过渡设计
3.1 巨型柱分叉处过渡方式
7层及以上部分巨型柱由1根分叉变为2根,爬架须部分拆除过渡,将分叉后的巨型柱每根安装完成2节后,进行部分架体拆除,拆掉5, 6, 13, 14, 15号机位,然后将拆下来的机位移动至未安装机位一侧,新增加5, 6, 7, 8, 9号5个机位通道及外立面防护与之前相同 (见图6) 。
3.2 单根巨型柱变截面处过渡
巨型柱截面的过渡设置在结构桁架层,随着高度不断增加,六边形的巨型柱截面先过渡为五边形,然后变为四边形 (见图7) 。
在17~18层,6, 7号机位所在边长逐渐减小,5, 8和9号机位所在边长逐渐增加,在巨柱安装过程中,需将7号机位拆除,6号机位移动到5号机位所在边,同时随使用情况改变通道板的铺设方式及位置。
3.3 桁架、巨撑处过渡
在安装与巨型柱相连的桁架上下弦杆、巨型牛腿时,须将相应巨型柱牛腿一侧的架体拆除,待桁架上下弦杆、巨型牛腿安装完成,将剩余架体整体爬升至下一节巨型柱安装位置后,开始补装拆除的架体,然后进行巨型柱焊接等工序 (见图8) 。
4 操作平台安装
为了提高集成式操作平台组装的效率,避免出现现场组装困难的问题,该操作平台的架体组装须工厂预拼装,确保构件顺利组装,并对每个单元进行单独编号,平台布置尺寸与结构外形一致,根据主体施工进度进行合理化调整。其整体组装从结构转角处端部开始,具体流程为:明确组装次序→脚手板与主杆连接→斜撑杆固定→横杆加强→平台单元组装→单元分段吊装→整体组装。组装过程如图9所示。
5 集成式操作平台提升
在架体高度范围内的巨型柱安装完成后,集成式操作平台架体向上爬升1节巨型柱的高度,其提升过程如下。
5.1 准备工作
预紧提升链条,检查吊点、吊环、吊索情况,星轮防坠落附墙支座的情况和密封板情况,并对使用工具,架子配件进行自检。
5.2 架体提升
启动电动葫芦,整体或部分分组提升架体,过程中应通过传感器监测各吊点受力情况。
5.3 提升就位
提升快就位时,安装上部附墙支座,将密封板全数封闭好后再及时全数上好定位扣件,当部分扣件位置过高时,应在其下加上垫高件。定位扣件全数固定上紧后,便可进行卸荷工作。
6 结语
针对超高层异形多腔体巨型柱,本文提出一种适应于不同阶段施工爬架改变最小的集成式操作平台设计方法。该方法具有如下优点。
1) 爬升过程中对施工基本没有影响,只在巨型柱截面类型发生变化时或巨型柱截面尺寸渐变积累到单元爬架尺寸时需要使用塔式起重机改变爬架布置,很少占用塔式起重机,有助于加快工期总体进度。
2) 与传统爬架相比,由于全系统均采用钢制材料,不再使用扣件、木走道、塑料安全网等易损材料,从而减轻了施工过程的维修费用,也杜绝了采用易损件带来的安全隐患。
3) 与传统爬架相比,由于走道板和外立面防护网均采用钢制材料模块化拼装,具有防火隔火的安全优势,杜绝了高空架体发生火灾的隐患。
4) 集成操作平台具有在地面快速组拼成模块、实现模块化吊装拆除的优点,不但可以加快防护进度,且避免了高空拆搭的危险。
5) 走道板、防护翻板采用防滑花纹钢板,具有高强度、绝燃、耐冲击、经久耐用的特点,适用于超高层大型建筑巨型柱及外墙的施工防护。使用钢跳板和钢跳板前沿安装活动翻板封闭集成架和巨型柱间的空隙,防止焊渣掉落,保障施工安全。
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