广发证券大厦主塔楼标高为273.280m (59F) 以上采用4榀大跨度钢结构门架造型, 其中, 单榀门架高34.7m, 跨度为29.0m, 质量达167.4t。钢结构门架平面及立面布置如图1所示。

屋顶4榀大跨度钢结构门架施工可分成8道无水平连系异形钢柱以及4根大跨度异形钢梁2部分依次进行安装。其中, 异形钢柱安装方法与标准层钢柱安装方法相似, 重点在于安装精度控制;大跨度异形钢梁安装则是整个钢结构门架安装难点所在。

单根钢梁总吊重约44t, 现场所采用的M600D塔式起重机及ZSL750塔式起重机在25m吊装半径 (恰好覆盖堆场) 下最大起吊性能仅为27.8t及25.0t, 因此需对钢梁做分段处理。为减少支撑措施对结构产生较大影响, 可将支撑措施直接安装于59F圆管柱正上方, 单根钢梁共计2个支撑点, 故将各道钢梁分为3段进行安装。

支撑措施可考虑格构式胎架支撑或圆钢管支撑2种类型, 下面将针对这2种支撑类型进行比选。

采用2m×2m格构式胎架作为钢梁支撑措施, 各胎架底座均固定于59F圆管柱柱顶正上方, 胎架与胎架、胎架与核心筒之间通过连系桁架连接, 以确保侧向稳定性满足施工要求。格构式胎架支撑体系验算模型如图2a所示。

通过计算机进行施工模拟分析知, 钢梁施工过程中, 整个结构最大应力为48.2MPa, 小于Q345钢强度设计值310MPa, 满足强度要求;钢梁安装过程中最大位移为3.7mm, 卸载后大跨度钢梁跨中挠度为17.6mm, 挠度值在规范允许值 (72mm) 范围内。

支撑胎架验算中, 胎架在荷载包络下, 胎架最大组合应力为120.0MPa, 小于Q345钢强度设计值310MPa, 满足强度要求;最大位移为24.2mm, 作为临时支撑构件, 该位移满足现场施工要求。

胎架自重及胎架顶部反力需通过圆管柱四周钢梁传递至圆管柱。通过施工模拟分析可知, 钢梁最大应力为163MPa, 满足强度要求;钢梁最大变形20.6mm, 小于次梁挠度允许值 (48mm) 。

由以上分析知, 采用支撑胎架+分段高空原位吊装的施工方案进行屋顶大跨度钢梁安装, 施工过程中钢结构门架原结构、带连系桁架的格构式支撑体系、底座传力59F结构钢梁强度及刚度均满足规范要求, 方案可行。

采用ф900mm圆钢管作为钢梁支撑措施, 各圆钢管底部与59F圆管柱 (规格ф900×16, 顶标高为272.980m) 柱顶全熔透焊接固定。圆钢管与圆钢管间、圆钢管与异形角柱之间通过箱形梁连接, 以确保侧向稳定性满足施工要求。圆钢管支撑体系验算模型如图2b所示。

采用最不利工况验算, 在钢梁分段自重及风荷载作用下, 整个结构最大应力为94.36MPa, 小于Q345钢强度设计值310MPa;钢柱最大水平位移为60.63mm, 小于钢柱柱顶水平位移允许值 (67.88mm) ;钢梁最大竖向位移为4.98mm, 小于最大挠度允许值 (21.25mm) ;同时支撑钢结构验算比最大为0.136, 满足规范要求。

以上2种钢梁支撑方案均能满足现场施工要求。其中, 格构式胎架支撑方案侧向刚度及稳定性高, 变形较小, 但格构式胎架及连系桁架高空拼装困难, 且需屋顶核心筒全部施工完毕后方可安装。圆钢管支撑方案安拆较简单, 无需依赖核心筒拉接, 可大大缩短工期;另外, 支撑体系对原结构几乎不产生影响, 无需考虑结构补强;但为了确保其侧向刚度, 需加大框架箱梁截面, 支撑措施量较大, 经济性较差。

通过对比2种支撑措施方案优缺点, 最终选择圆钢管支撑方案, 采用周转一次使用方法降低措施投入量。

屋顶钢结构门架安装可分为2个阶段, 第1阶段为屋顶外框8根异形钢柱 (每根钢柱分为4节) 安装, 第2阶段为屋顶4根异形钢梁 (每根分为3段) 安装, 其中还包括圆管柱支撑措施及框架钢梁的安装。

屋顶钢柱需在西南角M600D塔式起重机拆除前安装完毕。之后使用东北角ZSL750塔式起重机开始圆管柱支撑措施、临时框梁安装, 并最终完成第2阶段全部钢梁分段的吊装安装。屋顶钢结构门架安装总体流程如图3所示。

屋顶大跨度钢结构门架施工第1阶段为屋顶外框8道异形角柱安装。此阶段在核心筒东北角内安装有1台ZSL750塔式起重机, 臂长45m, 西南角内安装有1台M600D塔式起重机, 臂长50m。首层楼板上共设置北面、西面2个钢柱堆场, 2根塔式起重机分别负责东北部跟西南部各4根16节角柱吊装。

屋顶大跨度钢结构门架施工第2阶段为屋顶4根钢梁安装, 此阶段在东北角内M600D塔式起重机已由ZSL750塔式起重机拆除, 剩余屋顶钢结构门架安装均由东北角内ZSL750塔式起重机完成。

除M600D塔式起重机被拆除外, 其余平面布置与第1阶段施工平面布置类似。

为减少现场焊接量, 提高钢柱安装精度, 需尽可能减少钢柱分段, 且控制各分段质量尽可能接近, 以减少塔式起重机最大负荷。钢柱最终分段如表1所示。

异形钢柱柱体两侧共设置4个吊点, 考虑吊装简便, 稳定可靠, 直接将钢管柱上端的连接耳板作为吊点。为穿卡环方便, 在深化设计时将连接耳板最上端的一个螺栓孔的孔径加大, 作为吊装孔。

屋顶钢柱安装措施主要包括操作平台及带护笼爬梯。操作平台设置于每节钢柱连接处以下1.2m处, 第1节柱安装完毕后, 操作平台倒运至第2节柱, 之后不倒运留作通道休息平台;第3节柱采用第2套操作平台, 安装完毕后不倒运同样留作休息平台。2套操作平台待屋顶钢结构门架全部安装完成后再拆除。异形角柱柱体上靠楼板一侧挂设带护笼钢爬梯, 与操作平台一起组成屋顶大跨度钢结构门架安装垂直通道。

先安装西侧及南侧支撑措施, 待该两侧钢梁安装完成后, 卸载并拆下这两侧安装措施, 打磨处理后, 重新安装作为东侧及北侧屋顶钢梁支撑措施。单侧支撑措施安装总体顺序为:第1, 2节圆管柱支撑安装→临时框梁安装→操作平台安装→第3节圆管柱支撑安装→临时框梁安装→操作平台倒运→屋顶钢梁顶升装置安装。支撑措施立面布置如图5所示。

圆管柱支撑总高度为32.8m, 需要在柱身挂设钢爬梯。爬梯与爬梯之间采用螺栓连接, 每隔2m使用铁丝或钢丝绳捆绑固定, 防坠器与爬梯挂设点分开, 独立挂设。

圆管柱安装时, 为保证操作人员的安全, 钢柱顶部采用型钢组成的操作平台。操作平台装配在柱顶牛腿上, 待钢柱吊装焊接工作完成后, 将操作平台吊装至下节钢柱柱顶, 循环使用。圆管柱操作平台效果及摆放位置如图6所示。

考虑到原结构圆管柱柱顶与楼板面平齐, 可采用先安装1节1.2m短钢柱作为圆管柱底层节方式, 提高圆管柱支撑与结构柱对接精度及焊接可靠度。另外, 由于圆管柱支撑自重较小, 分段长度主要受构件运输长度制约, 考虑将短钢柱以上部分钢柱分为两节, 故圆管柱支撑共计分为3节。

钢柱吊装后采用临时连接耳板连接, 作为钢柱的临时固定, 待测量校正后, 在焊接前, 将临时连接耳板割除。当钢柱安装有错位时, 需采用钢柱错位调节措施进行校正, 主要工具包括调节固定托架和千斤顶。

箱形梁与圆管柱通过牛腿连接, 具体节点连接方法如图8所示。

钢梁焊接采用挂篮, 待钢梁安装就位后, 将挂篮设置在钢梁一侧, 施工人员在挂篮上进行钢梁焊接。钢梁安装前需拉设双道安全绳, 安装前在地面使用立杆在钢梁两端焊接固定。

异形钢梁分段处采用H形底座梁及调高立柱用于屋顶钢梁临时支撑及标高位置调节。调高立柱顶部稍高于该位置异形钢梁设计标高, 待异形钢梁吊装就位后, 配合千斤顶逐步采用切割方法调整立柱高度, 直至异形钢梁校正完毕。

钢梁形状为异形结构, 连接耳板设置在钢梁朝上一侧及两端, 钢梁最大质量达18t, 为保证临时连接安全, 连接耳板设置5块 (含2块吊耳) 。采用四点吊装, 每条钢丝绳两端分别吊挂钢柱相邻2个吊耳, 使钢柱起吊时能自行调整钢梁垂直度。

由于异形钢梁顶面为水平面, 水平宽度达1.6m, 采用在异形钢梁靠外侧拉设1道立杆式双道安全绳临边防护方法, 以确保作业人员梁上通行安全。

异形钢梁对接位置焊接需由焊接挂篮, 焊接挂篮根据钢梁外形进行设计。

为确保挂篮稳固可靠、易用性高且便于现场装卸, 屋顶钢梁焊接挂篮由槽钢梁、└70×5主骨架以及└50×4骨架焊接而成 (未注明的均为└50×4) 。

焊接挂篮由塔式起重机整体吊装, 架靠在屋顶钢梁对接位置, 两端调整合适后, 采用限位板固定挂篮顶部槽钢梁, 随后在两边挂篮底部满铺钢跳板并固定。

采用带护笼钢爬梯, 各钢爬梯均需挂设防坠器, 并挂设于靠核心筒一侧。

屋顶单侧3段钢梁需当天吊装完成并采用双夹板临时连接固定成为整体。

钢柱牛腿端采用撬棍及千斤顶作为校正工具, 操作方法同标准层钢柱校正方法类似;圆管柱支撑端采用调节千斤顶及两边支撑立柱高度方式进行校正。

屋顶单侧3段钢梁连成整体并校正完毕后, 在梁身各连接耳板间加焊连接板, 进一步牢固钢梁连接, 随后对各对接接口依次进行全熔透焊接施工。

异形钢梁对接焊接需开设工艺孔, 焊接施工人员从工艺孔进到屋面钢梁中焊接3道通长内隔板及钢梁底面2条水平焊缝, 钢梁焊接整体顺序为从里到外、从两边向中间对称焊接, 2个焊接人员同时焊接。钢梁安装高度达308m, 高空风速大, 焊接时需要搭设防风防雨篷。

支撑措施拆除总体顺序为:切割柱顶工装立柱卸载→第2道临时框梁拆除→第3节圆管柱支撑拆除→第1道临时框梁拆除→第2节圆管柱拆除→第1节圆管柱拆除。

根据施工模拟验算, 异形钢梁焊接连成整体并卸载后, 整体下挠17.6mm, 变形较小, 可采用直接切割工装立柱方法进行卸载。卸载时, 先切割靠圆弧端立柱, 敲出切割段等待异形钢梁稳定适当时间后切割另一根立柱。

临时框梁切割拆除前, 需先连接好塔式起重机钢丝绳, 吊点连接方式与吊装过程相同, 钢丝绳绕过屋顶钢梁靠核心筒一侧与临时框梁连接, 切割过程中塔式起重机不松钩。

拆除圆管柱支撑与角柱间临时框梁时, 先在靠钢柱一端设置吊篮作为切割操作平台, 切割到合适程度时, 作业人员移步至钢柱钢爬梯上继续切割作业, 直至切割完成。钢梁先切割底端焊缝, 再切割侧面焊缝, 最后切割顶部焊缝。切开钢梁连钢柱端后, 在圆管柱牛腿上完成临时框梁另一端切割, 切割时采用倒链控制钢梁稳定。

第2道临时框梁拆除后, 开始准备拆除第3节圆管柱支撑。拆除前, 先将操作平台转移至第1节圆管柱支撑顶部, 塔式起重机钢丝绳绕过屋顶钢梁靠核心筒一侧与圆管柱支撑连接, 吊点设置同吊装过程。

圆管柱切割时, 先切除靠核心筒侧半圆弧焊缝, 随后再逐步往外切割, 最后切割圆管柱远核心筒端焊缝。圆管柱支撑连接节点处切割过程中塔式起重机不松钩, 另外, 在上节柱下部焊接临时耳板用于挂设倒链, 倒链一端与下节柱连接耳板固定。圆管柱切割完毕后, 作业人员在平台上通过调整倒链长度控制圆管柱稳定, 并逐步推向核心筒一侧, 最后吊除该节圆管柱。

第3节圆管柱支撑及第1道临时框梁拆除后, 卸下第2节圆管柱支撑操作平台, 随后开始第2节圆管柱支撑拆除作业, 拆除方法与上一节圆管柱支撑类似。

广发证券大厦屋顶大跨度门架钢结构施工过程中, 通过采用箱形钢梁提高圆管柱支撑侧向刚度方法, 摆脱传统格构式胎架对连墙措施的依赖;通过采用带护笼钢爬梯结合钢柱操作平台方法, 减少了作业人员垂直攀爬风险;通过采用开工艺孔处理对接接口并合理设置坡口朝向方法, 结合定制的焊接挂篮操作平台, 克服异形钢梁对接接口焊接施工困难的问题。

本工程实例中, 得益于方案编制过程中对各项施工细节的充分考虑, 以及结合施工模拟计算, 对现场施工各环节进行了深层次的优化及简化, 最终得以克服高空临边作业危险性大、安装校正困难以及焊接接口复杂等诸多难点, 高效、顺利地完成了此部分钢结构的安装。这也为超高层建筑大跨度钢结构门架提供了一个经典的安装实例。