随着中国经济的发展, 国外项目增加, 国内先进生产建设技术也在同步走出国门, 向世界展示中国先进技术。钢桅杆液压提升已在国内上海东方明珠电视台钢天线提升、苏州润华环球大厦钢天线液压提升、南京电视塔钢桅杆提升等项目中成功应用。斯里兰卡科伦坡莲花电视塔独特的混凝土结构形式, 为提升工艺带来新挑战。

科伦坡莲花电视塔钢桅杆承载着电视发射天线、避雷针和航标灯等设备, 是电视塔的关键部位。其安装高度、长度、质量大, 高空安装是施工中的一个难点;总长71.1m, 总重约180t, 安装顶标高为356.300m。因施工现场及塔式起重机最大起重量、高度所限, 钢桅杆高空组对焊接施工难度相当大。

科伦坡莲花电视塔钢桅杆提升安装出于安全、经济、工期考虑, 对如下安装重点、难点进行了研究:混凝土桅杆顶设置提升塔架作为支撑架、地面累积组对钢桅杆分段、整体提升出混凝土筒、高空置换提升吊点等, 不同于以往钢桅杆分段提升, 避免了高空组对焊接、高空散件安装、安装精度受环境影响等诸多弊端。通过采用地面分节组对, 再倒装累积提升至安装位置, 配套设计了提升塔架并采用国内先进液压提升工艺, 对其他高层钢结构安装很有借鉴意义。莲花电视塔效果如图1所示。

斯里兰卡科伦坡莲花电视塔钢桅杆在混凝土桅杆以上范围为292.200~356.300m, 长64.1m, 插入混凝土桅杆内的范围为285.200~292.200m, 长度为7m, 钢桅杆总高71.1m。主要有3种截面形式, 从上而下依次为边长650mm方形、内切圆直径1 200mm的正八边形、边长2 000mm方形, 板厚为40mm。设计分为11个分段, 最长分段高7m (见图2) 。其中, 285.200~324.000m钢桅杆为2 000mm×2 000mm的正方形组合截面 (壁厚40mm) ;324.000~354.800m钢桅杆为内切圆直径1 200mm的正八边形组合截面 (壁厚40mm) 354.800~356.300m钢桅杆为650mm×650mm的正方形截面 (壁厚30mm) 。

根据钢桅杆结构布置特点, 拟采用累积液压提升方案进行钢桅杆分段组装及安装工作, 即于电视塔混凝土结构顶部设置液压提升系统, 通过累积提升方式从上而下组装钢桅杆分段, 待钢桅杆在地面形成整体后, 整体吊装至设计高度, 就位。

考虑到塔楼施工状况及布置特点, 钢桅杆分段于地面组装, 主要施工布置要点如下。

1) 电视塔各层楼板需于中心位置设置3m×3m开孔, 保证提升畅通。

2) 在混凝土桅杆底部265.200m处设置提升塔架, 提升塔架顶部高度约为302.270m, 在塔架顶部设置提升装置。

3) 钢桅杆各分段逐件运输至结构1层电梯井前厅, 运输第1分段后, 使用顶部设置的液压提升装置提升该分段, 然后运输下一分段, 精确调整第2分段投影方位角和垂直度, 第1分段下降与该分段对接, 然后提升第1, 2分段合体, 再运输第3分段, 依次提升, 待钢桅杆 (共11分段) 全部累积提升组装成整体后再整体提升, 直至达到设计高度。

1) 首先将塔楼结构各层楼板设置3m×3m开孔, 需开孔楼层标高范围为5.000~253.800m, 确保钢桅杆提升通道顺畅。

2) 在265.200m标高平台上设置提升塔架 (见图3) , 提升塔架高为35.27m, 提升梁组合高度为1.8m, 顶部约为302.27m, 提升塔架使用塔式起重机安装。提升塔架底部与混凝土平台锚固, 并于265.200~292.200m范围与混凝土钢桅杆侧向埋件设置水平连杆 (每侧设置2道) , 增强提升塔架稳定性。在塔架顶部设置提升装置, 提升装置包括1台TJV-60型液压泵站和4台TJJ-2000型液压提升器。

3) 运输钢桅杆分段GD11至±0.000标高楼面中心位置, 使用2层起重设备扶正, 安装提升下吊点。

4) 利用提升塔架顶部提升设备提升第1分段GD11 (稍高出第2分段高度) , 然后将分段GD10平移至安装中心位置, 精确调整第2分段方位角及垂直度, 之后下降第1分段与第2分段对接, 调整对接缝, 安装马板并焊接, 两分段间对称施焊, 使两分段形成一体 (所有钢桅杆在混凝土桅杆筒内提升, 换吊点过程类似, 不再赘述) 。

5) 混凝土桅杆筒内提升利用第1组下吊点吊装钢桅杆前5节 (GD11, GD10, GD9, GD8, GD7) , 提升梁上吊点中心距为625mm;继续提升、依次组装分段;再利用第2组下吊点吊装钢桅杆前4节 (GD6, GD5, GD4, GD3) , 提升梁上吊点中心距为950mm;将第3组下吊点设置于第6节 (GD6) , 提升剩余2节钢桅杆 (GD2, GD1) , 直至钢桅杆整体成型, 提升梁上吊点中心距为950mm;桅杆组装成型后, 提升全部至第4组下吊点牛腿底超出混凝土桅杆顶600mm。

6) 出混凝土桅杆筒提升当第4组下吊点牛腿位置出混凝土桅杆600mm后 (下吊点位于GD6节) , 将下吊点与牛腿对接焊接成型。卸载第3组吊点更换至第4组 (对称两两卸载转换) , 卸载第3组下吊点同时割除下吊点保留牛腿;此时, 提升梁上吊点中心距为1 350mm。第5~8组下吊点分别设置于第GD5, GD4, GD3, GD2节, 每当下一次下吊点牛腿位置出混凝土桅杆600mm后, 将下吊点与牛腿对接焊接成型;卸载前一组吊点 (卸载下吊点同时割除下吊点保留牛腿) , 更换至下一组 (两两对称卸载转换) , 如此循环, 直至提升钢桅杆至就位高度。提升过程中, 提升梁上吊点中心距为1 350mm。

7) 在4号吊点出混凝土桅杆600mm后, 焊接4号吊点, 然后再高空置换提升吊点, 置换流程:吊点底部和混凝土桅杆顶部之间设置支撑钢马凳, 然后将3号吊点卸载到1 100k N, 4个钢马凳每个平均承载100k N, 此时计算机显示提升质量在110t左右, 停止卸载, 开始吊点转换, 每台提升器由原来9根增加到12根钢绞线, 两两转换, 如图4所示。

8) 钢桅杆提升到位后, 分别按设计图在混凝土桅杆顶部和钢桅杆底部设置支撑体系;完成之后, 缓缓卸载, 使钢桅杆落于两处支撑体系上。

9) 解除提升设备与钢桅杆连接, 拆除提升设备, 然后从上而下拆除提升塔架, 完成钢桅杆安装。

提升塔架在钢桅杆吊装过程中作为主要承载结构, 除承受桅杆自重外, 还需承受桅杆所受风荷载作用, 提升塔架的设置及安装必须确保提升过程安全。

结合塔身顶部构造, 需将提升塔架设置于265.200m标高面, 为方便借助现场塔式起重机安装, 确定塔架高度35.27m, 提升梁组合高度1.8m, 顶部标高为302.270m。提升塔架采用格构式, 底部主肢间距为4.6m, 主肢截面为热轧无缝钢管325×16, 塔架包箍为□350×150×20×20。提升塔架柱脚与塔顶混凝土平台固接, 三维示意如图5所示。

提升塔架顶部设置双层箱梁用于支撑液压提升器。

提升过程中, 由于上、下吊点中心受钢桅杆截面变化和混凝土桅杆筒提升通道的限制, 上、下吊点需多次转换。钢桅杆提升重心如表1所示。

由于钢桅杆截面变化, 造成提升下吊点中心距改变。为保证提升上、下吊点垂直度, 提升梁在提升过程中需采用千斤顶平移。

1) 下吊点提升需转换7次 (8组下吊点) , 其中混凝土桅杆筒内提升转换2次, 出筒转换5次。

2) 上吊点提升梁位置变化3次, 吊点中心距分别为625, 950, 1 350mm。

钢桅杆提升经历多个阶段, 下吊点位置共做7次调整, 即共8种不同布置位置, 混凝土筒内提升采用1~3号下吊具分别设置于GD11, GD9, GD7 (正八边形) ;出混凝土筒后提升采用4~8号下吊具分别设置于GD6 (方形) , GD5, GD4, GD3, GD2。如图6所示。

在钢桅杆外壁下吊点对应位置焊接连接板, 提升下吊具制作成标准件与下吊点牛腿连接 (共2组下吊具形式) 。提升下吊具及下吊点牛腿设置形式如图7所示。

于桅杆外壁设置的下吊点牛腿高度为60mm, 下吊点牛腿于桅杆加工阶段直接安装, 使用后永久保留桅杆外壁。

限位用于抵抗钢桅杆提升过程中因各种因素产生的水平力;钢桅杆提升侧向限位采用预压弧形钢板制作, 并在其表面加装MGB板, 减少摩擦, 如图8所示。

1) 提升过程中, 限位与钢桅杆最小间距为20mm。钢桅杆提升侧向限位根据现场实际间距焊接加工, 确保提升通道顺畅。

2) 限位钢板表面涂抹黄油。

3) 限位用于抵抗钢桅杆提升过程中因各种因素产生的水平力。

4) 钢桅杆吊装前筒壁不安装其他构件, 确保提升通道顺畅。

提升过程中, 钢桅杆与限位间隙满足表2要求。

第4~8组下吊点提升至292.800m (高出292.200m混凝土结构0.6m) 时, 两两对称更换下吊点;置换时, 在下吊点底部设置马凳, 一对提升器卸载, 使部分桅杆自重荷载转移至马凳, 这样可减少水平风荷载和置换下吊点时对钢桅杆的不利影响, 马凳设置如图9所示。

由于工程位于热带气候地区, 雨量较大, 施工工期需经过雨季, 该项目考虑防雨、防雷接地措施。对整体提升支撑结构应设置顶部避雷针、塔架引下避雷线和基础防雷接地, 并应作为导体连通, 防雷接地电阻应≤4Ω (现场采用40mm厚扁铁与混凝土桅杆防雷连接, 且高出提升设施) 。

提升过程中, 混凝土内筒限位无法人为观察, 采用摄像头对内筒限位进行监控, 如有异常及时处理。

塔架部分计算采用国际通用结构分析软件SAP2000。节点分析采用Solidworks建模、Workbench进行分析。

1) 边界条件提升支架根部采用三向铰支座 (模拟支撑部分与原结构连接) 。

2) 荷载自重 (DEAD) 、集中荷载 (LIVE) 、风荷载 (WIND) , 强度及稳定为1.2DEAD+1.4LIVE+WIND, 支座反力及变形为1DEAD+1LIVE+0.4WIND。塔架最大应力比为0.762。

最大提升力为1 800k N, 综合考虑各种不利因素, 取分项系数1.4, 即2 520k N。由验算结果可知, 1号下吊具最大应力为108MPa, 2号、3号下吊具最大应力为93MPa, 4~8号下吊具2点最大应力为269MPa, 4~8号下吊具4点最大应力为133MPa。

计算说明如图10所示。图10中荷载为均布线荷载。

根据力的平衡及力矩平衡计算的限位点反力值:F₁=1 325.796k N, F₂=870.754 9k N, 取最大值F₁=1 325.796k N, 取1 500k N验算, 每个限位受力取750k N。验算结果表明, 1号限位最大应力为187MPa, 2号限位最大应力为223MPa。

马凳节点分析采用Solidworks建模、Workbench进行分析。板厚均采用20mm, 材质为Q345B。卸载受力按1.4×100k N计算。计算可得, 最大应力为142MPa, 最大相对变形为0.4mm。

随着国家“一带一路”倡议的推进, 我国对相关国家的直接投资逐年增加。斯里兰卡作为其中之一, 内战后基础设施建设正蓬勃发展, 斯里兰卡科伦坡莲花电视塔项目属于中国在当地投资的又一重大项目。该项目建成后, 将成为南亚地区的第一高塔, 同时也是中国海外投资的第一电视塔, 科伦坡城市的新地标。

标高为356.300m的斯里兰卡科伦坡电视塔钢桅杆成功提升是中国建筑科技走向国际的又一见证, 对今后类似工作有象征意义。