顶升模架 (见图1) 是继滑模、爬模之后的一种应用于超高层建筑核心筒竖向剪力墙结构施工的新型模架体系, 是我国重点推广的“建筑业10项新技术 (2017) ”之一 (整体爬升钢平台) ^[1,2,3,4]。在核心筒施工中, 顶模技术以施工进度快、施工作业面小、促进实现绿色施工等优势, 成为国内超高层施工中最具竞争力的施工技术。另一方面, 由于顶模成本高、设计和施工技术难度大, 一般只在200m以上超高层结构中使用, 国内只有少数工程单位掌握此技术, 因此顶模技术代表着国内超高层建筑行业发展的最高水平。

顶模分为5大系统:动力系统、支撑系统、桁架系统、模板系统和挂架系统。施工过程及相关工艺在诸 多文献^[5,6,7]已有详细阐述。在顶模设计过程中, 动力系统由专业厂家提供, 支撑系统、模板系统和挂架系统由工厂提供成品零部件, 运至现场直接组装, 而桁架系统则需要施工人员根据项目特征进行针对性地设计。桁架系统的主要结构是桁架平台。桁架平台用来悬挂模板和挂架, 同时也是模架顶部施工机械附着物和材料的堆场, 因此桁架平台必须具备足够的承载力和刚度, 其设计成为顶模设计过程中技术人员要解决的最主要问题。本文以上海市徐汇区滨江恒基中心项目为例, 主要从桁架平台设计要点和计算分析2个角度研究顶模在该项目中的应用。

恒基中心位于上海市徐汇区黄浦江南延伸段WS5单元188S-H-2地块, 是以写字楼、酒店业务为主题超高层建筑, 结构高度为279.2m, 建成后将成为该地区的地标性建筑。该项目核心筒施工采用标准贝雷架装配式顶模体系^[8]。该顶模桁架平台采用3个型号的贝雷架拼装而成, 具有施工快、易周转、成本低的优点。本文针对恒基中心顶模桁架系统设计问题展开研究。图2为该项目顶模桁架模型。

桁架系统设计包括平面布置和桁架整体分析2部分。

桁架平台平面布置是一个系统性设计问题, 其设计过程要兼顾支撑系统、挂架系统和模板系统的协调。桁架主要组成构件包括3个型号的贝雷片BL1 (3 048mm) , BL2 (2 438mm) 和BL3 (1 524mm) , 5个型号的连接件 (LJJ1～LJJ5) 和2个型号的加强件 (LJP1和LJP2) 。各构件如图3～5所示。

平面布置考虑的因素及原因如下。

1) 平行于剪力墙上方要尽量避免设置主、次桁架梁, 因为施工时从剪力墙位置向下运输材料, 剪力墙上方需要开施工洞口, 若被桁架挡住, 则干扰施工。

2) 平行于剪力墙旁至少需要1～2片桁架梁以支撑轨道梁和挂架梁。

3) 外筒剪力墙角部上空不能有桁架梁经过, 因为该部位一般有内置于墙体的型钢柱, 施工中需要利用塔式起重机吊起型钢柱, 从高空向下垂直吊运并安装型钢柱, 若该处设置桁架梁, 则角部型钢柱无法吊装。

4) 主、次桁架布置过程中需要考虑下弦平台上平台板的铺设及走道流线, 桁架上弦平台一般大面积铺设钢板用于堆放施工材料, 下弦则只根据人流需要铺设钢板, 上、下弦桁架布置一样, 所以主、次桁架梁的布置还要重点考虑下弦走道流线。

考虑贝雷架的尺寸及布置原则, 提出基于模数规则的桁架平台设计法。模数规则为:设基本模数w₀=152.4mm, 所有尺寸必须为w₀的整数倍。在桁架平台设计过程中, 该规则具体使用方法如下。

1) 桁架平台主次梁自身及相邻梁的间距必须服从模数规则。

2) 支撑柱的外挑长度必须服从模数规则, 且悬挑长度必须恰好为 1～2个 (一般≤2个) 贝雷片拼接长度。

3) 最外圈贝雷片位置的确定需满足以下条件:①轴线与外墙面的距离≥2×130mm+走道板宽度+走道板距外墙面距离 (130mm为挂架梁与贝雷片的水平最小距离) ;②该距离与外墙面距离支撑立柱轴线位置的距离之和必须服从模数规则;③根据支撑柱悬挑距离确定该贝雷架位置。如图6所示, 悬挑段的贝雷片通常有以下几种组合形式: LJJ1+BL1+BL2, LJJ1+BL1+BL3, LJJ1+BL2+BL3, LJJ1+BL1+LJJ1+BL2, LJJ1+BL1+LJJ1+BL3, LJJ1+BL2+LJJ1+BL3。

基于模数规则的桁架平台设计法在满足模数规则和平台功能需求的前提下, 对平台主、次桁架梁和贝雷片进行布置, 以形成整体桁架平台。

在遵循以上布置原则的前提下, 根据功能需求布置桁架, 图7, 8分别为该平台功能分区和平台桁架布置。

顶模系统有正常施工和顶升2种工作状态, 顶模桁架平台验算分析结果的主要控制指标为承载力极限状态下 (荷载基本组合) 的构件强度和正常使用极限状态下 (荷载标准组合) 的竖向位移、挠度, 按照荷载规范^[9]要求, 列出如表1所示组合。其中, ZH表示荷载组合编号;DL表示恒荷载;LL表示活荷载;WX表示x方向风荷载;WY表示y方向风荷载。

由于整个桁架系统采用Q345钢材制作而成, 因此在承载力极限状态下计算材料强度时可以采用多种组合下的包络值。桁架平台在承载力极限状态下2种工况的计算可得, 最大应力分别为10.176, 10.152MPa, 位于跨中桁架下弦, 远小于钢材的强度设计值310MPa, 满足强度要求。

而对于竖向位移和挠度, 由于不同部位 (跨中和悬挑端) 计算挠度方式不同, 因此重点关注竖向位移及挠度计算结果。结构在荷载标准组合下产生的挠度和结构在可变荷载作用下产生的挠度是重点关注对象, 取悬挑部位 (通常是悬挑端部) 最大挠度和非悬挑部位最大挠度作为挠度取值。计算可得, 桁架平台的大变形主要发生在跨中和悬挑端部, 因此可以将这2处的最大挠度值作为检验指标。

规范[10]规定荷载标准组合下钢梁的挠度允许值为1/400, 可变荷载单独作用下挠度允许值为1/500。表2, 3为2种工况、24种组合下的桁架变形位移计算结果, 以此判断桁架是否满足刚度要求。

经上述计算分析, 本文提出的桁架设计方案能满足有关承载力和刚度的施工要求, 经专家论证通过, 施工状态良好。

针对超高层核心筒施工中使用的顶模桁架平台, 考虑施工现场需要解决的核心问题为桁架平台的设计需求, 总结了顶模桁架平台的设计规则和注意事项。以恒基中心顶模桁架的设计为例, 参考本文提出的桁架平台平面布置设计规则, 对恒基中心顶模桁架平台进行针对性设计, 并对桁架平台进行结构计算, 以确保承载力和刚度满足要求。验算分析结果表明, 本文总结的设计规则和方法具有一定的实用性。