汉国城市商业中心大厦位于深圳市福田区, 大厦主要为酒店、商业、写字楼、文体活动设施, 建成后将成为华强北新地标, 项目总建筑面积为163 745m², 地上共78层, 地下5层, 建筑总高度为329.4m, 钢结构用量2万t。该工程在塔楼74层 (标高为301.800m) 至78层 (标高为329.400m) 的屋盖设置有大跨度重型钢桁架, 钢桁架最大跨度为45m, 总重达2 200t。大厦屋盖设计大跨度钢桁架, 象征着与天际相连, 皇冠加冕, 如图1所示。

该屋盖造型独特、结构复杂, 采用空间异形多变形面的桁架结构, 由上千根定制冷弯焊接方通用十字节点板组合而成, 构件受力复杂, 多杆件相交节点的空间坐标位置唯一, 该屋盖东西两侧共8根立柱支撑, 76层的观景平台采用悬挑钢梁, 78层的屋盖四周设置大型箱形边梁, 屋盖中部由4榀主桁架和18个次桁架组成, 75层仅在核心筒内设置楼层板。

76层观景平台由核心筒向筒外延伸有大量的悬挑钢梁组成, 悬挑长度为10m, 悬挑钢梁规格为HN900mm×300mm×16mm×28mm。

78层的屋盖东西向长度为45m, 南北向长度为30m。箱形边梁尺寸为□2 000mm×1 000mm×50mm, 每延米质量为2.5t多, 整根箱形钢梁重100t。桁架的杆件采用箱形截面, 上、下弦为□800mm×800mm×30mm, 腹杆为□400mm×400mm×16mm, □250mm×250mm×12mm, 每榀主桁架重约100t。屋盖桁架为异形结构, 用钢量大、节点复杂、现场焊接量大、安装精度不易控制。

本项目76层观景平台由10m悬挑钢梁构成, 离下一楼层板面高度达8.45m, 悬挑长度大且钢梁质量大;安装76层观景平台后, 还需进行屋盖大跨度钢桁架的安装, 屋盖钢桁架距76层悬挑观景平台高度达18m, 单榀主桁架和箱形钢梁重达100t。塔式起重机无法吊装整榀桁架进行原位拼装。采用传统的吊装方案:单件高空散拼和液压整体提升技术的施工技术。

若采用单件高空散拼施工方案, 需搭设脚手架作为临时支撑系统, 脚手架搭设高度达27.5m, 耗时、耗力且质量难以保障。

若采用液压整体提升技术, 需要将桁架在76层观景平台进行拼装, 76层存在大范围的悬挑钢梁, 均布活荷载值为5k N/m², 拼装均布荷载大大超过5k N/m², 楼层板将无法承受荷载而产生破坏。

本项目屋盖钢桁架安装为高空作业, 安全隐患大且质量难以保障;屋盖钢桁架的施工环境狭小、桁架复杂多向, 如何控制钢桁架变形及保证对口精度, 并使操作简便, 技术经济可靠, 也是本项目屋盖钢桁架安装工程需要解决的重要问题。

屋盖大跨度钢桁架在安装过程中的受力状况, 均与完工状态有较大差别, 需要对钢结构及其安装辅助装置在安装过程中各阶段进行结构的内力、稳定性、位移量做理论计算, 以确保钢结构及其安装辅助装置在整个安装过程中的安全性及结构的安装精度。

项目部对本钢结构工程的重难点、各种吊装方案进行了充分分析并对比后, 在74层和76层连续设置2层共24个格构式支撑胎架进行支撑和回顶, 将屋盖钢桁架荷载向下进行传导, 在胎架底端设计架空式底部分配梁。如图2所示。

项目预先在剪力墙上和结构柱柱顶端设置埋件, 埋件比楼层板高出20mm, 将埋件与架空式底部分配梁焊接固定, 有效地将屋盖钢桁架上部结构荷载和胎架自身荷载传至塔楼核心筒墙和外框钢柱上, 避免了原结构的楼板因承载荷载导致的破坏变形。

剪力墙和结构柱柱顶埋件安装→架空式底部分配梁安装→格构式支撑胎架拼装和安装→钢桁架吊装→钢桁架整体同步卸载→格构式支撑胎架拆除。

屋面钢桁架复杂节点多、焊缝多, 焊缝遍布于桁架各部位, 在钢结构制作厂内进行钢桁架整体预拼装, 一方面可以加快现场安装效率, 另一方面也可以检验构件加工的质量和精度, 对有问题的部位提前进行整改。利用BIM技术在计算机中模拟预拼装, 反复演练, 结合BIM软件特性, 对整个预拼装进行有效组织和策划。

因塔楼共设置2台ZSL750动臂式塔式起重机, 根据现场构件卸车位置等情况, 限定构件起重量为20t。每榀主桁架重约100t, 因此将主桁架分为5段, 钢桁架在加工厂直接焊接成分段后的结构运送至现场, 使用捆绑方式吊装结构, 钢桁架的安装方法是高空原位拼装, 钢桁架的分段拼接点位置设置在格构式支撑胎架正上方, 如图3所示。

首先进行架空式底部分配梁埋件的安装, 埋件根据钢桁架结构荷载、结构柱、剪力墙大小和位置进行设计, 埋件安装在混凝土柱上方和剪力墙的立面处, 混凝土柱上方埋件安装好后, 埋件上表面比楼层板高出20mm, 剪力墙立面处埋件锚板比剪力墙立面水平突出20mm, 埋件采用全站仪与电子经纬仪联测定位放样, 然后对放样点位进行自检并校核。

架空式底部分配梁根据格构式支撑胎架设置位置和埋件安装位置进行摆放, 架空式底部分配梁摆放平面如图4所示。

H型钢连接件与剪力墙埋件和结构柱柱顶埋件焊接连接, 埋件连接如图6所示。

架空式底部分配梁及其埋件的截面大小由MIDAS/Gen软件计算结果确定, 安装时根据图纸要求严格控制安装偏差, 采用CO₂气体保护焊, 焊接形式采用开坡口半熔透形式, 焊缝高度为5~7mm, 具体高度应根据设计确定。在架空式底部分配梁的翼缘板焊接2个吊耳, 以避免吊装过程中钢梁变形。

本项目采用了标准化格构式支撑胎架 (见图5) , 包括底座、底座节、2.1m调整节、0.9m顶梁节, 可根据项目情况更换顶部调整节和顶梁节, 实现标高调整、拆装方便、可重复利用、回收的目标, 符合国家绿色材料使用规定。底部分配梁、埋件和格构式支撑胎架等截面大小, 需根据有限元计算软件MIDAS/Gen分析结果选择设计, 尽可能减少安装过程中的荷载对主体结构的影响。

胎架拼装完成后, 塔式起重机吊起整个胎架, 根据布置位置, 吊至架空式底部分配梁上, 格构式支撑胎架与架空式底部分配梁焊接连接, 焊接形式为角焊缝, 连接在格构式支撑胎架的底部, 格构式支撑胎架连接构架如图6所示。

在74层板面设置8个格构式支撑胎架 (见图7) , 南北两侧各4个, 为76层悬挑钢梁安装做支撑及为屋盖钢桁架安装时传导76层板面的荷载, 因此74层胎架的位置要与76层胎架的平面位置上下重合。

78层大跨度钢桁架位于约328m的高空, 距离76层悬挑观景平台高度约18m, 桁架东西跨度约45m, 每榀主桁架重约100t, 采用原位拼装方法施工。在主桁架及箱形边梁的拼接点位置设置格构式支撑胎架, 共4榀主桁架和2根箱形边梁, 每个构件分为5段, 中间有4个拼接点, 因此共设24个胎架。其中16个胎架位置位于核心筒墙体上方, 另外8个胎架与74层的胎架上下重合。

76层的胎架底部设置架空式底部分配梁, 为了最大保证建筑结构的安全性, 底部分配梁在楼面平面上尽量和混凝土梁摆放位置重合, 因此76层架空式底部分配梁的位置与76层悬挑钢梁上下重合, 分配梁与核心筒墙和下层结构柱的连接方式同74层。76层格构式支撑胎架布置如图8所示。

每个格构式支撑胎架均设置在2段钢桁架构件的焊缝接口处, 胎架顶部设置2个20t千斤顶, 当构件吊装完成后, 通过千斤顶进行标高调整。标高调整完毕后, 在顶端型钢上采用多个5mm厚的钢板垫高型钢, 最后的空隙<5mm时, 可更换其他较小厚度的钢板, 直到塞满。

格构式支撑胎架每节杆件为圆管, 通过焊接成型, 每节之间通过螺栓进行连接, 构式支撑胎架构件的组合设计与选用应根据被支撑结构设计底标高与底部分配梁标高之间的设计高度进行计算确定, 杆件截面大小根据相关荷载计算得出。

屋盖钢桁架施工过程中, 本项目采用无线振弦应变采集系统对被安装构件关键受力构件进行应力应变监测, 并采用MIDAS/Gen有限元软件模拟分析, 以找出应力应变较大部位。从一次成型应力及应变分析可以得出, 在设计的恒荷载和风荷载情况下, 一次形成的位移峰值位于箱形边梁和主、次桁架中部范围。

根据分析结果, 钢桁架安装按顺序分为11个步骤, 各施工阶段屋盖钢桁架安装系统位移及受力验算情况如表1所示。

验算结果表明, 安装阶段最大应力为99.9N/mm², 远小于Q345钢材的强度设计值, 结构安全, 证明该安装方案安全可靠。

本工程通过有限元分析, 主要解决了以下问题。

1) 对不同的施工方案进行分析, 根据分析结构变形, 确定安装顺序。

2) 分析每个施工阶段, 结构是否为稳定状态, 杆件应力比是否满足要求, 确保施工过程的安全。

3) 分析施工过程中结构的变形, 保证结构的整体变形满足规范要求, 同时确保相邻安装单元之间的相对变形不可过大, 以满足安装精度要求。

4) 分析施工过程对结构杆件附加应力大小, 即结构施工完成后杆件应力与设计一次成型杆件应力的差值, 确保附加应力比与设计应力比之和在合理范围之内, 保证结构施工完成后承受荷载的能力不被削弱。

5) 分析施工过程中各关键节点的变形和重要杆件的应力, 与施工过程监测值进行对比, 为施工过程提供理论依据, 确保施工过程的可控性。

汉国城市商业中心大厦屋盖钢桁架施工工艺复杂, 温度、风力等施工环境因素多变, 导致施工过程结构体系的受力情况连续变化, 整体结构的应力及变形也随之连续变化。施工前, 进行施工全过程结构性能仿真计算, 深入分析结构成型状态内力和变形的影响因素, 以制定科学可行的施工方案。施工过程中, 对结构内力和变形进行监测, 确保结构内力和变形始终处于受控状态, 同时考察结构实际变形和内力变化规律, 为今后的施工活动总结经验。

本屋盖钢桁架安装过程中, 每个步骤监测安装系统z轴向下位移及应力数据如表2所示。

根据软件计算的变形量为依据, 同施工实际值对比, 通过安装桁架计算书得出构件下挠峰值为15.53mm, 为箱形边梁及主、次桁架跨中构件。根据“变形协调, 卸载均衡”的原则, 通过放置在支架上的可调节点支撑装置千斤顶, 多次循环微量下降来实现“荷载平衡转移”。每个卸载支撑上安排1个千斤顶操作人员, 全部千斤顶操作人员在统一指挥下对支撑点同步卸载, 即每取出1个5mm厚钢垫板, 将千斤顶同步降落5mm, 静放3h, 观察监测。循环此步骤, 直至全部卸载完成。

卸载完成、整个钢桁架呈自由状态时, 静置1~2d, 对钢桁架的焊缝进行认真检查, 同时用全站仪监测主桁架侧向位移和标高及杆件的变形等变化, 如有超差应及时调整, 各项监测数据都满足设计要求时, 再拆除措施支架。

支撑措施拆除主要使用卷扬机和倒链进行, 卷扬机安装在桁架杆件上, 与倒链或溜绳配合, 把支撑措施放于楼面上, 使用塔式起重机吊装至措施堆场, 支撑措施拆除过程中须注意空间问题, 卷扬机组须经过科学合理布置, 以免在调运过程中拉索、构件等物体与其他构件发生刮擦、碰撞等现象发生。卷扬机调运、塔式起重机吊装时要缓慢进行, 避免产生大幅度的摆动与震荡, 构件落地时不得与看台等物体进行猛烈撞击, 须缓慢进行, 胎架拆除按照一节一节进行。

汉国城市商业中心329.4m高空屋盖大跨度重型钢桁架施工技术的成功应用, 为超高超重空中钢结构的吊装提供了一种安全、可靠、经济的施工方法。经广东省住建厅成果鉴定, 该技术达到“国际先进水平”, 该方法与常规施工方法相比, 减缓了普遍紧张的超高层主体进度的压力, 并且支撑系统为其他专业如幕墙、机电提供了施工工作面, 整个拼装作业均在支撑系统上进行, 控制了钢桁架安装的精度变形、提高了工效, 安全可控。