下挂上承式巨型转换桁架安装技术
1 工程概况
津湾广场9号楼工程为300m超高层建筑, 上部结构为48根密集小柱支承的狭小空间, 下部为8根巨柱和4根角柱组成的低位大跨度空间, 中间8层设置转换桁架, 实现密集小柱与组合巨柱受力转换, 安装完成后的桁架为9层以上与8层以下结构受力转换层, 为保证整体结构受力及低位空间需求, 在桁架层下部设置2层悬挂层;桁架总重3 000t, 由344个节点组成。结构关系如图1所示。
因下挂层悬挂于桁架下弦, 使桁架安装缺少支撑系统, 增加施工难度;大量的厚钢板焊接增加了焊接残余应力, 控制桁架整体变形难度大;材料高空拼接量大, 使用安全隐患大。
图1 结构关系Fig.1 Structure relation
2 设计与施工受力形式分析
2.1 设计受力形式
上部9~70层近10万t荷载自上而下作用在8层转换桁架 (上承结构形式) 。6, 7层通过层间吊柱悬挂于桁架下弦 (下挂结构形式) 。通过转换桁架转换, 将上部结构荷载、下悬挂层荷载及桁架自身荷载传递至8根巨柱 (3 275mm×1 500mm) 及4根角柱 (1 500mm×1 500mm) , 如图2所示。
图2 受力形式分析Fig.2 Analysis of force form
2.2 施工受力分析
1) 安装期间, 每榀桁架由86个零散构件拼接而成, 构件未施焊前单榀桁架无刚度, 不足以承受自重;且设计要求悬挂层悬挂于桁架下弦, 如采用常规从下向上的安装方案, 将导致悬挂层与设计不符, 且易造成悬挂层与转换桁架层受力发生变换, 影响结构安全 (见图3) 。
图3 常规安装法不利荷载分析Fig.3 Analysis of unfavorable load of conventional installation method
2) 桁架焊接期间, 厚钢板焊接量大, 其中80mm厚焊缝长1 600m, 100mm厚焊缝长635m, 大量的厚钢板焊接将产生巨大的残余应力, 最终将导致角柱倾斜, 造成桁架变形, 使得受力状态与设计不符, 产生安全隐患。焊接应力传递如图4所示。
图4 焊接应力传递Fig.4 Welding stress transfer
3 安装方法
3.1 方案选择
针对未施焊前桁架散拼构件无刚度和厚钢板焊时、长热量大, 提出针对性解决对策如表1所示。
表1 针对性解决对策Table 1 Targeted solutions
综合分析, 选择费用最低、利于进度且占用资源最少的下部增加支撑方案及组织节点攻关, 优化桁架构件材料及施焊顺序方案。
3.2 安装技术
1) 安装6~7层钢结构 (主要包括外框钢梁与吊柱) , 结构外框钢梁与角柱、巨柱铰接, 为避免外框钢梁产生挠曲, 以6, 7层原结构钢梁为上下弦, 以原结构吊柱为直腹杆, 通过增加临时斜腹杆 (H350×350×12×18) 组成临时钢桁架, 理论上可认定临时钢桁架为刚性持力, 符合设计要求;此外临时钢桁架将为转换桁架安装提供下部支撑。
2) 安装7层吊柱, 并安装临时回顶体系, 施工过程中的临时回顶体系由20组 (4榀×5组) 回顶双柱 (□550×550×30×30) 配合32根吊柱组成。
为保证回顶体系平面稳定性, 采取如下措施:对于7层吊柱, 在下部临时桁架安装时完成吊柱柱脚安装, 吊装安装时仅为柱对接节点安装;对于回顶双柱, 通过6道工字钢多维度拉结, 将其固定在原结构梁上;回顶立柱与桁架下弦之间加设砂箱, 内设压力传感器, 便于实时监控上部传递下来的压力及后期卸载。
为保证7层吊柱既能在施工期间为桁架结构提供支顶力, 又能在桁架卸载后下挂于桁架下弦承受拉应力, 在桁架四面设置长圆孔连接耳板, 采用螺栓连接, 压力超限时螺栓随长圆孔滑移。
3) 完成临时钢桁架及临时回顶体系施工后, 进行转换桁架吊装及焊接, 此时整体受力为桁架自重及施工荷载通过临时回顶体系传递至临时钢桁架上 (见图5) 。
图5 卸载前整体受力分析Fig.5 Analysis of the whole force before unloading
3.3 应力折减措施
1) 优化施工顺序 (见图6) , 并通过专家论证, 确定了以巨柱为基础、向呈阶梯状两侧对称施焊的吊装及焊接顺序, 使组合柱两侧的焊接残余应力相抵消。
图6 优化后工序Fig.6 Optimized process
2) 提高钢材强度, 采用GJ390GJ-C代替GJ345GJ-C;普通钢构件强度为Q345B, 优化后强度为Q390B, 降低钢板厚度, 平均降低钢板厚度为20mm, 从而极大地减少了厚板焊接量。
3) 通过在角柱上留至的8个监测点, 对焊接过程中角柱水平方向变形量进行统计分析, 最终得出焊接全过程角柱水平方向累计变形量最大值为1.3mm<2mm (设计值) , 满足要求。
3.4 临时桁架卸载
1) 桁架上部结构安装至50层, 通过监测证实转换桁架整体变形趋于稳定后, 对临时钢桁架进行卸载, 首先拆除临时回顶体系吊柱上的连接耳板并对临时回顶双柱上的砂箱进行卸载, 此时转换桁架整体受力如图7所示。
2) 拆除临时回顶体系临时回顶双柱后, 将7层吊柱上口与转换桁架下弦进行焊接连接, 此时保证吊柱不承受竖向力, 随后拆除临时钢桁架的斜腹杆, 使结构受力恢复到设计状态。
图7 转换桁架整体受力Fig.7 Global force of transfer truss
4 桁架安装安全防护措施
优化整体式操作平台较常规操作平台增加作业面, 增加平台整体稳定性, 降低工人操作施工难度, 保证人员安全;采用独特的设计思路, 通过在桁架整体吊装完成后形成的环状桁架构件上焊接穿钢管耳板, 建立局部支撑, 巧妙地借用了桁架结构实现自身承载力, 效果显著。
安全防护外挑网由上夹具、下夹具、钢丝绳及外挑网片组成, 每隔5层在周边布设安全防护外挑网, 先在周边钢梁上焊接耳板, 安全防护外挑网网架与耳板铰接。
5 结语
本文基于津湾广场9号楼8层桁架结构, 提出了一种针对具有下挂层的巨型转换桁架安装施工方法, 设置临时钢支撑、临时回顶体系, 保证了桁架下弦具有足够的刚度支撑桁架构件散拼施工;优化施工顺序及钢结构深化, 保证了施工残余应力在可控范围内, 并产生经济效益200余万元;搭设安全防护操作平台, 保证了作业安全;最终保证了转换桁架符合设计受力要求。
此外对桁架构件安装、卸载、恢复设计使用状态等各阶段进行系统受力分析, 形成了一套下挂上承式转换桁架施工方法, 并在津湾广场9号楼项目成功运用, 为后续巨型转换桁架施工提供了宝贵的施工经验。
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