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广东省博物馆新馆钢结构工程施工技术

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    长江精工钢构集团华南事业部
    王 煦 陈国栋 娄 峰 姜 峰

    主题词：悬挂结构、体内预应力结构、水平杆件内灌混凝土结构、等标高累积滑移、轨道分离式滑移
    摘要：广东省博物馆新馆钢结构工程是目前国内最大的吊挂式结构，总用钢量1.8万吨。屋盖桁架中还采用了内灌混凝土和体内预应力索提高构件刚度，节点设计、钢结构施工、结构累积变形的分析和结构施工过程的精度控制难度大。经过多种方案的比选，施工采用了多个工作面同时展开的施工思路。其中主桁架施工采用利用核心混凝土柱作滑移轨道支撑，等标高、直线、累积滑移工艺
    1、工程概况
    广东省博物馆新馆外形为盛满珍宝的容器（见图1.1），总建筑面积约66280平方米，建筑总高度为44.5米，地下室1层，地面以上共5层。基础及二层以下采用钢筋混凝土结构，三层以上以悬臂预应力桁架钢结构为主。总用钢量1.8万吨。
    钢结构分为四大部分（见图1.2）：核心筒钢管柱及楼层圈梁，五六层悬臂桁架体系，吊杆及楼层结构，外围护立面墙体系。

    钢管柱及圈梁：布置于核芯筒体混凝土剪力墙内，钢管柱为直径650mm直缝钢管，与楼层结构对应的标高框架圈梁则采用箱形、H型钢结构（见图1.3）。
    五六层悬臂桁架体系：是本工程主要的受力系统，支撑在核心筒混凝土墙上部，与钢管柱直接焊接。桁架共8榀，采用双向交叉平面桁架，桁架高度8m，上下弦采用1.5m×1m箱型截面，腹杆与弦杆等宽为1m，高度从800mm×1500mm不等。上弦穿体内预应力索，单榀桁架长度113.5m，两端各悬挑出核心筒23m。沿悬臂桁架外端设4榀封口边桁架。上、下弦分别设置五层和六层楼层钢梁，形成整体桁架屋盖体系（见图1.4）。

    吊杆及楼层结构：封口桁架下伸600×600的箱型钢吊杆，核心筒内部下伸Φ299圆钢管吊杆，悬吊3～4层楼面结构体系。
    外围护立面墙体：采用由H型钢骨架形成的凹凸立面墙架。

    按照结构设计，结构体系有三大特点：
    悬挂结构: 钢桁架外挑23m，通过刚性吊杆悬挂下部三层楼盖结构，楼面与混凝土核心筒铰接，形成了典型的悬挂结构体系（见图1.7）。

    组合结构;混凝土核心筒承担主要竖向和水平承载（见图1.8），支撑上部桁架钢结构。桁架下弦及部分受压腹杆内灌混凝土（见图1.9），形成钢?混凝土组合结构。桁架及楼层梁内灌混凝土形成钢-混凝土组合构件。

    预应力结构：桁架、核心筒内外吊杆内设预应力索，形成水平和立面共同作用的预应力体系（见图1.10）。桁架预应力每榀四束，每束由31根Φ15.24mm 钢绞线组成群索，索从上弦穿过腹杆锚固在下弦，索在箱形梁内转弯（见图1.11）。悬挂吊杆内设Φ7×121缆索，外吊杆内设四束一组，内吊杆1束一组。

    2、施工条件
    土建施工面条件：在移交钢结构施工前，土建已完成地下室一层、二层6.5m混凝土结构施工，核心筒钢柱施工到7.5m标高。楼面荷载达到设计值，即室外30KN/?，室内15KN/?。

    3、施工重点、难点
    3.1 桁架上下弦、腹杆均采用箱形截面，弦杆截面全部采用1500×1000，主方向带牛腿的桁架合计重量为670t。构件截面大、重量重，场地狭窄，吊装施工异常困难。（见图3.1）

    3.2 主体桁架箱形截面纵横交叉，吊杆与斜撑、吊杆与楼面梁、钢管柱与楼面梁连接节点翼板均需整体下料（见图3.2）。复杂的节点构造限定了结构的分段，大量节点需要在工厂制作成为整体，不仅使深化设计、构件加工难度大。同时给构件的运输和钢结构安装带来困难。

    3.3 不同于普通的结构体系，施工过程需要与结构特殊的受力秩序吻合。施工顺序需要根据各部分构造对结构的贡献来确定。
    3.4 预应力索为体内索，索锚的设计、穿索、张拉施工难度都非常大。索存在与桁架混凝土和吊杆的相互协同作用，张拉预应力值控制难度大。
    3.5 因结构采用特殊的悬挂式，主要受力桁架的变形会随施工的顺序不断发生变化，桁架的变形是一个随施工过程反复变化和叠加的过程。因此预变形值的设定和施工过程控制难度大。
    4、施工方案
    本工程施工分为三条主线：核心筒框架、五六层屋盖桁架体系、吊杆及楼层结构。
    五六层桁架体系共10000吨，采用高空拼装，累积滑移（见图4.1）。

    核心筒钢管柱分三层吊装，连接相应楼层圈梁，形成稳定框架体系(见图4.2)。
    楼层结构采用正序安装，按吊杆?主梁?次梁分层吊装。支撑架设置在底层吊杆下，吊杆在安装过程中临时作为钢柱拆除支撑，形成吊挂结构。

    方案优点：(1)利用核心筒钢管混凝土柱的竖向承载力和侧向刚度大以及直线、等标高的特点，作为滑移的轨道支撑（2）核心筒钢管柱、屋盖桁架、楼层结构三个作业面可同时施工，做到立体交叉水平占满；（3）屋盖桁架采用液压爬行器同步滑移，实现滑移体系内力自平衡和滑移过程结构稳定。(4)竖向承载及滑移轨道分离，充分利用钢结构自身刚度，减小了支撑体系集中力作用。
    5、施工顺序（见图5.1）
    （1）西侧空地为钢结构的地面拼装场地，构件分段卧拼装。
    （2）场地的东、南、北侧各布置一台固定式塔吊，西侧布置滑移支撑架，采用大型履带吊吊装。
    （3）进行钢管柱和框架梁的吊装。钢管柱吊装分三层，安装到滑移轨道的底标高。
    （4）核心筒施工的同时可进行西侧滑移拼装平台和楼层核心筒外楼层安装支撑架的搭设。
    （5）滑移拼装平台每次只拼装一榀桁架，采用等标高滑移。
    （6）滑移第一榀为东侧边桁架，拼装可组成三角形稳定体，分10主段进行吊装。吊装采用一台500履带吊和一台200t履带吊抬吊。
    （7）在第一榀桁架滑移时，设置8台100t液压爬行器，顶推桁架，一次滑移21.4m距离。
    （8）滑移轨道设在B、E轴，剪力墙和拼装支撑胎架安装完毕后，从1/01轴至5轴东西通长布置，长108m。
    （9）在滑移支撑架上进行第二榀主桁架的高空拼装，主桁架分6段采用一台500t履吊吊装由一边向另一边吊装，中间散件穿插吊装；
    （10）安装桁架间另一方向分段主桁架，吊装采用500t履带吊吊装，200履带吊配合吊装。
    （11）安装桁架间楼面钢梁，增设8个100t爬行器，进行两榀桁架的滑移，滑移距离为一个跨距。
    （12）依此类推，进行六榀屋顶钢桁架和屋顶钢梁的累积滑移。共24个100t爬行器进行顶推。
    （13）屋盖结构滑移的同时，南北两侧及核心筒内的楼层结构，也由三台C7050塔吊从西向东顺次吊装。
    （14）吊装采用分区退吊，分区内按吊杆?主梁?次梁分层吊装。支撑架设置在三层吊杆位置上。
    （15）第一榀桁架滑移到轨道5轴处，爬行器换置在第四榀桁架上。悬挑部分滑出轨道，推到设计位置。
    （16）吊杆与桁架连接的最后一段，留待最后安装。
    （17）屋盖整体滑移到设计位置，完成钢管柱与桁架下弦的焊接。
    （18）拆除轨道和支撑架，采用塔吊和200t履带吊先后进行东侧和西侧核心筒外侧楼层钢结构的安装。
    （19）进行四层吊杆安装。随后屋盖结构开始进行预应力穿索。
    （20）第一次张拉屋盖主桁架的预应力索到设计值的70%，桁架悬臂部分上拱，楼层吊杆脱离支撑架，楼层结构吊挂在屋盖桁架上。
    （21）拆除楼面支撑，张拉吊杆预应力钢索，实现悬挂钢结构体系。
    （22）进行土建楼面和主桁架混凝土的浇注，第二次张拉桁架预应力索到设计值。
    （23）安装外墙立面结构，完成钢结构施工。

    6、主要技术要点和质量保证措施
    6.1结构预拱
    本工程结构在施工过程中存在五个阶段：
    （1）屋盖滑移到位，下部结构楼层结构与屋盖结构还未连接；
    （2）四层吊杆与屋盖结构连接，下部三层结构悬挂在屋盖桁架上；
    （3）桁架施加部分预应力，屋盖桁架有部分反向变形；
    （4）楼面及屋盖结构内部浇注混凝土；
    （5）施加预应力到设计值，结构完成变形，在恒载和0.5倍活载作用下的结构最终变形。


    桁架预拱：按照上述计算原则将各种荷载作用下结构的变形，反向施加于结构，确定为1.0恒载＋0.5活载最用下的工况作为控制阶段和结构预拱值，且屋盖结构预拱只在悬臂桁架的端部进行；预拱采用直线式起拱，工厂构件制作不考虑预拱的影响，预拱依靠地面拼装和高空拼装的定位实现。
    桁架端部预拱值见图6.1。

    按照吊杆长度不变的原则，吊杆的预拱需要通过底部标高的调整进行。
    具体预拱措施为楼层结构最外圈吊杆的标高定位值为：设计标高+预拱值+桁架自重变形值，（设计值+5阶段值-1阶段值）。
    6.2支撑架设计
    支撑架分为：滑移拼装平台支撑架，滑移轨道支撑架，楼层结构安装支撑架（见图6.2，6.3））。
    拼装平台处支撑胎架分主胎架和副胎架，主胎架设置在地下室边界线外侧1/01轴处西偏1500mm，主要支撑滑移桁架的分段拼装。副胎架位置在主胎架的东侧，离西侧剪力墙中心位置为14.5m，支撑南北向桁架安装。为了与楼层混凝土柱形成对应关系，支撑全部采用大直径钢管柱，柱之间采用钢管撑连接连接，中间填充脚手架作为操作平台。


    6.3滑移施工
    5?6层钢屋盖结构采用逐榀累积直线等标高滑移（见图6.4）。

    钢屋盖的滑移采用液压同步顶推技术进行，滑移过程水平力自平衡（见图6.5）。
    桁架下弦面设置滑移通道，通道表面与桁架下弦全面接触，提供水平推力的爬行器轨道与竖向承重面分离。利用桁架自身刚度，减小轨道负荷（见图6.6）。

    进行滑移施工的结构重量约8800吨，除屋盖钢桁架外还应包括核心筒内部的5、6层楼层钢梁，所有悬挑部分楼层钢梁滑移到位后，原位安装。
    整体滑移至核心筒东侧边缘时，结构前端将脱离滑道，在悬挑状态下逐步滑移到设计位置（见图6.7）。
    第一次滑移边桁架设计没有斜撑，无法形成单向受力结构，需要采用临时杆件加强（见图6.8）。

    第一滑移单元最大变形为45mm位于桁架中部（见图6.9）。导致该部分在与第二单元组装时接口位置错位在完成第一次滑移后首先需将该单元与第二单元对接节点利用千斤顶顶起到设计标高，利用胎架固定牢固后才能与第二单元组装。待桁架对接完成再卸载胎架，进行滑移。

    6.4预应力施工
    纵横向交叉与立面吊杆索交叉。施工难度大。需要在箱形结构内设计弯管套筒、导索机构，套筒在工厂直接定位在横隔板上，施工时需要高空单根穿索，才能保证钢索顺利转弯和交叉。
    本工程结构自重产生的索力大，施工顺序确定后，需要对各种结构状态索力进行详细分析，从而推算不同时供阶段施加预应力的控制值，经分析确定桁架每束张拉力3500KN，分两次张拉，预应力控制值在索极限承载力的55%左右。吊杆索每束张拉力2200KN一次张拉到位，预应力控制值为所极限承载力的30%。
    桁架第一次张拉的结构初始状态为：所有钢结构安装到位，屋盖桁架与吊杆焊接，楼层结构支撑架未拆除，第一次张拉到预应力索设计值的85%，桁架悬臂部分上拱，楼层吊杆脱离支撑架，楼层结构吊挂在屋盖桁架上。

    拆除楼面支撑，张拉吊杆预应力钢索，实现悬挂钢结构体系。
    进行土建楼面和主桁架混凝土的浇注，第二次张拉桁架预应力索到设计值每束3500KN。
    6.5施工仿真分析和变形控制
    本工程钢结构自重、楼面混凝土及各种活载作用，预应力，桁架内浇灌混凝土，各部分构造对桁架的变形有不同的贡献。结构的最终变形是各阶段荷载作用下变形的叠加，此值随着施工顺序在不断的发生变化（见图6.13），仿真计算就是要找到变形的规律，对结构分层预变形，使结构的最终变形达到设计的初始状态。反过来再指导深化设计和安装顺序，并成为本项目质量验收标准编制依据。

    6、小结：
    广东省博物馆新馆钢结构，采用大悬臂桁架悬挂下部三层楼面结构的吊挂式结构，桁架中还采用了内灌混凝土和体内预应力索提高构件刚度，节点设计、钢结构施工、结构累积变形的分析和结构施工过程的精度控制难度大。经过多种方案的比选，施工采用了多个工作面同时展开的施工思路。其中主桁架施工采用利用核心混凝土柱作滑移轨道支撑，等标高、直线、累积滑移工艺。同时在传统的滑移工艺上也进行了以下创新：采用液压爬行器顶推实现内力自平衡、桁架下弦面设置滑移通道，通道表面与桁架下弦全面接触，提供水平推力的爬行器轨道与竖向承重面分离，利用桁架自身刚度，减小轨道负荷。 采用局部顶升工艺，实现滑移桁架和拼装桁架的顺利对接。楼层和钢管柱采用从下到上的顺序施工工艺，通过最后与桁架的连接实现吊挂。
    在施工过程对结构的内力和变形实现全程仿真，以指导结构预拱、精度控制、预应力状态和预应力值的控制。
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