[摘要] 结合北京电视中心综合业务楼钢结构工程,通过对巨型框架结构体系超高层钢结构施工测量、安装、大型起重设备作业以及安全防护施工技术的研究与应用,在结构施工过程中取得了良好的效果。[关键词] 框架结构体系;钢结构;测量控制;整体提升

北京电视中心综合业务楼为目前国内结构最高、体量最大巨型钢框架体系建筑,是巨型钢框架超高层全钢结构体系在我国的首次采用。北京电视中心综合业务楼地上48 层,平面尺寸为67.2m ×61.0m,主体结构高度为236.40m。结构四角布置4 个“L 形”复合巨型柱,巨型柱之间用巨型钢桁架梁相连,组成巨型钢框架结构体系,如图1 、2 所示。

由于该工程结构新颖,施工难度大,而且国内没有相关的施工经验,在施工测量、吊装、焊接、安全防护、施工机械化等方面都存在相当大的难度。结合本工程实际特点,在施工技术方面深入研究和应用,保障了巨型钢框架超高层全钢结构体系的施工质量、进度、安全以及施工成本控制。

1 　平面控制网竖向传递精度控制技术

测量精度控制在建筑结构施工中是一项特别重要的工作,巨型框架全钢结构体系超高层建筑,由于其结构本身的特点,测量精度控制难度很大。

1.1 　高精度平面控制网竖向传递技术

针对施工现场场地狭小,安装测量的精度要求高,以及便于内部控制点能够长期保存、方便使用的特点,采用“内控法”进行控制网的传递。在钢结构安装测量过程中,我们发现4 个复合柱刚度相对很小,内爬塔运行动载对其影响很大,中间的传递层很不稳定,无法精确向上传递。为此我们和专业公司合作研发了多功能自动激光铅直仪,该仪器在180m高程上,自动铅直激光束旋转产生的误差圆直径在3～7mm,由此判读仪器第1 次测读误差为1.5mm/180m～3.5mm/180m,即1.6″～3.8″。

1.2 　多个工作面的控制网闭合技术

本工程钢结构安装共8 个独立工作面,最后很难达到闭合。

1) 保证4 个复合柱的安装精度　采取了周边单根柱子合理外倾、制订合理的钢柱钢梁顺序、测量校正时减少甚至停止塔吊旋转等有效措施,确保每节复合柱中13 根单柱的垂偏和位移。

2) 防止桁架安装误差、焊接收缩使复合柱发生平移　桁架的钢梁加工时取正偏差;减少桁架水平梁之间对接口的间隙;桁架的水平梁由中间向两端安装;焊接时,与复合柱相连的水平焊口最后焊接,同时用千斤顶施加外力,防止最后一道焊缝收缩使复合柱发生水平位移。

3) 缩短桁架与主次梁和两端复合柱安装高差。

113 　高程控制网的竖向传递

根据本工程的高度情况,分别在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区的首层、14 层、26 层、34 层做为高程的阶段性控制层,使每个相邻的传递区间高度< 60m。在每个阶段安装每一节钢柱时利用每个施工区域首层、14 层、26 层、34 层底板上的3 个标高控制点,运用水准仪配合钢卷尺用如图3 所示的方法将标高点引测到施工楼层上来。每一区的3 个标高控制点组成一个高层闭合网,并对此闭合网进行联测,闭合差符合规范要求后方可使用。

1.4 　实施效果

主体钢结构工程平面控制网竖向传递精度在180m高程上,平面尺寸67m×61m 中,测量控制网闭合误差小于3mm,分配到4 个边角的轴线误差小于1mm;4 个复合柱施工测量控制综合技术达到很高水平,整体垂直度最大偏差不超过18mm,达到“长城杯”标准;施工过程中,4 个复合柱和大桁架、次框架顺利合拢,现场高强度螺栓安装无扩孔现象。

2 　上下巨型钢桁架协同受力施工技术   

设计为使主体结构受力更加合理,提出“上挂下托”方案:6 、7 层连接的钢桁架与20 层钢桁架之间的12 层钢框架的重量由下面的6 、7 层钢桁架与上面的20 层钢桁架共同承担,结构如图4 所示。由于传统的施工工艺不能满足结构的受力要求,施工中拟在1～20 层楼板浇筑完毕后,在第12 层切断框架立柱,释放应力来实现“上挂下托”方案。实施步骤如下:

1) 工程施工到结构层11 层顶时,进行“上挂下托”阶段的施工准备工作,即把第7 节钢结构的立柱做成“活节”,立柱接口间隙约30mm,通过高强螺栓连接耳板。在12～19 层“上挂下托”部分施工过程中, m~轴、nz轴、H○21 轴、P○21 轴等部位梁柱连接处的高强螺栓连接终拧。待整个“上挂下托”施工完成后,再进行梁上、下翼缘的焊接等工作。

2) 随着钢结构的安装,穿插组合楼板的混凝土浇筑。为确保混凝土楼板不开裂变形,在12～19 层混凝土楼板浇筑工程中预留后浇带。

3) 待“上挂下托”整体施工完成,20 层钢桁架安装、焊接完成后,进行卸载,实现“上挂下托”的设计意图。

4) 在卸载过程中,首先将中间柱接口打开,两侧柱的连接板承受上部荷载,将所有柱依内而外依次打开。

5) 把“活节”处的接口焊好,割掉连接耳板,并进行打磨、节点补漆。同时将“上挂下托”部分两侧的钢梁、钢柱进行焊接,楼板后浇带补浇混凝土,进行后续工作。

3 　大型液压外爬架安全防护技术

针对本工程的特点,我们研究适用于超高层钢结构建筑施工的安全防护体系,在确保施工安全的前提下,加快施工进度、提高施工质量、降低成本。

3.1 　工作原理

液压爬架外立面上下覆盖到5 个层高, 达到2215m,架体要设置9 层操作平台,从上至下分别为:上5 层为钢结构焊接操作平台,下2 层为电控液压升降操作平台,最底2 层为拆卸清理维护平台(见图5) 。

3.2 　使用方法

3.2.1 　工艺流程

附着装置的安装→在地面将同一个面上的爬架各机位组装成整体后吊装→铺脚手板、挂护网、安装液压爬升动力装置→根据现场施工要求对架体进行爬升。

3.2.2 　爬架的安装

1) 钢结构安装完钢柱间的横向钢梁后,在横向钢梁处安装附着装置。

2) 在出厂前将主承力架、导轨和上下爬升箱组装到一起,现场将在同一个面上的爬架各机位在地面组装成一个整体。

3) 组装完毕后,将其整体进行吊装,组装时将各主框架之间的水平梁架连接,用M12 的螺栓连接各附着点间的水平梁架,并安装上悬臂架之间的水平梁架,打上立杆和横杆,用塔吊吊至附着装置内,并插上防倾插板。架体吊装到位后,铺主平台脚手板,铺爬架下两层平台的脚手板,挂安全网,安装电控液压爬升系统。

4) 当上一节钢柱的横向钢梁安装完毕后,可在横向钢梁处安装附着装置,操作电控液压爬升装置,将导轨爬升到上一个楼层位置。

5) 当导轨爬升到位后,再操作电控液压爬升装置将架体爬升到上一个楼层位置,利用爬架的操作平台对钢柱进行维护,并利用平台安装斜支撑。

3.2.3 　爬架的提升

1) 导轨的爬升　当上一节钢柱的横向钢梁安装完毕后,可在横向钢梁处安装附墙装置,操作液压升降装置,将导轨爬升到上一个楼层位置。

2) 架体的爬升　当导轨爬升到位后,再操作液压升降装置将架体爬升到上一个楼层位置,此时可利用爬架的操作平台对钢柱进行维护,并利用平台安装斜支撑。

3.2.4 　架体的防护

1) 架体爬升到位后对相邻两架体的空隙进行维护。

2) 当相邻两架体不能同步爬升到位并投入使用时,应在架体端头用脚手架进行临时性防护,当相邻架体同步作业时,将临时防护拆除。

3) 重复正常工艺流程直至结构封顶。

4 　高精度整体提升技术

巨型框架由巨型柱及巨型钢桁架梁组成,巨型钢桁架在巨型框架中作为主要结构,分为帽桁架、腰桁架、底桁架。桁架的安装精度与巨型柱合拢情况对巨型结构整体安装质量有很大影响。

4.1 　提升方法

本工程6 、7 层桁架安装采用地面拼装、25 层桁架采用在20 层拼装,整体提升到设计标高后再安装部分杆件、焊接牛腿的施工方法。利用7 层桁架的上弦和斜杆作为提升牛腿,下锚点放在7 层桁架的下弦,7 层桁架的上弦两端各留一段高空散装。

4.2 　测量精度的控制措施

1) 拼装前的测量控制　桁架在地面拼装时,每个接口位置处设拼装台,保证拼装时桁架不发生位移。

2) 拼装过程中测量控制　把钢桁架分为上、中、下弦,按照由下向上,由两侧向中心顺序拼装。桁架拼装完毕要先拧高强螺栓后焊接,焊接时先焊桁架主弦杆,后焊两个轴桁架之间的连接杆件。焊接时要先下弦后上弦,尤其是焊接前与焊接后预起拱的变化,发现异常,及时查找原因并采取有效措施进行调整。

3) 提升过程中测量控制　桁架拼装、焊接完毕,经检验合格后,进行试提升。桁架离开胎具20cm 后,锁定所有千斤顶,停留一夜或12h ,观察桁架的变形情况。根据规范要求和本工程的实际情况,测量两个轴主桁架的位移和垂直度偏差变化情况,尤其是桁架起拱的变化,并和试提升前的结果对比。

4.3 　实施效果

本工程顺利地完成了8 次整体提升,合拢精度均控制在2mm 以内。通过对巨型钢桁架高精度整体提升技术的研究,结合本工程中的结构形式,很好地利用原结构作为提升的上、下锚点,既方便安装、拆卸,又不影响受力,同时也降低了成本;通过分析和计算,提升点位选择合理,减少了桁架提升引起的变形;通过一系列的测量和焊接措施,保证了桁架地面拼装和提升的高精度,实现了牛腿在空中对接中960 条高强螺栓全部顺利穿过。

5 　斜铁楔紧固定法内爬式塔式起重机群塔作业技术

5.1 　塔式起重机平面布置方案  我们采用4 台K50P50 内爬塔式起重机,分别布置在4 个巨型“L”形组合柱体系中,并根据结构特征(4 个复合柱高度不同) ,将4 台塔式起重机在高度上错层分部,满足群塔作业要求。平面布置如图6 所示。

5.2 　内爬塔式起重机斜铁楔紧固定法

采用内爬塔式起重机施工,塔式起重机基础固定方式、顶升过渡支座的构造设计是十分重要的。因此,需要重新设计一种新型的内爬塔式起重机固定支座,安装方便快捷,强度、刚度、稳定性好,不在原结构上增加用于塔式起重机爬升的附加结构。我们研究设计了斜铁楔紧过渡支座,如图7所示。

过渡支座上面开有螺栓孔与环梁联结,其底面坐于L 柱井道横梁上,其侧面共有10 道燕尾槽。环梁通过螺栓孔与过渡支座联成整体。通过10 个燕尾槽的斜铁与L 柱的井道支座联为一体。这样塔机工作时受的垂直力通过支座转给井道横梁,水平力通过斜铁传给井道支柱。原结构上未附加用于内爬塔式起重机安装的附加结构,才方便了施工,节约了成本,保证了安全。

5.3 　实施效果

采用4 台斜铁楔紧固定法内爬塔错高分布,群塔作业,满足了施工所需吊次,缩短了工期,降低了成本。经施工实践证明该塔式起重机布置方式正确,应用成功;采用斜铁楔紧式过渡支座,可以方便内爬塔支撑环梁的拆装,简化内爬塔爬升工艺,保证塔式起重机顶升及作业时的安全。

6 　结论

通过以上应用,在钢结构工程施工质量、施工进度、施工安全等方面均取得了非常好的成绩,为北京电视中心工程建设做出了巨大贡献: ①施工质量方面　获结构长城杯金奖; ②施工进度方面　在2004 年8～10 月3 个月完成安装工程量均超过3 600t ,创造了国内钢结构工程月安装量的新记录; ③施工安全方面　在北京电视中心钢结构安装施工的14 个月中,未发生任何施工安全事故。通过对巨型框架结构体系超高层钢结构建筑施工技术的研究以及在北京电视中心综合业务楼工程实际中的应用,使我国巨型钢框架结构体系施工测量、吊装、焊接、安全防护、施工机械化等方面上了一个新台阶,迈入国际先进水平。