超高层办公楼的钢构件吊装施工

某钢管混凝土结构超高层办公楼的钢构件吊装施工[摘要]本文以超高层钢管混凝土结构办公楼为背景，对钢构件吊装施工中构件的合理分段，塔式起重机的选型、定位，吊架（四脚扒杆）吊装等方面做了深入分析和总结。[关键词]钢管混凝土结构，吊装，塔式起重机，吊架，扒杆钢管混凝土结构融合了钢结构与钢筋混凝土结构的优点，是高层建筑的主要结构类型之一。当前钢管混凝土结构应用广泛，施工实践丰富，但吊装部分论述较少。本文以某超高层办公楼为背景，对钢管混凝土结构施工中的吊装做了总结与探讨。工程概况项目概况厦门**港国际旅游客运码头配套地产A1项目办公楼为超高层高级写字楼，屋面高度127.1m。地上31层，与相邻公寓楼共用2层地下室，-2层层高3.9m，-1层与首层层高6.0m，2层层高5.1m其他标准层层高4.0m。西面局部二层板挑空形成入口大堂。建筑与施工道路，钢构件堆场平面（地下室施工阶段）关系见图1。图1办公楼总平位置示意图结构概况办公楼结构由核心筒与周边16根圆钢管混凝土柱两部分构成。南、北两端柱间设工字钢劲性梁，以加强侧向刚度（图2）。包括地下室，02#~06#、10#~14#柱高92.95m（至21/F），其余柱高137.00m。首层10#~14#共5根钢管柱位于入口大堂内。钢管壁厚由下至上分为24、22、20mm三种。图2办公楼平面示意01~16-圆钢管混凝土柱（16根）A1~A4-工字钢混凝土劲性梁(4根)M-入口大堂范围钢管混凝土的构件分析钢构件分解示意图见图3、4。图3、4为按单个楼层进行钢管柱分段的情况。钢管柱也可按多个楼层分段，对结构构造和运输有利，但成倍增加了吊装难度。此外，原设计从结构构造考虑，劲性梁部位的钢管柱段与劲性梁牛腿、斜支撑牛腿（即图4中3与5、7、8）三部分为工厂焊接。经研究，改为现场焊接，如此劲性梁部位钢管柱段的起吊重量减少了40%左右，且便于拼车运输。图3钢管柱构件分解示意图4劲性梁部位钢管柱构件分解示意1-钢管柱段2-环形牛腿3-带劲性梁的钢管柱段4-水平劲性梁工字钢5-劲性梁牛腿6-斜支撑工字钢7-斜支撑牛腿8-水平悬挑梁工字钢按单层钢管柱段且不带牛腿，主要钢结构构件情况见表1。可以看出，层高11.1m的大堂钢管柱段，层高6.0m的地下一层、首层钢管柱段，以及A2、A3劲性梁工字钢等构件重量、尺寸较大。表1主要钢结构构件楼层部位构件质量（Kg）长度（m）-2/F、-1//F、1/F水平劲性梁工字钢钢，共4根A12490；；A236880；A338000；A429770；A14.8；A28..6；A38..6；A46..2；2/F及以上水平劲性梁工字钢钢，共4根A12420；；A235770；A336990；A428880；A14.8；A28..6；A38..6；A46..2；-1/F、1/FF(入口大堂另计)劲性梁部位钢管柱柱01#、07#~09#、15#、16#共6根47903.9、6.0其他部位02#~~06#、10#~14#钢管柱共10根49303.9、6.02/F劲性梁部位钢管柱柱01#、07#~09#、15#、16#共6根42905.1其他部位02#~~06#钢管柱共5根42505.1入口大堂钢管柱10#~114#共5根878011.1-2/F、3/FF及以上劲性梁部位钢管柱柱01#、07#~09#、15#、16#共6根≤34203.9、4.0其他部位02#~~06#、10#~14#钢管柱共10根≤34603.9、4.0吊装方法初步比选钢结构吊装原则本工程垂直运输规划，应首先考虑钢结构吊装，其次满足土建材料、机电设备的运输需要。钢管柱无法在楼板转运，吊装应满足以下要求：①吊装无盲区，覆盖所有钢管柱位置；②减少吊装量以加快工程进度；③适应地下室与上部施工阶段的不同特点，便于将构件从堆场转运到办公楼；④满足其他材料(如混凝土)与设备运输需要；⑤经济合理，设备容易供应。塔式起重机是最主要的垂直运输与吊装设备。塔式起重机与混凝土运输关系本工程采用泵送混凝土，布料机施工。布料机全机重约2t，布料半径15m。钢管柱内混凝土采用混凝土吊斗吊送，采用高位抛落法或手工逐段浇捣法浇筑。每斗混凝土0.5m3能满足浇筑要求，混凝土与吊斗重约1.6t。混凝土运输对塔机基本没有特殊要求。塔式起重机布置与选择塔式起重机选择包括，单塔还是群塔，塔机类型、定位，以及塔机参数等内容，如工作幅度、起升高度、起重量与起重力矩等。常规做法，由塔机生产率，及平面分区可确定塔机数量；由场地条件、建筑平面尺寸，建筑高度，混凝土吊斗重量可估算臂长，起升高度，臂端最大吊重等参数。但钢管混凝土结构的质量分布在平面上不连续，其塔机选择与钢筋混凝土结构相比，较为复杂。本工程南北长65m，东西宽35m，南接公寓楼，周边场地开阔，无高压电网等障碍物。钢结构工期接近14个月。办公楼为框筒结构，钢管柱形心、建筑平面形心，钢管柱外接圆（半径32.8m）与建筑平面外接圆（半径33.8m），钢管柱平面最长线与建筑平面最长线PQ（长67.4m）三者基本重合（图5）。RS为PQ的垂直平分线，R点位于建筑东边线上。图5办公楼平面几何特征1-钢管柱形心2-建筑平面形心3-钢管柱外接圆4-建筑平面外接圆5-建筑平面最长线PQ6-PQ的中垂线RS按单层钢管柱吊装，利用图解法，从有效利用起重能力出发，塔机的初步布置如下。如设两台附墙式QTZ120塔机，可布置在最长线PQ两端的附近（图6a）；如设单台QTZ200附墙式塔机，兼顾RS方向的吊装，可布置在R点偏北处（图6b）；如设单台内爬式QTZ120塔机，考虑东面堆场，可布置在建筑平面形心偏东处（图6c）。(a)(b)(c)图6办公楼平面几何特征1-QTZ120塔机2-QTZ120塔机3-QTZ200塔机4-QTZ120塔机5-塔机工作范围6-钢结构吊装范围7-钢构堆场几种布置方式各有利弊。双塔吊装可满足要求，但成本较高，且不利于单元式幕墙中间介入安装；单塔有利于堆场及土建材料吊装，但对塔机要求高，吊装任务繁重；内爬升塔机可充分利用臂长，但堆场材料吊装较难，塔机爬升后要浇筑楼板，封顶后塔机拆除困难，且对土建材料帮助较小。吊架（四脚扒杆）吊装经多个工程成功实践，可利用吊架（四脚扒杆）辅助吊装。具体为用方钢制作吊架，汽车吊、塔机与吊架三者接力吊装。图7从左至右为汽车吊与塔机、塔机与吊架、吊架之间接力吊装以及钢管柱段安装的示意图。图7吊架吊装示意1-起重机2-塔式起重机3-钢管柱段4-吊架（四脚扒杆）5-吊架缆风（其余缆风略）6-卷扬机吊架吊装机动灵活，对于吊装死角、场地障碍等优势明显，是有效的辅助吊装方法。但应考虑吊架底座，抗侧向力构造措施等，以免造成重大安全隐患。吊装方案方案编制与专家论证要求采用非常规起重设备、方法，且单件起吊重量在10KN及以上的起重吊装工程，属于危险性较大工程，应在施工前编制专项方案。如采用非常规起重设备、方法，且单件起吊重量在100kN及以上的起重吊装工程，属于超过一定规模的危险性较大的分部分项工程，还需要组织召开专家论证会。QTZ160塔机为主，吊架辅助吊装综合考虑设备供应、经济因素等情况，吊装采用单台附墙式塔机，吊架辅助吊装。塔机选用江麓QTZ160F（JL6516），臂长65m。见图8。图8塔机现场布置图1-QTZ160塔机2-钢构堆场3-塔机起重范围4-塔机3.45t起重范围01~16-钢管柱A1~A4-劲性梁塔机吨位较小，但能满足劲性梁吊装需要，对钢管柱段则采取以下辅助吊装措施：①牛腿与钢管柱段采用现场焊接，降低柱段重量；②地下二层与地下一层、首层与二层（包括入口大堂）两层一吊，所有16根柱由吊架进行吊装；③三层及以上楼层，柱08#~10#、13#~15#（以下称为远端柱）每层柱分为两段吊装；④三层及以上楼层，除远端柱外，采用每层一吊。地下室施工阶段构件堆场距离较远，采用50t汽车吊与塔吊接力。基坑土方回填后，采取加固措施，将堆场移到地下室顶板。吊架吊装吊架尺寸为2.4m×2.4m或2.4m×1.9m，高14.0m，采用150×150×8方管制作，自重约2.0t，吊装能力约为20t。卷扬机安装在焊接平台上，平台与吊架固定，在吊耳上挂横吊梁，钢丝绳起吊钢管。相邻吊架接力时，拆除临时水平支撑，以便柱段通过。除基础地板外，吊架必须用普通螺栓与连接板固定在下层钢管柱上。如缆风绳设置困难，应增加有效的抗水平力钢支撑等节点。见图9、图10。图9吊架示意1-吊架（均用150×150×8方管制作）2-可拆卸的临时支撑，与吊架螺栓连接3-吊架底座（用于基础底板）4-吊耳，挂横吊梁图10基础底板外的吊架底座示意1-I250×160×12×12吊架底座，用螺栓、连接板与钢管连接2-吊架3-钢管柱地下二层与地下一层钢管柱段重约8.4T，长约11m；首层与二层钢管柱段重约9.2T，长约11.1m；入口大堂部位重约8.8T，长约11.1m。吊架吊装如图11所示。图11钢管柱段吊架接力吊装路线塔机臂长2m~15m范围内，起重量10t。在钢管柱部位设置吊架，按箭头所示路线将钢管柱段接力到指定位置。12#柱首先就位，然后与接力路线相反，其他柱段依次就位。03#~06#柱由塔机直接吊装。柱段吊到位后，将上下柱段吊耳用螺栓临时固定。如需调整，可在上、下钢管柱段上焊接临时牛腿，用千斤顶将上段钢管调整到位。校核无误后，分段点焊定位。塔机吊装三层开始，吊架临边缆风设置困难，钢结构全部由塔机吊装，每层一吊。经设计认可，远端柱（08#~10#、13#~15#）每层分为两段，每段长约2m，进行吊装。至此，塔机覆盖所有钢管柱范围（图12）。图12塔机吊装塔机附墙件锚固部位砼强度必须满足附墙要求。应对吊装起升高度进行验算，以满足构件（包括吊架）高度要求，见公式（1）。如不满足，可在低楼层预先增加附墙预埋件，利用临时附墙增大起升净高度。根据塔机说明，自由高度时起升高度53m；在七、十三、十九、二十五、三十一层进行附墙；塔机工作允许自由悬高=35.5m。H塔－H架＞H构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（1）H塔——塔机起升高度（m）。塔机首次附墙，即楼层施工至七层以前，H塔取53m；塔机附墙后，即八层及以上楼层，H塔=自基础面起的附墙高度+塔机工作允许自由悬高35.5m，以楼层施工至九层为例，H塔=37.0+35.5=72.5m；H架——施工楼层外架高度（m）。H架=自基础面起的施工楼层高度+1.8m；H构——塔机首次附墙前，H构取吊架高度14.0m；附墙后，H构取单层吊装的钢管柱段高度4.0m。计算可知，塔机相对于施工面的最小起升高度，自由高度时为14.2m，附墙后为9.7m，可满足吊装要求。施工中，为避免塔机在三十一层附墙，塔机于五层梁处第一次附墙。主要质量、安全保证措施钢结构吊装应严格执行各项质量安全措施。此外，吊架卷扬机等吊装设备由总配电箱专线供电。每次吊装前应检查限位开关，超载、超速等保护装置，保证其灵敏可靠。柱吊耳必须在工厂制作完成，以保证吊装准确定位。吊架组装完毕后，拉力试验合格方可投入使用。汽车吊、塔机与吊架之间夺吊时，应保证汽车吊中心与吊臂，塔机回转中心、吊臂与小车，吊架顶的定滑轮两两在同一个垂直平面上，避免侧向力的产生。汽车吊决不能抗侧向力。柱四周对称点焊临时固定，确定安全后，吊钩方可摘除。为防止施焊时柱口变形引起偏差，钢管柱段接缝必须对称反向施焊，吊耳临时固定必须在焊缝冷却后方可拆除。实施效果与总结现本工程办公楼已施工至主体结构九层，以上措施经现场实施，效果良好。精心组织后，每层钢管柱段吊装需塔机半个台班左右，加上劲性梁吊装在1个台班以内，标准层每层结构工期能控制在八天。对本工程钢管混凝土结构的吊装施工总结如下：钢管柱段的分段情况为吊装的前提。本工程基本按楼层分段下料制作，牛腿现场焊接。但应综合考虑构造与运输要求。钢管混凝土结构施工中，内爬式塔机能充分利用其吊装能力。不考虑堆场因素，本工程QTZ120内爬式塔机的起重能力，接近QTZ200附墙式塔机。如采用QTZ200内爬式塔机，可以考虑钢管柱三层一吊的方案，对工期相当有利，且