模塊化低位頂升鋼平臺設(shè)計與施工

低碳模式的存儲容量平臺模型框架體系（以下簡稱“模塊層模型”）是超高層建筑主管工程的一個重要技術(shù)進步。該技術(shù)施工速度快，勞動力投資低，材料轉(zhuǎn)讓簡單，平臺輔助功能強。鑒于該技術(shù)對應(yīng)模架一次性投入過大的問題,中建三局從2009年底開始進行模架模塊化改造,提高其周轉(zhuǎn)效率,降低該模架在單個項目上的成本,從而進一步增強該技術(shù)的市場競爭力。裝配式鋼桁架平臺是模塊化頂模的重要組成部分(見圖1),也是實現(xiàn)頂模模塊化、標準化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該平臺應(yīng)可適應(yīng)不同項目核心筒施工的需要,可根據(jù)核心筒形狀進行布置,而桁架則選用由模塊化單元裝配而成。目前,采用貝雷片為標準組件的裝配式鋼橋被廣泛使用,另外,在項目施工中,貝雷片也被用來搭設(shè)臨時平臺或棧橋等。此類裝配式結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)勢:建造工期短、性能可靠、適應(yīng)性強。但是,采用貝雷片搭設(shè)的鋼橋、平臺以及棧橋?qū)儆谄矫媸芰w系,而非空間桁架。因此無法在頂模鋼桁架平臺設(shè)計中簡單照搬,但其設(shè)計理念和節(jié)點的構(gòu)造是可以參考的。鋼桁架平臺懸掛著模板與掛架,同時也是模架頂部建筑材料、施工機具的堆場和附著物。因此鋼桁架平臺必須具備足夠的承載能力與剛度,確保平臺在使用過程中不發(fā)生破壞或出現(xiàn)不適宜組裝、施工的變形。在裝配式設(shè)計方面,平臺的模塊化、標準化是設(shè)計的關(guān)鍵,具體包括:鋼平臺組件應(yīng)以標準件為主,對于不同工程,以標準組件和少部分非標準組件便可形成不同形狀的鋼平臺滿足施工需要;同時,在鋼平臺使用過程中,可以添加或拆除部分組件;整個鋼平臺系統(tǒng)可方便組裝與拆卸。1鋼框架平臺1.1鋼桁架平臺模型鋼桁架平臺采用主次桁架受力體系,主受力桁架直接支撐在支撐系統(tǒng)的支點上,次受力桁架支撐在主受力桁架上,在主受力桁架間、次受力桁架間以及主、次受力桁架間加入支撐構(gòu)件(或吊架梁)保證單片桁架的穩(wěn)定性和承載能力。整個平臺結(jié)構(gòu)類似主次梁結(jié)構(gòu),主桁架是主要的受力結(jié)構(gòu),次桁架承受的荷載較小,其主要功能為傳遞荷載。主、次桁架均由滿足模數(shù)(基本模數(shù)取為1.5m)的標準單元和非標準單元拼裝而成,根據(jù)混凝土剪力墻布置鋼桁架,使鋼桁架主要由標準單元組成。標準單元之間以及標準單元和非標準單元之間采用可拆卸連接,這樣便可以實現(xiàn)空間鋼桁架平臺組件的周轉(zhuǎn)使用,鋼桁架平臺模型如圖2所示。1)主受力桁架主受力桁架是主要的承力骨架,包括井字節(jié)點標準節(jié)(見圖3a)與標準節(jié)(見圖3b)及非標準節(jié),標準節(jié)主要模數(shù)包括3,4.5m。主受力桁架弦桿為H型鋼(440×300×11×18),豎腹桿為圓鋼管(ue788140×12),斜腹桿為雙角鋼(└90×10)。在主桁架受壓弦桿部位設(shè)置有端封板。2)次受力桁架次受力桁架在分擔鋼平臺荷載的同時,主要承受模板和掛架的荷載。次受力桁架弦桿為2[18,豎腹桿與斜腹桿均為[8。在次桁架端部設(shè)置有陰陽銷軸接頭,如圖4所示。3)面外撐桿面外撐桿的作用是減少桁架弦桿的面外計算長度,防止桁架弦桿長細比過大。面外撐桿為2[10。其陰陽接頭與次桁架陰陽接頭一致,從而保證了次桁架與面外撐桿可以在不同位置使用。1.2主桁架斜腹桿連接主桁架平面內(nèi),受拉弦桿采用翼緣與腹板的全螺栓連接,受壓弦桿端部設(shè)端封板,該弦桿除了翼緣采用全螺栓連接,在端封板處亦采用螺栓連接。主桁架斜腹桿在連接位置分別設(shè)置單、雙耳板,單、雙耳板間采用2個銷軸連接。在主桁架平面外,標準節(jié)點處設(shè)有用于連接次桁架或面外撐桿陰頭或陽頭的銷軸節(jié)點,該節(jié)點可連接次桁架或面外撐桿。在次桁架平面內(nèi)的陰陽接頭,主要用于次桁架的拼接,同時也用來與主桁架連接。次桁架平面外標準節(jié)點處設(shè)銷軸節(jié)點連接面外撐桿。主桁架可拆卸連接節(jié)點如圖5所示。2平臺桁架布置的實現(xiàn)頂模施工中鋼桁架平臺主桁架交點應(yīng)位于平臺支點以上。同時,桁架應(yīng)盡量位于墻體兩側(cè),從而為墻體施工預(yù)留充足的空間。為此,為使鋼桁架平臺滿足不同工程核心筒剪力墻施工要求,并盡量使空間鋼桁架主要由標準單元拼裝而成,以下以福州世茂國際中心項目核心筒(見圖6a)施工所采用的頂模鋼桁架平臺為例說明平臺桁架布置的流程。1)首先建立1.5m的標準網(wǎng)格(見圖6b)。2)將核心筒放入標準網(wǎng)格內(nèi),盡量使更多的墻體位于兩條網(wǎng)格線的中間,當網(wǎng)格線離剪力墻過遠或過近時,可以減小網(wǎng)格尺寸,但網(wǎng)格尺寸必須是0.5m的倍數(shù)。最終形成由標準網(wǎng)格(1.5m)和非標準網(wǎng)格(非1.5m)組成的平面網(wǎng)格(見圖6c)。3)根據(jù)空間桁架支撐點位置確定主桁架(見圖6d)。4)根據(jù)核心筒剪力墻位置確定次桁架,并將沒用的網(wǎng)格線刪除(見圖6e)。5)在主桁架間、主次桁架間以及次桁架間加入面外撐桿,形成空間鋼桁架平臺,將平面網(wǎng)格線轉(zhuǎn)化為空間桁架網(wǎng)格(見圖6f)。3平臺加載試驗鋼桁架平臺在頂模施工過程中是主要的承力骨架,平臺上部有堆載和施工荷載,平臺下部懸掛著模板與掛架,而掛架上又同時存在著施工荷載。由前面分析可知:平臺以主桁架交匯處的4個井字節(jié)點為支點,平臺承受的荷載通過次桁架或直接傳遞到主桁架上,最終經(jīng)井字節(jié)點向下傳遞到結(jié)構(gòu)的支撐柱處。平臺井字節(jié)點外部具有較大的懸挑區(qū)域,這種設(shè)計導致平臺井字節(jié)點處內(nèi)力較大,而懸挑區(qū)域端部撓度較大,為確保平臺安全,根據(jù)平臺施工過程中最大的荷載工況進行平臺加載試驗。福州世茂國際中心項目鋼桁架平臺如圖7所示。主要構(gòu)件的截面如表1所示。3.1加載量測試鋼桁架平臺荷載包括平臺、模板和掛架自重,掛架上的施工荷載,平臺上的堆載以及平臺上的施工荷載幾部分。經(jīng)折算后,平臺荷載總和為6400kN,將平臺上的荷載分為5個區(qū)域,各區(qū)域荷載如圖8所示。加載分三級進行:0~40%~80%~100%,卸載分兩級進行:100%~40%~0。各區(qū)域加載情況如表2所示。平臺構(gòu)件在工廠生產(chǎn)出來后,即在工廠進行預(yù)拼,并采用鋼板進行堆載。根據(jù)圖8堆載分布情況,首先在平臺各區(qū)域均勻放置木方,此后將鋼板堆放在木方以上,堆載過程中應(yīng)保證各區(qū)域均勻加載,同時避免鋼板跨界。1)主桁架應(yīng)變測點布置測量支點附近長軸方向上、下弦桿應(yīng)變。圖9“Δ”表示應(yīng)變測試位置,括號內(nèi)為測點編號,前一編號為上表面,后一編號為下表面。2)次桁架應(yīng)變測點布置測量懸挑區(qū)域和中心區(qū)域次桁架跨中和支座附近上、下弦桿應(yīng)變(見圖10)。3)主桁架撓度測點測量長軸方向懸挑端豎向位移,平面外受次桁架作用的主桁架跨中豎向位移、面外位移(見圖11)。圖中“”表示位移測點。4)次桁架撓度測點測量懸挑區(qū)域和中心區(qū)域次桁架端部與跨中豎向位移(見圖12)。圖中“”表示應(yīng)變測點。3.2平臺應(yīng)力試驗分析位移試驗結(jié)果如表3所示。分析位移結(jié)果可得如下結(jié)論。1)桁架位移在加載和卸載階段均基本保持線性變化,當荷載完全卸去后,位移基本消失,這說明結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)處在彈性階段。2)主桁架最大懸挑位置豎向位移最大,內(nèi)側(cè)約43mm,外側(cè)約26mm。桁架最大撓度約1/500,滿足規(guī)范要求。井字節(jié)點間主桁架跨中豎向位移僅5mm。位移左右對稱說明結(jié)構(gòu)加載無明顯偏載。3)次桁架西側(cè)跨中撓度達26mm,而中部和南側(cè)跨中撓度僅10mm左右。排除由于次桁架連接部位主桁架的位移后,次桁架跨中位移均在5mm以內(nèi),這說明次桁架整體剛度較大,施工過程中自身變形很小,結(jié)構(gòu)的變形主要是主桁架變形所致。平臺試驗應(yīng)變結(jié)果及加載結(jié)束時由平臺應(yīng)變計算出的應(yīng)力結(jié)果如下。1)平臺主桁架應(yīng)力峰值約為-162MPa,遠小于材料強度345MPa,平臺次桁架應(yīng)力峰值僅為53.1MPa,與材料強度差距更大。試驗結(jié)果表明平臺承載能力可以滿足施工需求。2)平臺主桁架懸挑長度較大一側(cè)井字節(jié)點根部的應(yīng)力更大,且2根主桁架中靠近平臺內(nèi)側(cè)的主桁架下弦下翼緣應(yīng)力峰值更大。懸挑長度越長,井字節(jié)點處彎矩越大,對應(yīng)的應(yīng)力也就越大,而下弦下翼緣在整體受彎與局部受彎產(chǎn)生同向的壓應(yīng)力,進而使該位置產(chǎn)生受壓狀態(tài)的應(yīng)力峰值。3)平臺次桁架應(yīng)力峰值出現(xiàn)在斜向桁架根部上弦桿上表面,應(yīng)力峰值為拉應(yīng)力,此處應(yīng)力峰值是次桁架整體受拉和局部受拉疊加的結(jié)果。3.3鋼桁架平臺的有限元模型采用大型通用有限元設(shè)計軟件SAP2000對鋼桁架平臺進行有限元分析。所有桿件均為桿系單元。主桁架豎腹桿和斜腹桿桿端及斜腹桿相交位置設(shè)為鉸接。次桁架弦桿拼接位置以及次桁架豎腹桿與斜腹桿桿端設(shè)為鉸接。鋼桁架平臺的有限元模型如圖13所示。鋼桁架平臺約束取在井子節(jié)點和鋼柱連接的部位。3.4有限元分析結(jié)果鋼平臺在外荷載作用下的變形及應(yīng)力云圖如圖14所示。各測點位移結(jié)果與有限元分析結(jié)果如表4所示。對比結(jié)果可知:有限元分析位移結(jié)果與試驗得到的位移結(jié)果趨勢一致——桁架在懸挑端部豎向位移較大,而支點間的主、次桁架豎向位移均較小,位移峰值發(fā)生在桁架懸挑位置次桁架的跨中位置,而在4個井字節(jié)點內(nèi)部區(qū)域主次桁架跨中撓度均較小。大多數(shù)測點位置試驗結(jié)果較有限元分析結(jié)果偏大約20%。出現(xiàn)這種差異的主要原因在于:在主桁架設(shè)置了端封板的受壓弦桿位置由于加工誤差導致端封板無法完全貼緊、受壓;另外,平臺主桁架弦桿螺孔較為密集,部分位置由于加工誤差導致現(xiàn)場安裝困難,部分位置出現(xiàn)了螺孔擴孔現(xiàn)象,這在一定程度上降低了摩擦型高強螺栓的摩擦力,在加載中出現(xiàn)一定的滑動,進而導致?lián)隙冗M一步增大。各測點應(yīng)力結(jié)果與有限元分析結(jié)果如表5所示。對比結(jié)果可知:有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致,產(chǎn)生誤差的主要原因包括:有限元分析中模型的加載是理想化的均勻加載,在試驗加載中,首先在平臺上每隔2~3m擱置木方,然后在其上放置鋼板,這必然導致平臺局部有較大的集中荷載存在,進而造成一定誤差。另外,如前文所述平臺上螺孔較多,由于加工誤差導致平臺局部在加載過程中出現(xiàn)一些變形,從而造成局部卸載的情況,影響了試驗結(jié)果。4鋼桁架平臺的周轉(zhuǎn)臺設(shè)計本文提出的鋼桁架平臺可以滿足有關(guān)承載力和剛度的施工要求,但仍存在一定不足,現(xiàn)給出主要的改進意見。1)作為裝配式鋼平臺,平臺標準組件種類過多,這造成加工以及組拼時的諸多困難,使平臺周轉(zhuǎn)使用的難度加大。建議在今后的設(shè)計中將主桁架弦桿、斜撐等節(jié)點改為統(tǒng)一形式,同時保持上、下相對位置一致,從而大幅度降低標準組件的數(shù)量以及適用性。2)平臺主桁架受壓端封板的設(shè)計要求加工精度較高,微小的誤差即導致封板無法充分接觸;另外,桁架弦桿自身還有彎曲發(fā)生,這進一步限制了封板充分接觸。因此,建議取消封板受壓的設(shè)計,而直接采用全螺栓連接。3)對于矩形的核心筒而言,鋼桁架平臺角部構(gòu)件為兩端懸挑構(gòu)件,不宜在角部設(shè)置本文提