超高层建筑爬模施工及管理技术

来源:网络管理员 发布时间:2023-02-27 点击:

金和卯,周裕桂,刘福生,石 泰,王 卫,刘 昱,罗 鸣

(1.中建五局华南建设有限公司,广东 深圳 518000;

2.北京市建筑工程研究院有限责任公司,北京 100039)

近年来,国内超高层建筑应用越来越多,我国已成为世界上拥有超高层建筑最多的国家,在该领域总体达到世界领先水平[1]。在超高层建筑结构中,框架-核心筒结构兼具框架结构灵活、延性好,核心筒剪力墙强度与刚度大的优点,被广泛应用[2]。超高层核心筒剪力墙常采用爬模体系施工,通过液压爬模的自爬升和模板支撑功能,为超高层核心筒施工提供支持。

在超高层核心筒液压爬模施工中,塔式起重机存在空间冲突碰撞、爬升距离大、核心筒平立面变化大、安全防护要求高等困难,对爬模作业提出挑战[3]。

在以往研究中,常结合具体项目,探讨爬模变截面爬升[4]、爬模平面拆改作业[5]、爬模结合布料机施工[6]等问题。但超高层建筑复杂多变,爬模施工中遇到的问题不止上述研究。以华南地区某超高层工程为例,针对超高层爬模施工过程中常见的塔式起重机配合施工、布料机结合施工、变截面爬升、爬模拆改、爬模架体抗风拉结、辅助爬升、绿色施工和安全防护等关键问题进行较全面的分析。

1.1 结构特点

该项目结构类型为钢筋混凝土核心筒+钢结构外框形式,地上59层,最大结构高约286m。核心筒外墙和电梯井采用液压爬模方式进行施工,核心筒内水平结构同步施工,外框钢结构滞后施工。

该项目平立面变化较大,存在平面结构内收与立面墙厚收缩量较大的特点;
层高较高,且层高变化较大,核心筒标准层层高为4.5,4.0m,非标准层最高为5.9m;
同时,52,53层为伸臂桁架层,相关部位需要预留牛腿。

1.2 液压爬模概况

将液压爬模应用于核心筒第4~59层结构施工,爬模最大爬升高度为279.88m。本项目共设置13组爬模架体,51个机位,其中外墙设置第1~6组架体,电梯井设置第7~13组架体。架体间采用工字钢连接,并用U形螺栓固定,以保证架体强度、刚度、稳定性及整体性。标准层液压爬模架体布置如图1所示。

图1 标准层爬模布置

核心筒外墙统一采用铝合金模板施工,将相应铝合金模板吊入外墙爬模架模板支撑体系,安装后随架体同时爬升,节省塔式起重机吊运模板次数,同时架体顶层可堆放物料,最上层平台可承载物料为400kg/m2,满足整层钢筋堆放及使用要求,解决劳动力、机械设备、生产材料使用和调配制约等问题。

爬模架体共设6层操作平台,上2层为绑筋操作平台,可借助此2层平台绑扎钢筋;
中间2层为铝合金模板操作平台,可在此平台上完成合模、拆模、清理模板等工作;
下层为爬升操作平台;
最底层为拆卸清理维护平台,主要用于拆除上道爬模附墙支座。爬模通过封模层下部1.2m处的穿墙螺杆式固定支座附着于墙体上。当墙体混凝土达到脱模要求后,将铝合金模板退出600~1 000mm,便于清理模板。核心筒爬模架立面如图2所示。

图2 爬模架立面示意

2.1 液压爬模与动臂塔式起重机结合施工

在核心筒外布置2台外挂式动臂塔式起重机,在核心筒南北各设置1台。为保持外墙爬模整体性,在塔身周围安装液压爬模,使爬模沿外墙围成1圈,周身连成整体。

动臂塔式起重机与外墙爬模均布置在核心筒外,随施工进度竖向提升。为避免爬模机位与动臂塔式起重机外挂架相互干涉,提前模拟爬模爬升与塔式起重机顶升施工,确定两者施工配合规则如下:在塔式起重机爬升区间内,首先使爬架最底部高于塔式起重机外挂架,然后在保证爬架最顶端不碰撞塔式起重机平衡臂及配重的前提下,控制爬模爬升至指定位置,随后安装塔式起重机上层外挂架,最后顶升塔式起重机至下一区间并重复上述过程。

2.2 液压爬模与布料机结合施工

核心筒内采用2台布料机浇筑混凝土。随着核心筒高度逐渐增加,布料机同步提升,为此,结合布料机与核心筒电梯井内爬模,布料机通过特殊钢支架进行固定,随爬模一起爬升。

设置2台HGY21型混凝土布料机,每台布料机通过钢梁与2组爬模顶层平台连接,在爬模顶层形成大平台,2组架体只允许携带布料机,严禁任何其他堆载。1台布料机布置在7,8组架体上,另一台布料机布置在12,13组架体上。

HGY21型混凝土布料机技术参数如下:半径为21m,回转范围为360°,液压系统压力为22MPa,采用支腿式安装法,支腿跨距为4.5m×4.5m,设备重4 920kg,配重为3 000kg。

布料机自重荷载较大,施工时受力情况复杂,需要校核布料机下方爬模架体的强度及稳定性。其中北侧电梯井爬模尺寸为6 735mm×9 870mm,南侧电梯井爬模尺寸为5 750mm×9 730mm,北侧架体机位间距更大,受力情况更加不利,故选取北侧架体进行验算。

当布料机工作时,由于布料机臂架工作方向变化,下方4条支腿受力将产生变化。在最不利工况下,布料机前部支腿受力达71.3kN,中间2条支腿受力为10.3kN,后部支腿受力为0。

在最不利工况下,通过有限元软件计算得到架体所受最大应力为174.3MPa,位于架体主梁头及上架体连接横梁部分,未超过架体材料屈服强度235MPa,加之应力超过区域面积较小,架体强度满足施工要求。架体最大位移为6.42mm,位于爬模顶层平台横梁位置。根据JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技术规范》[7],爬模主梁最大变形限制为计算跨度的1/500,即19.7mm,故架体变形满足要求。

布料机与爬模结合的施工要点是保证布料机与爬模连接牢固,防止混凝土浇筑过程中布料机移位,同时严格控制爬模上除布料机外无多余荷载。浇筑混凝土时,现场人员时刻观察布料机、爬架形态,当出现明显变形、过大振动等情况,及时终止施工操作,将布料机吊离爬架,待查明原因并处理完毕后再进行施工作业。

2.3 上架体抗风设计及措施

爬模上部4层架体高度为10.1m,通过高强螺栓连接下架体,属于悬臂结构。为减少风荷载对上架体的影响,采取上架体拉结加强措施。

在核心筒内浇筑混凝土时,在连梁顶部用钢管预留地锚,架体爬升完毕后用钢管将爬模上架体与连梁位置的结构地锚进行刚性拉结;
对于结构连梁分布较少的墙体,将爬模上架体与核心筒劲性钢柱进行拉结;
在爬模上2层拐角架体断开处,使用钢管将拐角两侧上层架进行焊接拉结,将整个爬模上架体拉结为整体。若遇到变截面斜爬时,割除架体拐角处的焊接拉结。

为验证风荷载对架体的影响,采用有限元软件对14级风力下,核心筒外墙爬模架体拉结工况进行有限元模拟。得到架体最大应力为200MPa,未超过架体材料屈服强度,且应力超过区域面积较小,架体强度满足施工要求。架体最大位移为11.55mm,位于模板支架层,符合《建筑施工模板安全技术规范》需求。计算结果如图3所示。

图3 上架体抗风拉结云图

2.4 结构变化与爬模施工

2.4.1爬模变截面斜爬

随着核心筒结构升高,核心筒第11,22,33,54层外墙厚度发生收缩,收缩值分别为150,150,200,250mm,墙体截面收缩影响爬模爬升。

为保障爬模顺利爬升,在变截面楼层附墙装置处设置垫板,垫板厚度为截面变化厚度减去50mm。变截面爬升时,先在上层安装垫板及附墙装置,检测爬升层墙体强度达15MPa,然后操作电控按钮爬升导轨,当导轨快爬升至上层附墙装置前,调节下架体的调节支腿,使导轨向内倾斜,进而爬升入位;
导轨入位后,爬升架体,完成变截面爬升。

爬模爬升过程中的核心问题是导轨正常入位,只有导轨正常爬升至上层附墙装置处,才能使架体爬升过程中的受力通过导轨顺利传递到附墙装置。因此,变截面斜爬时需要关注导轨是否正常下压到顶层附墙装置的承力块上。爬模每次爬升可消化50mm的变截面尺寸,以此类推,150mm变截面经过3次斜爬后,架体恢复为正常爬升状态。爬模斜爬时需向外侧移动架体拐角处护网,同时由于结构外墙收缩,转角处平台板需进行局部切割处理。

2.4.2爬模平面拆改

本工程建筑结构形式变化较大,超过44层后,东侧核心筒结构内收,相应爬模需进行拆改,保留并调整8~10号机位位置,将11~13号机位进行退场处理。拆除步骤如下:清理架体→拆除钢板网→整体拆除上架体→整体拆除模板支撑架→拆除导轨→拆除液压电控系统→整体拆除下架体。安装步骤如下:安装下架体→安装模板支撑架→安装上架体→安装爬模防护网→验收使用。

2.4.3伸臂桁架层爬模施工

在52,53层设置伸臂桁架层,核心筒结构需预留8根牛腿。按照最长牛腿考虑,52层的每根牛腿长1 200mm,与爬模次梁和平台板在平面位置上冲突,爬模需进行拆改,步骤如下:①确定牛腿与爬模冲突部位,割除冲突部分的平台板,割除部位做临边防护;
②在需要切割的平台梁两侧设置支撑加固后,割除牛腿冲突部位的平台梁;
③使爬模架体爬升通过牛腿;
④爬升通过后及时焊接次梁及平台板,在次梁断口位置采用四面贴板满焊的形式重新进行焊接。

2.5 核心筒液压爬模施工措施

2.5.1辅助墙体

爬模10号机位于第37,38层,由于剪力墙局部缩短,附着位置变为洞口,需在此处连梁下部设置辅助墙体(经济性较好),以满足爬模附墙装置的安装需求。

辅助墙体宽800mm、高950mm,厚度同剪力墙厚。在辅助墙体下方设置支撑杆,当架体爬升后,墙垛不受力时进行拆除。辅助墙体如图4所示。

图4 10号机位第37,38层辅助墙体

2.5.2爬模点位预埋

预埋套管是爬模架安装及爬升的关键。在上层墙体绑扎钢筋时预埋穿墙套管,用于安装附墙装置的穿墙螺栓,预埋时使用钢筋焊接定位,防止浇筑混凝土时跑偏。根据JGJ/T 195—2018《液压爬升模板工程技术标准》[8],预埋套管偏差需严格控制在±5mm内,若预埋位置偏差较大,应采用水钻开孔,进行修正定位。

2.5.3作业荷载控制

核心筒外墙爬模施工需严格控制施工荷载。爬模架平台最顶层施工荷载为4kN/m2,动臂塔式起重机处施工荷载为2kN/m2,机位间距5m以上顶层平台限载为1kN/m2,悬挑部位限载为1kN/m2,爬模主平台(上数第4层)施工荷载为1kN/m2,其余平台严禁堆载、超载,架体悬挑位置顶层平台禁止堆料[9-10]。爬模顶层平台限载如图5所示。

图5 爬模顶层平台限载

2.5.4混凝土喷淋系统

在核心筒外墙设置混凝土喷淋系统,用于养护外墙混凝土。爬模混凝土保养用水管道在爬模第2层绑筋平台下口及主平台下口各设置1道,距墙面450mm[11]。主管道采用φ32 PVC水管,设置喷雾可调水龙头,间距1.2m,每组爬架间采用软管连接,当爬架爬升时拆开接头,爬升后再连接使用。喷淋系统如图6所示。

图6 混凝土喷淋系统

爬模架体与核心筒结构间设置200mm空隙,以保证架体爬升时不碰撞核心筒结构。为防止物料、人员等从空隙处坠落,在架体与结构、架体与架体间设置翻板。施工时封闭翻板,爬升时打开翻板。

液压爬模体系的第3,4层为铝合金模板支撑层,将核心筒外墙铝合金模板吊入爬模支撑体系,安装后外墙铝合金模板可随架体同时爬升。由于液压爬模体系第3层平台需考虑退模距离,故此层通道较窄,在铝合金模板合模阶段无法借助此平台加固模板。针对此特点应先优化液压爬模体系,在此层平台靠近模板位置设置翻折平台,当模板合模时打开翻折平台进行操作,开模时,收起翻折平台,以保证有足够的退模距离。

1)爬模与塔式起重机同时作业时,应提前做好爬升模拟,始终保持爬模机位高于塔式起重机外挂架,且低于塔式起重机上部结构,保证两者不发生冲突。

2)结合布料机与核心筒电梯井内爬模技术,随爬模同步爬升,可加快施工效率,通过计算论证爬模携带布料机的安全性。

3)通过设置爬模架体,使结构与架体相互拉结,经抗风计算,爬模架体可抵抗14级大风,有效保证爬模使用过程安全。

4)当墙体截面尺寸变化较大时,可通过加设垫块、调节支腿等方式使架体倾斜上爬,逐层消化变截面尺寸。

5)当结构墙体尺寸发生变化或出现外伸牛腿时,可通过设置辅助墙体或拆改局部架体等方式,保证架体顺利爬升。

6)通过在爬模上安装翻板、翻折平台,保证钢筋绑扎和模板施工时的作业安全。通过安装喷淋系统,便于混凝土养护和作业面的文明施工。

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