广东省博物馆新馆钢结构工程施工技术.docx

广东省博物馆新馆钢结构工程施工技术王煦 ,陈国栋 ,娄峰 ,姜峰(长江精工钢结构 (集团) 股份有限公司 ,广东 广州 510630) 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 118 万 t 。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 。 关键词 钢结构 ;悬挂结构 ;体内预应力结构 ;施工技术 中图分类号 tu758111 文献标识码 a 文章编号 100228498 (2006) 1220074204construction technology of steel structure of guangdong ne w museumwan g xu , chen guo2do ng , lou fe ng , j ian g fe ng( changjiang jinggong steel structure ( group) co. , ltd. , guangzhou , guangdong 510630 , china)abstract : the steel structure of guangdong new museum is the largest domestic suspension structure with thetotal steel usage of 18 000t . at the same time , concrete filling and prestressed cables are applied within the truss body to increase the strength of the structural elements. the design of complicated joints , the construction process of steel structure , the analysis of the structure accumulative deformation , and the precisely controlling during structure construction are the major concerned issues. after a comprehensive comparison between several construction options , the plan of simultaneous implementation at several working faces is adopted.key words : steel structure ; suspension structure ;in2body prestressed structure ;construction technology广东省博物馆新馆外形为盛满珍宝的容器( 见图1) ,总建筑面积约 66 280m2 ,建筑总高度为 4415m ,地下1 层 ,地上 5 层。基础及 2 层以下采用钢筋混凝土结 构 ,3 层以上以悬臂预应力桁架钢结构为主。总用钢 量 118 万 t 。桁架共 8 榀 ,采用双向交叉平面桁架 ,桁架高 8m ,上下弦采用 115m 1m 箱形截面 ,腹杆与弦杆等宽为 1m ,高 度 8001 500mm。上弦穿体内预应力索 , 单榀桁架长度 11315m ,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 5 层和 6 层 楼层钢梁 ,形成整体桁架屋盖体系( 见图 3) 。图 2 核心筒钢管柱及相应楼层圈梁图 3 5 、6 层桁架及楼层结构图 1 广东省博物馆新馆效果示意钢结构分为四大部分 :核心筒钢管柱及楼层圈梁 ,5 、6 层悬臂桁架体系 ,吊杆及楼层结构 , 外围护立面墙 体系。1) 钢管柱及圈梁布置于核心筒体混凝土剪力墙内 ,钢管柱为 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 2) 。2) 5 、6 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。3 ) 吊杆及楼层结构封口桁架下伸 600mm 600mm 的箱形钢吊杆 ,核心筒内部下伸 299mm 圆钢管 收稿日期 2006209225 作者简介 王 煦(1968 ) ,女 ,内蒙古东胜人 ,长江精工钢结 构( 集团) 股份有限公司高级工程师 ,华南事业部总工程师 ,广州 市天河北路 689 号光大银行大厦 10 楼 510630 , 电话 : ( 020 )38731205王 煦等 :广东省博物馆新馆钢结构工程施工技术2006 no . 1275吊杆 ,悬吊 34 层楼面结构体系( 见图 4) 。4) 外围护立面墙 体 采用由 h 型钢 骨架 形 成 的 凹 凸 立面墙架。1结构特点图 4 吊杆及楼层结构1) 悬挂结构钢桁架外挑 23m , 通过刚性吊杆悬挂下部 3 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 5) 。图 6 施工总平面布置示意与楼面梁、钢管柱与楼面梁连接节点翼板均需整体下 料。复杂的节点构造限定了结构的分段 , 大量节点需 要在工厂制作成整体 ,不仅使深化设计、构件加工难度 大 ,还给构件的运输和钢结构安装带来困难。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。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。5) 因结构采用特殊的悬挂式 , 主要受力桁架的变 形会随施工顺序不断变化 , 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 3 条主线 : 核心筒框架、5 、6 层屋 盖桁架体系、吊杆及楼层结构。1) 5 、6 层桁架体系共 10 000t ,采用高空拼装 , 累积滑移。2) 核心筒钢管柱分 3 层吊装 ,连接相应楼层圈梁 ,形成稳定框架体系。3) 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 : 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 ; 核心筒钢管柱、屋盖桁架、楼层结构 3个作业面可同时施工 , 做到立体交叉、水平占满 ; 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 ; 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1) 西侧空地为钢结构的地面拼装场地 , 构件分段 卧拼装。2) 东、南、北侧各布置 1 台固定式塔吊 , 西侧布置图 5 悬挂结构示意2) 组合结构 混凝土核心筒承担主要竖向和水平 荷载 ,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 ,形成钢2混凝土组合结构。桁架及楼层 梁内灌混凝土形成钢2混凝土组合构件。3) 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。桁架预应力每榀 4 束 , 每束由 31 根 15124mm 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。悬挂吊杆内设 7 121 缆索 , 外吊杆内设 4 束 1组 ,内吊杆 1 束 1 组。2施工条件1) 土建施工面条件在移交钢结构施工前 , 土建已完成地下 1 层、地上 2 层 615m 混凝土结构施工 , 核心筒钢柱施工到 715m 标高。楼面荷载达到设计值 ,即 室外 30knm2 ,室内 15knm2 。2) 场地环境主体建筑四周设环形道路 , 路宽5m。场地西侧是办公、生活和构件的拼装区域 ,场地开阔。南北两侧土建单位已布置了 2 台固定式塔吊 , 其 中北侧是施工主入口 , 道路距建筑边缘 519m。北侧施 工道路外侧已紧贴围墙 ,外围墙到建筑边缘不足 10m。 东侧布置了一个临时入口 , 供施工使用的空间宽度为20m( 见图 6) 。3施工重点 、难点1) 桁架上下弦、腹杆均采用箱形截面 ,弦杆截面全 部采用 1 500mm 1 000mm ,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。2) 主体桁架箱形截面纵横交叉 ,吊杆与斜撑、吊杆施工技术第 35 卷76滑移支撑架 ,采用大型履带吊吊装。3) 钢管柱和框架梁吊装。钢管柱吊装分 3 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 1 榀桁架 , 采用等标 高滑移。6) 滑移第 1 榀为东侧边桁架 , 拼装可组成三角形 稳定体 ,分 10 个主段吊装。吊装采用 1 台 500t 履带吊 和 1 台 200t 履带吊抬吊。7) 在第 1 榀桁架滑移时 , 设置 8 台 100t 液压爬行 器 ,顶推桁架 ,一次滑移 2114m 距离。8) 滑移轨道设在 、轴 ,剪力墙和拼装支撑胎架安装完毕后 ,从 101 轴至 轴东西通长布置 ,长 108m。9) 在滑移支撑架上进行第 2 榀主桁架的高空拼 装 ,主桁架分 6 段采用 1 台 500t 履带吊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 ,200t 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 2 榀桁架的滑移 ,滑移距离为 1 个跨距。12) 依此类推 ,进行 6 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 3 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 3 层吊杆位置上。15) 第 1 榀桁架滑移到轨道 轴处 ,爬行器换置在第 4 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 4 层吊杆安装。随后屋盖结构开始进行 预应力穿索。20) 第 1 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 2 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611结构预拱本工程结构在施工过程中存在 5 个阶段 : 屋盖滑移到位 ,下部楼层结构与屋盖结构还未连接 ; 4 层吊杆与屋盖结构连接 , 下部 3 层结构悬挂在屋盖桁架 上 ; 桁架施加部分预应力 , 屋盖桁架有部分反向变 形 ; 楼面及屋盖结构内部浇注混凝土; 施加预应力 到设计值 ,结构完成变形。5 个阶段的变形值如表 1 所示。表 1 结构在各种荷载作用下的变形量mm阶段变形阶段 、 、 、 、123屋盖自重作用悬挂 3 层钢结构楼面 桁架预应力张拉 14 000kn楼面、桁架内混凝 土浇注完成结构完成 110( 恒载 + 附加恒载)+ 015 活载4466- 153049- 162543- 264466- 152947- 182238- 284734832734524514896761489676桁架预拱 :按照自重作用下结构的变形 ,反向施加于结构。确定为 110 恒载 + 015 活载作用下的工况作 为控制阶段 ,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。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。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) 。612 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 架和楼层结构安装支撑架( 见图 7 、8) 。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 101 轴处西偏 1 500mm ,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 1415m ,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 ,中间填 充脚手架作为操作平台。613 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 , 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。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。王煦等 :广东省博物馆新馆钢结构工程施工技术2006 no . 1277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 2 次张 拉桁架预应力索到设计值 ,每束 3 500kn 。615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 ,此值随着施工顺序不断变化 ,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的编制依据。7 结语广东省博物馆新馆钢结构 , 采用大悬臂桁架悬挂 下部 3 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 ,通过最后与桁架的连接实现吊挂。在施工过程中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。参考文献 :图 7 滑移拼装支撑架示意图 8 滑移轨道梁及支撑示意进行滑移施工的结构重量约 8 800t ,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。第 1 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。第 1 滑移单元最大变形为 45mm , 位于桁架中部 , 导致该部分在与第 2 单元组装时接口位置错位 , 在完 成第 1 次滑移后首先需将该单