广州超高层电视塔钢结构施工技术、天线桅杆安装技术研究综合报告

第一章综合报告§1课题研究背景§1.1超高层的发展和挑战超高层建筑是社会生产力发展的产物，也是社会进步的象征，同时也是科技实力的体现和运用。现代超高层建筑起源于xx，已有110年的发展历史，经历过三个发展高潮。第一个发展高潮的代表建筑是1931年建成的xx大厦（高381m,102层）；第二个发展高潮的代表建筑是1972年建成的xx中心（417m和415m，110层）和1974年建成的xx大厦（442m，108层）。第三个发展高潮的代表建筑是1998年建成的xx大厦（452m，88层）和xx大厦(420.5m，88层)。超高层建筑的兴建不但具有显著的经济效益和社会效益，能够展现一个时代、一个国家的科技发展成就，而且可以极大地促进相关领域科技的发展。超过500米的xx即将动工建设，高达632米的上海中心也已经开工建设。而阿联酋正在建造超过700米的超高层建筑的建设施工技术以xx研究最为系统、深入。xx雄谷组承建了xx层的世界金融中心。xx大林组株式会社则在高性能混凝土和超高层建筑施工工艺方面取得了丰硕成果，通过最新的计算机技术、自动控制技术和施工技术的交叉整合，在世界上首先开发了用于超高层建筑钢筋混凝土结构施工的自动化施工系统和用于超高层建筑钢结构施工的自动化施工系统。我国超高层建筑研究及工程应用起步比较晚，但是发展非常迅速。目前世界已建成的十大超高层建筑中，我国占有7座，表明我国是世界超高层建筑建造大国。而随着社会生产力的发展和进步，电视塔也已经从原来单一的电视发射塔转变为具有娱乐、休闲、餐饮和电视发射功能于一体的高层建筑，因此新兴的电视塔不仅是高耸建筑，而且是超高层建筑。中国目前第一高的468m的xx电视塔和世界第一高的xx553m的CN塔，就具有电视发射、餐饮和观光等功能，而目前世界范围内涌现出越来越多的具有休闲、娱乐、商住等更多功能的电视台，而这些功能和形体上的变化，使得建造的难度也越来越高。而目前在建的610m的xx则把诸多的功能和特异的形体结合在一起，使得建造技术面临前所未有的挑战。世界电视塔高度排名正是由于上述原因以复杂斜交网格高层结构为结构特征的具有各种使用功能的电视观光塔结构，代表了未来建筑的潮流。复杂斜交网格是指结构的外框筒通常由网格状钢结构组成，空间构成复杂，另外它具有超高的核心筒结构，通常由钢筋混凝土结构组成，这种结构组成必然具备了高、偏、扭等复杂结构特征，这些复杂的结构特征几乎涵盖了未来可能采用的结构形式的特征。因此，其技术的解决，必将推动高层建筑技术的极大进步。我国已经进入全面建设小康社会的发展阶段，超高层建筑的建造必将进入新一轮发展高潮，上海环球金融中心、南京紫峰大厦、广州珠江新城西塔、xx的建设就是一个良好的佐证。同时超高层建筑建造在世界范围内的竞争将日趋激烈，xx、xx和韩国等发达国家都想占领超高层建筑的制高点，纷纷规划或开工建设500m以上的超高层建筑，因此我国面临严峻挑战。积极迎接挑战，提高我国的超高层建筑建造技术水平，占领世界超高层建筑建造技术的制高点，具有非常重要和现实的意义。§1.2复杂斜交网格高层结构的特点和难点复杂斜交网格高层结构具有扭、偏、镂空等典型特点。xx作为复杂斜交网格高层结构的典型代表，结构特征如下：1）高：塔楼高454m，天线桅杆顶高610m，超高度带来施工高风险。2）扭：钢外筒自下而上扭转45°，使结构呈三维倾斜，万余构件无一相同。施工变形控制难度大。3）偏：钢结构底座与核心筒偏心9.3m，而顶部钢结构又与底座偏位9m，使结构在自重作用下发生侧移。4）重：钢结构总重近五万吨，柱最大直径达2m，单节柱最大重量48t，单榀桁架最重逾80t。5）柔：结构细长，内外框筒连接较弱，核芯筒截面只有14X17m。6）缺：楼层分段分布，核芯筒内有80个楼层，但内外框筒之间只有37个楼层，缺失近一半.7）外：外框筒位于功能层外侧，因此施工时不能采用楼层作操作面，大大增加了施工难度。正是由于复杂斜交网格高层结构具有上述特点，因此施工中也存在诸多的难点，主要集中表现在如下方面：如何完成复杂网格结构体系钢结构的吊装？全三维的空间体系、重型的构件、恶劣的环境，都要求从吊装工艺、施工措施上进行全面的创新。如何完成超高、曲面、空间狭小的核芯筒施工？这要求从模板体系、操作体系等各个环节和方面进行研究和创新。如何完成倾斜，难以布置硬管施工的钢管柱的施工？这是新遇到的难题，保证质量的前提下，方便地进行施工是一个新的课题。如何进行变形和内力控制？如此复杂的体系，施工过程中由于自重，温度，风等的影响会产生不可忽略的变形，采用什么样的控制手段，是首要解决的问题。§2课题研究内容结合xx这样一个典型复杂斜交网格高层结构，主要进行了如下的研究：§2.1钢结构施工技术研究（1）主体钢结构吊装技术总体吊装技术路线核芯筒劲性柱安装技术钢外框筒安装技术钢楼层结构安装技术（2）钢结构其他专项施工技术研究施工测量技术高空焊接技术大型塔吊外挂爬升技术综合安全防护技术及措施施工设施对结构的作用和处理§2.2天线桅杆安装技术天线格构段安装技术天线实腹段计算机控制整体提升技术2、钢结构施工控制技术研究施工控制的路线和总体流程施工过程仿真分析方法结构变形控制方法温度效应及温度监测§3课题创新成果共分为三个部分：（1）复杂斜交网格高层钢结构施工技术；（2）复杂斜交网格高层土建结构施工技术；（3）复杂斜交网格高层结构施工控制技术。§3.1复杂斜交网格高层钢结构施工技术§3.1.1大型塔吊外挂技术xx外框筒钢结构柱子直径2m～1.2m，壁厚50mm～30mm，根据外框筒构成的情况及重量分布，宜将结构柱按环分节分段（约8～12m/段），环梁按照柱间长度分段，斜撑按间断点分段，柱子单件吊重约为20～40t。依据这样的情况和核芯筒的特点，选用两台1200t.m级的M900D塔吊作为主力起重设备，进行钢结构的吊装和就位。两台M900D分别安装于塔吊南北两侧，采用了外挂形式。M900D塔吊的安装、爬升和拆除的技术要求非常高，创新设计了斜拉式的附墙体系，确保了塔吊的安全施工。M900D塔吊及附墙系统§3.1.2xx由于体形特殊，结构超高，测量精度要求高，所以结构测量的难度很大。针对这种情况，我们以GPS定位系统进行测量基线网的测设，以高精度全站仪为重要手段，进行构件空中三维坐标定位。为满足钢结构安装定位需要，利用周边通视条件好、稳固的高层建筑物，构建了空间测量基准网。空间测量基准网由五个空间点和一个地面点组成。由于现场施工条件的限制，平面测量基准网分阶段进行布设。鉴于电视塔结构远高于周边其他建筑物，为了满足结构施工的测量定位要求，位于地面的平面测量控制网沿核心筒壁进行垂直传递。在C区底板的核心筒外周设置投影基准点，每隔4至6层向上设置相应的高空施工控制点。设置投影基准点以及高空施工控制点时，考虑到在每节立柱测量时需与两个控制点保持通视，以便必要时进行校核。此外，施工时，核心筒外的6个施工控制点同场外空间测量基准网能够通视，以方便传递后的校核及观测时将作为后视。测量工作示意§3.1.3钢结构外筒均采用钢管构件，高空节点均为等强焊接连接。焊接量大，质量要求高，但高空作业条件差，气候影响明显。从保证焊接质量、提高焊接功效、减少焊接变形等因素考虑，并结合以往的焊接经验，采用了二氧化碳气体保护半自动焊为主，手工焊为辅，进行钢结构节点高空全位置焊接的焊接工艺。焊接时对节点采用对称分布焊接的施焊顺序，焊接单元内按立柱－斜撑－环梁的顺序控制，同环内节点采用对称分布、交错焊接，最大限度控制了焊接变形的不利影响。焊接示意图§3.1.4综合安全防护隔离技术xx钢结构安装为超高空作业，楼层的不连续，造成悬空作业。高空坠物带来的伤害风险也随着高度增加。同时由于外框筒外露于结构的外侧，因此钢结构施工安全设施设置的困难大大增加。根据结构和施工特点，合理规划、统筹安全作业设施极为重要。制定了以垂直爬梯，水平通道，临边围栏，操作平台和防坠隔离设施，组成了安全操作系统。其中钢结构施工的安全措施操作平台进行了创新设计，适应了由于外框筒柱子密集，空间狭小的特点，具有安全可靠，装拆方便的优点。操作平台和挑网防护§3.1.5xx156m高的天线桅杆，重约1300t左右，分成格构段和实腹段，设置于454～610m的高空，施工难度高。下部格构段施工时，可以利用移置放置于454m楼面的M900D塔吊，进行吊装。但是顶部约75m，220吨的实腹段是M900D难以达到的吊装高度。因此制定了以计算机控制，液压整体提升技术完成超高空桅杆的安装就位的技术方案。即将实腹段在格构段内组装完成后，利用在格构段顶部处设置的提升平台（设8组导轮和八根导轨作导向及抗风纠偏装置，以八组(20只)穿心式液压千斤顶及钢绞线为提升设备，由计算机多参数自动控制）实现提升段天线的超高空连续提升，快速就位安装。导轨装置巧妙地利用了永久结构，安全有效。桅杆提升及液压设备系统§3.2复杂斜交网格高层土建结构施工技术§3.2.1异型整体提升钢平台技术根据核芯筒超高，椭圆，狭小等特点，设计了定制的整体提升钢平台模板体系。对构成体系中的提升系统、平台系统、模板系统、挂脚手系统等进行了优化和改进，具有如下优点和特点：（1）充分利用了核芯筒内的劲性柱作为承力体系，具有较好的经济性。（2）核芯筒内部采用定型小钢模体系，实现了核芯筒内水平结构和竖向结构同步施工，使施工过程中的安全得到更好的控制，也使得施工过程中，核芯筒刚度大大提高，确保了核芯筒超高50～70m施工过程中，核芯筒结构的安全。（3）整体提升钢平台具有封闭的操作环境，避免了高空坠落的危险，确保了施工的安全。（4）钢大模体系整体性好，刚度大，保证了混凝土的施工的质量。（5）钢平台体系可以带载提升，提高了施工的效率。整体提升钢平台体系§3.2.2xx钢管混凝土施工有别于普通钢管混凝土结构，一是空间倾斜，易造成那隔板底部产生空洞，二是由于钢管位于楼层外侧，难以采用布管，混凝土运输困难大。通过对比泵送顶升法、高位抛落法、立式浇捣法，最终决定采用高位抛落法施工，为此在进行了足尺模型实验，证明此工艺满足混凝土的施工和质量要求。为了克服布管的困难，在核芯筒东西两侧各布置一台38m臂长外挂爬升式布料机进行钢管砼的浇注，这大大提高了钢管混凝土浇注的效率。对于两台布料机不能全部覆盖到的区域，用M900D塔吊通过吊斗吊运混凝土，完成混凝土的浇注。钢管混凝土施工§3.3复杂斜交网格高层施工控制技术§3.3.1异型钢结构预变形技术由于xx具有偏，扭的结构特征，因此结构在施工过程中，不仅会产生压缩变形，不均匀沉降，也会发生较大的水平变形，因此必须进行预变形控制，否则，即使初始安装位置精确，但在后续荷载的作用下，会发生较大的累积变形，使得节点偏离原设计位置。通过严谨的分析计算，制定了以阶段调整、逐环复位为特征的预变形方案，进行钢结构在恒载作业下的变形补偿。由于风荷载和温度荷载为可变和随机荷载，影响可恢复，因此对其影响范围进行了分析，确保安全，而不对其进行补偿。结构预变形示意§3.3.2温度场监测和控制技术由于xx结构细长，施工时间跨度大，因此结构施工过程中受温度影响比较大，同日温差，阴阳面温差，季节温差这些变化始终贯穿于结构施工的全过程。因此必须研究其对结构变形的影响规律，对主体结构温度分布情况进行监测，并辅助计算机模拟计算，提前对结构温度变形情况进行分析和预测，以减小温度变形对结构施工的影响。根据上述情况，制定了以无线传输，实时检测的结构温度的检测系统，进行结构在环境温差条件下的温度监测的方案。具体实施方案是在均匀分布的8根立柱、3道环梁上和核芯筒的6根测轴上，布置温度传感器，其中同根柱子内外都布置温度传感器，采用无线传输技术进行采集，然后对其数据进行分析和处理，指导施工。同时也布置了少量应力传感器对结构内力变化情况进行监控，确保施工目标的实现。温度监测§4课题研究成果§4.1专利技术 授权号（申请号）名称类型状态200810207805.8可调节宽度式圆弧形大钢模发明专利ZL200620048360.X一种用于整体钢平台系统的无配重自动翻转支撑装置实用新型授权ZL200720066386.1一种整体提升钢平台内筒外架的支撑装置实用新型授权ZL200620048288.0一种钢柱支撑式提升机支架支撑装置实用新型授权ZL200720075514.9一种内爬塔吊的外挂支撑系统实用新型授权ZL200720072161.3塔吊爬升靠轮实用新型授权ZL200720072760.9内爬塔吊液压支承装置实用新型授权200820153436.4一种链式抱箍装置实用新型授权200910048905.5塔桅结构分段套装、穿心抽出式整体安装技术实用新型授权§4.2专项设备和措施1、可拆装高空操作平台当钢柱设置于楼层结构外侧时，钢结构施工作业面临很多的技术难题。其中最重要的就是很难搭设临时设施，来满足外筒钢结构在楼层缺失部位的结构安装、焊接和节点涂装等作业。为此设计了专用承重作业平台。该作业平台安装于每根钢管立柱的适当部位，隔环布置，周转使用。承重平台上搭设环柱脚手架，以适应结构尺寸的变化。承重平台设计时考虑脚手架、焊接设备、涂装设备（2t）和操作人员等荷载。由于平台上环柱搭设脚手架，与钢结构可靠连接，因此设计时不考虑风荷载。该作业平台还兼作移动隔离设施，考虑了装拆的便利。可拆装平台由于装拆方便，作业性能好，提供了宽敞的操作平台，因此在xx工程中取得了巨大的成功，可以为相似工程提供有益的参考。操作平台2、链式抱箍装置现今，超高层、高耸结构在国内外建筑行业中越来越多地被采用，并常为非常规的结构外形。外形奇异、楼层缺失等现实情况造成结构安装时无可利用的高空操作面，因此必须设计高空操作用的施工专用平台。施工平台构造因结构特点、用途而异，但其核心技术均为平台与主体结构的连接构造形式。因此有必要发明一种满足使用要求、标准化且通用的平台与主体结构实用连接。链式抱箍，能够解决超高层、高耸结构施工中专用施工操作平台与主体结构连接不便的问题。为了实现上述目的，采用链式抱箍装置，其特征在于：该抱箍装置包括至少两个抱箍部件，每个抱箍部件由多个标准节组成，相邻的两个标准节之间通过连接销轴连接，每个抱箍部件两端均设有端头节，两个相邻抱箍部件的端头节之间通过紧固销轴连接，抱箍部件设有平台连接件。标准节两端均设有销轴孔，标准节一端设有平台连接件，平台连接件设有吊耳孔。由多个标准节组成可自紧式抱箍，利用抱箍张紧产生的摩擦力将施工平台与主体机构连接起来；抱箍采用多个标准节构成，可根据主体结构构件尺寸进行调解，方便施工，节约成本；抱箍与施工平台可柔性或刚性连接，根据需要约束施工平台的多个自由度；抱箍可采用铸钢件，制作工艺简单，可满足不同工程对外形的特殊需要。链式抱箍实物及应用3、内爬塔吊附墙支撑系统内爬塔吊的附墙系统是关系塔吊正常使用和安全的关键要素。特别对于大吨位的塔吊而言。在xx的实践中，创新设计和制造了斜拉式附墙系统。爬挂系统受力及结构图如上图所示，附墙系统由爬升梁，斜拉杆，水平杆构成。爬升梁为两块翼缘和两块腹板构成的箱型结构，斜拉杆为几段钢板连接而成，水平杆为钢管结构。爬升梁的通过一个双向铰结构连接到核心筒上，通过这个结构能释放掉梁结构的部分弯矩，改善爬升梁及核心筒预埋件的受力。塔吊自身配有的爬升框架通过高强螺栓连接到爬升梁上，承受塔吊载荷V的下框的爬升梁利用斜拉杆拉住。各框架通过水平杆拉紧，实现水平面上的固定。斜拉杆和水平杆的两端采用销轴分别连接到核心筒和爬升梁上。该系统在xx工程中取得了极大的成功。并被引入到西塔等重点工程中去。4、分体式整体提升平台系统整体提升钢平台结构作为一种施工竖向结构，特别是混凝土核芯筒结构的施工措施，由于具有整体性好、承载力高、封闭性好等特点，得到了越来越广泛的应用。但是当遇到从核芯筒伸出的劲性结构的长牛腿等先行安装的横向钢结构构件以及钢板剪力墙时，顶部的整体钢平台必然和这些构件产生叠合，而无法穿越。针对这类问题，开发了分体式整体钢平台系统，可以有效地解决这类问题。针对xx核芯筒设计的分体式整体提升平台系统如下图所示。其它情况可以参照本方法设计。它的主要原理是借用第三方支撑系统，将内外平台分体，以避开钢板剪力墙结构，同时方便进行劲性柱及牛腿的施工。钢平台分体示意图§4.3已发表研究论文序号题名刊物年.期1xx结构施工关键技术施工技术2009.32xx钢结构安装总体技术概述施工技术2009.33xx钢管混凝土的施工施工技术2009.34xx结构施工控制技术施工技术2009.45整体提升钢平台系统在xx核心筒施工中的应用施工技术2009.46xx外框筒钢结构温度监控施工技术2009.47大型外挂塔吊的应用及外挂系统的实测研究施工技术2009.48大体积混凝土一次性浇筑的管理施工技术2009.49xx核芯筒施工阶段收缩徐变研究施工技术2009.510xx大型倾斜柱脚施工工艺施工技术2009.511xx超高异型核芯筒施工技术施工技术2009.512地基流砂袖阀管双液化学灌浆加固在xx的应用施工技术2009.513xx工程核心筒顶上四层施工技术施工技术2009.614xx钢结构工程空中漫步道施工技术施工技术2009.615xx施工总承包质量管理实践探讨施工技术2009.616xx钢桁架组合楼板的施工技术施工技术20