北京某大型图书馆钢结构提升施工方案鲁班奖地面拼装整体提升.docx
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北京某大型图书馆钢结构提升施工方案鲁班奖地面拼装整体提升
一.工程概况
.建筑基本情况
建设单位:
工程名称:
建设地点:
建筑规模:
基地面积约,总建筑面积约;其中地上建筑面积:
,地下建筑面积:
;建筑高度:
;建筑层数:
地上层,地下层
工程地质勘察单位:
结构设计单位:
监理单位:
施工总承包单位:
方案参加编制单位:
.工程概况
****二期暨****工程由地下层和地上层组成,该大楼东西方向长,基座区宽,屋顶宽。
大楼屋顶高,基座顶高。
结构分成沉稳的基座部份和、层的钢结构部分,其特点是在建筑顶部两层采用大跨度巨型钢桁架体系。
其中一~二层采用钢筋混凝土框架-筒体结构体系,利用建筑垂直交通单元组成的六个钢筋混凝土筒体作为本建筑物主要抗侧力构件,三层以上采用巨型钢桁架这一新型结构体系,由根钢柱承受其重量,同时将个钢筋混凝土筒体升至屋面。
南北向设有榀巨型钢桁架(**),南北向巨型钢桁架之间设置四道柱间支撑构成东西向榀钢桁架,结构的整体性好。
主桁架的立柱、弦杆、腹杆均采用箱型截面。
钢板厚度主要为~,材质主要为,其中~向性能要求满足,大于板材向性能要求满足。
由于本工程钢结构体型巨大,单个杆件重量大,空中组拼难度较大。
为保证钢结构整体安装质量和精度,本工程总体施工方案采用逆作法施工,四层至顶层钢结构地面拼装完成后,再进行土方开挖,施工地下三层结构。
钢结构采用“地面拼装,整体提升”的施工方案,利用结构体系中的六个钢筋混凝土核芯筒做为主要提升平台。
为缓解施工进度压力,钢结构主要构件、、、、以及主悬臂梁、主连系梁在图书馆基础结构施工前,在地面拼装完成以后进行整体提升,一些次要构件在整体提升完毕以后,砼结构施工期间在空中穿插散拼。
最终确定整体提升重量约为吨。
主要施工流程见节钢结构施工工艺流程。
二.提升施工特点、难点分析及应对措施
2提升吊点的确定
本工程整体提升重量大,需提升结构面积广,钢结构构造复杂,杆件刚度差异较大,如何合理布置提升吊点,确保提升施工安全和被提升构件应力和变形在规范允许范围内,是本提升施工的方案的重中之重。
应对措施
应用计算机有限元计算分析软件,顺序模拟提升施工各工况,结合工程设计状况通过计算分析确定最佳提升吊点位置和提升吊点所需提升力。
提升重量重,提升结构面积大,安全性要求高
本工程总的提升重量达到吨,在国内以前的工程中还前所未有。
以前国内提升重量最重的是上海大剧院钢结构屋架整体提升工程,提升重量为吨;本工程提升钢结构的尺寸为×,面积约²,面积巨大。
应对措施
.多布置的吊点
根据结构的特点,通过计算分析使用六个核芯筒和四副门式钢架布置提升吊点,共布置个提升吊点;控制系统具有极高的同步控制性能。
.多使用的提升油缸
在个提升吊点上,共布置台提升油缸,其中台吨提升油缸,台吨提升油缸;所选用的控制系统具有较强的控制能力,足以控制台提升油缸和台液压泵站的协调动作。
.安全系数储备大
台提升油缸总体提升能力达到吨,提升油缸的整体安全储备系数为,钢绞线的安全系数为。
同一提升平台上各点的载荷在提升过程中波动较大
在同一核芯筒上,各吊点之间的距离近,结构刚度大,对位置同步控制极其敏感。
只要位置误差稍有差别,各点的负载将重新分配而发生较大的波动,可能引起结构的不安全。
应对措施
.采用位置同步与载荷分配相结合的控制策略
在计算机控制系统软件设计时,在每个核心筒各吊点之间采取负载分配同步控制策略,使提升结构在每个核心筒位置上各吊点的负载与理论计算基本一致。
位置同步与载荷分配相结合的控制框图见附图。
.选用高精度压力传感器
在每个提升吊点,选用高精度的压力传感器;这种压力传感器的测量精度在千分之五内。
.液压系统的保证
在使用的液压系统中,使用进口比例阀进行提升速度的控制。
使用这种电液比例阀,同步调节精度高。
、计算机控制系统的保证
本计算机控制系统控制精度高、控制能力强。
同步控制要求高
在提升过程中,各吊点之间的同步控制要求在内;同时,同一核心筒上各吊点的载荷要控制在与理论计算基本一致的范围内。
应对措施
、采用位置同步控制策略
在计算机控制系统软件设计时,在六个核心筒上个提升吊点之间采取位置同步同步控制策略,使提升结构的位置保证同步,同步误差控制在±之内,满足本结构的要求。
位置同步控制框图见附图。
、传感器系统的保证
在测量钢结构位置时,使用米长距离传感器。
在米的测量范围内,测量精度可达。
、液压系统的保证
在使用的液压系统中,使用进口比例阀进行提升速度的控制。
使用这种电液比例阀,同步调节精度高。
、计算机控制系统的保证
本计算机控制系统控制精度高、控制能力强。
.5整体下放距离长,下放就位精度高
根据施工工艺,在结构就位前,需要将结构整体下放。
下放过程中,钢结构需要准确落位到钢骨柱上,就位精度要求高。
整体提升是主动加载过程,整体下放是被动加载过程,一旦下放同步控制不好,将造成某点的负载超载而引起结构破坏;因此整体下放比整体提升难度更大,危险性更高。
对于本工程而言,吨结构、个吊点和台油缸整体下放,在国内外还从未有先例。
就位前的整体下放,是本工程的关键所在,必须采取措施予以安全保证。
应对措施
.采取位置同步与载荷分配相结合的控制策略
在控制系统中,采取位置同步与负载分配相结合的控制策略,以确保整体下放过程中各点之间的位置同步和载荷合理分配。
.高精度的传感器
使用高精度的长行程传感器和压力传感器分别测量钢结构位置和各点的载荷。
.提升油缸的保护
在提升油缸上,安装节流阀,控制提升油缸的缩缸速度,防止提升油缸失控,保证同步;安装溢流阀,控制提升油缸的负载,防止提升油缸超载。
.液压系统的保护
在使用的液压系统中,使用进口比例阀进行提升速度的控制。
使用这种电液比例阀,同步调节精度高。
.计算机控制系统的保证
本计算机控制系统控制精度高、控制能力强。
空中悬停时间长
钢结构提升到位后,需要在空中悬停天左右,进行其它工序施工;在其它工序施工完成后,再整体下放就位。
应对措施
.机械锁定
将负载转换到下锚上,提升油缸进入安全行程,锁定上锚。
另外在提升油缸下部增设安全锚具,确保安全。
.防风措施
在核心筒与桁架之间安装楔形块,防止晃动。
.提升塔架的安全
●提升塔架与核心筒采用桁架连接,以减小塔架长细比,提高塔架承载力;
●控制整体提升速度,避免提升结构晃动防撞塔架。
钢结构在提升过程中与核心筒间距近
钢结构在提升过程中,其桁架与核心筒之间的最小间距仅;要求提升设备的安装必须保证较高的定位精度。
应对措施
采取先依据轴线安装提升平台提升油缸埋件,后根据埋件实际位置向下投点准确定位提升吊耳位置,在进行焊接,确保提升地锚支架和提升油缸安装时的定位准确,二者的垂线误差小于。
三.提升施工总体部署
人员组织机构
.成立提升施工领导小组
.提升施工专业分包施工人员组织机构
项目下设结构计算组、提升监控组、技术顾问组、控制操作组、提升油缸组、液压泵站组、现场操作组、安全管理等部门。
钢结构施工工艺流程
钢结构施工工艺流程:
本工程钢结构提升施工以理论科学计算为依据,钢结构在提升工况下应力及变形、提升平台、提升塔架、提升吊耳等均以理论设计计算为依据。
经多方反复讨论,确定钢结构提升以核心筒为主要提升结构,提升吊点确定在钢结构主桁架上弦杆件节点处。
由于、轴桁架,重心超出核心筒范围,特在这两个桁架端部对称增设提升钢门式塔架辅助提升。
所以钢结构提升吊点共计个,经初算各提升吊点反力和拟采用提升油缸布置如下:
核芯筒
编号
钢桁架
编号
提升点
编号
提升点
反力
(单位)
提升油缸
布置
提升能力(单位:
)
油缸储备系数利用系数
钢绞线
安全
系数
核芯筒
-
-
×
×
×
×
×
×
核芯筒
-
-
×
×
×
×
×
×
核芯筒
-
-
×
×
×
×
×
×
核芯筒
-
-
×
×
×
×
×
×
核芯筒
轴上
-
×
×
×
×
轴上
-
×
×
×
×
核芯筒
轴上
-
×
×
×
×
轴上
-
×
×
×
×
合计
×
×
吊点布置及提升构件平面布置见附图~;提升油缸外形尺寸见附图。
提升设备布置
根据核心筒和钢结构的特点,在核心筒、核心筒、核心筒、核心筒上各布置、、、四个吊点,在核心筒、核心筒上各布置排、、六各吊点,共个提升吊点。
共采用台提升油缸、台液压泵站。
具体布置参见附图、、、、。
提升施工主要施工机械设备表
序号
机械或设备名称
型号规格
数量
国别产地
制造年份
额定功率()
生产能力
用于施工部位
备注
提升油缸
吨
中国
~
吨
提升
备用台
提升油缸
吨
中国
~
吨
提升
备用台
液压泵站
中国
~
提升
计算机控制柜
同步控制型
中国
提升
备用台
米长距离传感器
米
中国
提升
备用台
油压传感器
德国
提升
备用只
油缸行程传感器
中国
提升
备用台
锚具传感器
中国
提升
备用只
地锚锚具
吨
中国
~
提升
地锚锚具
吨
中国
~
提升
安全锚具
吨
中国
提升
安全锚具
吨
中国
提升
监控仪器
套
中国
提升监控
钢绞线
钢绞线选用低松弛高强度预应力钢绞线,强度等级,直径,符合国家标准。
设备性能表
千斤顶型号
吨
吨
配用泵站
型
额定提升吨位()
额定油压()
活塞行程()
流量(分钟)
活塞面积
质量()
额定油压()
外形尺寸()
**
外形尺寸()
Ø
Ø
钢绞线根数
穿心孔径()
提升速度(小时)
质量()
千斤顶安装尺寸
Ø
Ø
控制设备技术规格与要求。
控制系统配备多种先进的传感器,以检测提升过程中的系统状况。
序号
种类
工作电压
安装要求
重量
功能描述
主控柜
交流
无
处理传感器信号,发控制信号给泵站
米长距离
传感器
(泵站提供)
安装在提升吊点附近
实时测量
提升结构的空间位置
油压传感器
(泵站提供)
注意安装插头防止损坏
测量油缸的工作压力
油缸行程
传感器
(泵站提供)
做好防雨措施
实时测量油缸行程
锚具传感器
—
要安装可靠
检测油缸的锚具状态
四.提升施工理论计算分析
总体提升施工计算分析
(一)分析依据
.中华人民共和国国家及行业标准
《建筑结构可靠度设计统一标准》()
《建筑抗震设防分类标准》()
《建筑结构荷载规范》()
《混凝土结构设计规范》()
《钢结构设计规范》()
《建筑抗震设计规范》()
《建筑地基基础设计规范》()
《高层民用建筑钢结构技术规程》()
《型钢混凝土组合结构技术规程》()
《建筑地基处理技术规程》()
《地下工程防水技术规程》()
《高层建筑箱型与筏形基础技术规范》()
.北京市标准
《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》()
.《工程建设标准强制性条文》房屋建筑部分年版
.由****勘测设计研究院有限公司提供的《****二期暨****岩土工程地质勘察报告》
.风载荷
本工程的基本风压,风压高度变化系数根据地面粗糙度类别为类取值。
.地震相关参数:
本工程抗震设防烈度为度,设计基本地震加速度为,场地土类别为Ⅱ类,设计地震分组为第一组,场地特征周期为秒。
考虑到施工周期相对于设计使用年限较短,施工阶段抗震验算时取年一遇的地震烈度值进行验算。
.施工阶段温差取值:
摄氏度
.计算程序
由于本工程结构的特殊性与复杂性,采用复杂建筑结构有限元分析软件进行整体分析计算。
按振型分解反应谱法计算,并且考虑扭转藕联振动的影响。
对提升平台结构,同时采用三维空间有限元分析软件进行校核分析计算,结构设计时取两种程序计算结果的包络值,确保安全可靠。
另外,对于重要的提升主梁等关键构件,再采用理正工具软件进行计算复核。
(二)计算分析采用的施工阶段工况介绍
工况:
钢结构地面拼装完成后基坑开挖完毕,基础底板尚未施工前的工况。
此时,钢屋架搁置在支撑桩上,计算模型中支撑桩一端为铰接,一端为刚接。
工况:
提升过程中的工况。
此时,六个核心筒及提升平台已施工完毕,钢屋架悬吊在提升平台上,吊杆两端铰接。
工况:
提升完毕后搁置于提升平台上的工况。
此时钢屋架搁置在提升平台上,混凝土结构已施工至地下一层。
工况:
提升施工结束,型钢柱安装完成,混凝土层结构上为施工的工况。
此时钢屋架的自重通过根型钢柱向下传递,计算模型中型钢柱下端为刚接。
各工况均进行了竖向荷载、水平地震作用、风载荷等荷载工况的分析,其中工况、、还进行温度作用的分析。
(三)施工阶段温差取值
温差取值依据及说明:
()说明:
()各项温度取值基本数据均来自中国气象局气象信息中心统计的北京地区~年“典型气象年逐时参数”。
()考虑到施工周期相对于气象参数统计年限较短,季节温差未取用年一遇夏季极端最高温度(℃)与年一遇冬季极端最低温度(-℃)的差值(℃);也未取用年一遇夏季极端最高温度平均值(℃)与年一遇冬季极端最低温度平均值(-℃)的差值(℃);
()虽然结构构件表面温度与环境温度存在延迟效应,计算时假定该延迟效应对温差相对值影响很小,可以忽略。
()昼夜温差取“日干球温度”中“日最高温度(℃)”与“日最低温度(℃)”的差值;
()季节温差取施工时间段内“最热月干球温度”中“日最高温度(℃)”与“最冷月干球温度”中“日最低温度(℃)”的差值;
根据拟定的施工总进度计划,各工况对应的施工时间段及对应的昼夜温差、季节温差取值如下:
工况:
基坑开挖完毕,基础底板尚未施工前的工况。
此时,钢屋架搁置在支撑桩上,计算模型中支撑桩一端为铰接,一端为刚接。
施工时间段:
~;昼夜温差最大值:
℃(月日);季节温差最大值:
℃(月日℃,月日-℃)
工况:
提升过程中的工况。
此时,六个核芯筒及提升平台已施工完毕,钢屋架悬吊在提升平台上。
吊杆两端铰接。
施工时间段:
~;昼夜温差最大值:
℃(月日)
工况:
提升完毕后搁置于提升平台上的工况。
此时,钢屋架搁置在提升平台上,混凝土结构已施工至地下一层,六个核芯筒及提升平台已施工完毕。
施工时间段:
~;昼夜温差最大值:
℃(月日);季节温差最大值:
℃(月日℃,月日℃)
工况:
提升完毕,型钢柱安装完成,混凝土层结构尚未施工的工况。
此时,钢屋架的自重通过根型钢柱向下传递,计算模型中型钢柱下端为刚接,为保证根型钢柱形成的钢框架结构体系具备一定的抗侧刚度,在层各层楼面标高处用型钢梁把他们连系起来。
施工时间段:
~;昼夜温差最大值:
℃(月日);季节温差最大值:
℃(月日℃,月日-℃)
另外,施工阶段还要考虑两个温度作用较为不利的工况:
工况:
提升完毕,型钢柱安装完成,浇筑根型钢柱外围混凝土,使得根型钢混凝土柱与核芯筒形成整体的阶段。
该阶段核芯筒已对钢屋架形成约束,可能产生一定的温度应力,需验算各相关结构构件的承载力。
施工时间段:
~;昼夜温差最大值:
℃(月日);季节温差最大值:
℃(月日℃,月日-℃)
工况:
四层~屋面层组合楼盖结构施工完毕,至建筑围护结构施工完毕,整个钢屋架部分形成室内环境的阶段。
该阶段核芯筒、楼面结构等对钢屋架的约束完全形成,由于仍处于室外暴露环境,在温度作用下,可能产生较大的温度应力,需验算各相关结构构件的承载力。
施工时间段:
~;昼夜温差最大值:
℃(月日);季节温差最大值:
℃(月日℃,月日-℃)
)施工阶段各工况温差取值表
施工时间段
昼夜温差
季节温差
备注
工况
~
℃
℃
工况
~
℃
-
工况
~
℃
℃
工况
~
℃
℃
工况
~
℃
℃
工况
~
℃
℃
另外:
().钢屋架就位(与根型钢柱完成对接)宜在接近使用阶段温度(即空调设计温度℃~℃)时进行。
()工况:
若施工时间段缩短为:
~;昼夜温差最大值:
℃(月日);季节温差最大值:
℃(月日℃,月日-℃)
若施工时间段缩短为:
~;昼夜温差最大值:
℃(月日);季节温差最大值:
℃(月日℃,月日-℃)
若施工时间段缩短为:
~;昼夜温差最大值:
℃(月日);季节温差最大值:
℃(月日℃,月日-℃)
从温差来看该工况施工时间段尽量缩短,同时采取其它有助于减小温差的措施。
(四)其他理论计算分析条件
1.假定提升开始时,六个核芯筒已施工至屋面。
其中,一层(设计标高-)以下的核芯筒(含根型钢混凝土柱)按原设计施工图施工完毕;一层~三层(设计标高-~)的核芯筒(不含根型钢混凝土柱)施工完毕。
其他部分按原图施工;三层以上的核芯筒按原设计施工图施工完毕。
同时,在原设计核芯筒顶面标高以上(比原设计顶标高高)增设的提升平台也施工完毕。
2.提升点布置如下:
主钢桁架、在桁架节点位置分别设置个提升点;主钢桁架除在桁架节点位置设置个提升点外,在靠近桁架悬挑端位置增设两个提升点,增设提升点的竖向力通过提升横梁传至提升塔架,再由提升塔架传至桩基础,提升塔架采用截面×的钢格构柱。
3.提升平台采用钢筋混凝土梁板结构。
部分受力较大的提升主梁采用型钢混凝土梁,与其相连的核芯筒端柱内设构造钢骨。
详见提升平台结构施工图。
4.提升总重量约吨(不含提升设备自重),即钢屋架自重。
未计入施工阶段活荷载。
5.提升总高度约。
(五)计算分析结论:
1.施工阶段,在竖向荷载作用下,六个核芯筒的承载力、压缩变形均满足规范要求。
2.施工阶段,在风荷载作用下,六个核芯筒的承载力及整体位移值均满足规范要求。
3.施工阶段,在地震作用下,六个核芯筒的承载力及整体位移值均满足规范要求。
4.提升过程中钢屋架结构构件的承载力及变形满足规范要求。
5.提升过程中提升平台结构构件的承载力及变形满足规范要求。
6.计算分析表明,提升平台的刚度对竖向荷载反力在各个提升点之间的分布有较大影响,各个提升点的反力值会随着提升平台的刚度的变化而重新分配。
选用提升设备时,应考虑上述因素,留有充分的安全储备。
7.工况温度作用下结构内力与变形均较大(角点向水平位移达),工况、温度作用下结构变形较大(角点水平位移达),工况温度作用下结构变形较大(角点水平位移达)(钢屋架未与核芯筒可靠相连时)。
8.工况、工况(两个温度作用较为不利的工况)由于季节温差较大,产生的温度应力也较大,根据计算分析结果,除采取以下措施:
即三层混凝土楼板连成整体,二层及二层以下的后浇带待围护结构形成室内环境后封闭以外,尚应采取有效的减小季节温差及温度应力的措施。
9.在提升过程中,对钢屋架结构各提升点的载荷及位移偏差应当有实时监测手段,并能够集中监视和控制;所有提升点的载荷及位移偏差应当在设计允许范围之内。
(六)主要计算分析结果摘录
1.提升点平面布置图(见附图)
2.提升点立面布置图(见附图~)
3.理想水平条件下提升点反力表(表)
4.施工阶段结构整体分析总信息一览表(表)
表提升点反力表
核芯筒编号
钢桁架编号
提升点编号
提升点反力
(单位:
)
提升平台结构安全系数
核芯筒
-
-
核芯筒
-
-
核芯筒
-
-
核芯筒
-
-
核芯筒
轴上
-
轴上
-
核芯筒
轴
上
-
轴上
-
注:
此表是经详细计算后得出,与初步验算时不尽一致。
表施工阶段结构整体分析总信息一览表
电算数据
工况
工况
工况
工况
自振周期(秒)
(考虑耦联)
剪重比
向
%
%
%
%
向
%
%
%
%
最大层间相对位移
风
向
/
/
/
/
向
/
/
/
/
地震
向
/
/
/
/
向
/
/
/
/
提升工况计算分析
(一)计算依据
《建筑结构荷载规范》()
《钢结构设计规范》()
华东院钢结构设计图纸:
结施结施,节点详图
总包提升构件平面布置图
计算分析程序:
、。
(二)计算分析内容
.提升吊点设计计算;
.提升钢塔架验算;
.采用不同支座条件下模型的支座反力计算分析;
.整体提升时形支撑柱位移及恢复力计算分析;
.某一提升吊点油缸退出工作时力的分配计算分析;
.各提升吊点之间的相对刚度统计计算分析;
.采用钢绞线模拟支座时各提升吊点相对点允许最大位移计算分析;
.钢屋架提升过程桁架应力计算;
(三)计算分析结论
.本工程提升吊点吊耳板共计采用个,其中×吊耳个;吊耳个,×吊耳个;×吊耳个;×吊耳个。
经计算分析均满足规范要求。
提升吊耳设计图见附件:
同济大学建筑设计研究院提升吊点设计图。
.提升钢塔架经验算满足规范要求。
提升塔架设计图见附件:
提升塔架布置图
.不同支座条件下模型的支座反力计算,共分析三种模型。
经过反复分析对比,可以发现采用不同的边界条件模拟油缸整体提升模型的支座形式,支座反力会有差别。
本次分析采用了三种边界条件来模拟实际提升时的支座情况,分别为:
()各提升点采用三向固定支座(即限制提升点、、向的平移,不限制转角);()点采用三向固定支座,点采用单向(限制向位移)支座;()各提升点采用模拟钢绞线形式。
即各个提升点采用一段长度为的圆钢,圆钢直径和弹性模量的选用分别按照实际的钢绞线的总面积和钢绞线的弹性模量。
模型只考虑了倍的自重(实际载荷情况)。
采用不同支座形式的模型的支座反力如下表。
表不同支座形式的模型的支座
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