巨型钢结构连廊吊装技术.pdf

巨型钢结构连廊吊装技术 1/9 巨型钢结构连廊吊装技术 日期：2007-04-23 来源：钢结构之窗 作者：字体：大 中 小 提要 本文叙述了杭州市市民中心钢结构连廊的吊装及相关制作等技术。关键词 钢结构连廊 液压提升 同步滑移 液压下降 杭州新世纪标志性建筑杭州市市民中心工程的六座高楼巍然屹立在钱塘江边，2007 年2 月 7 日，备受关注的，由杭州大地网架制造有限公司制作安装的第一座重达 650 吨巨型箱形钢桁架连廊，一次成功吊装至 92m 标高，为我国建筑钢结构施工开创了新的一页。如图 1 为该连廊成功就位后的照片 一、工程概况与结构特点 工程概况：杭州市市民中心主体工程为 6 幢弧形塔楼。地下 2 层，地上 26 层，在 2324 层（标高 84.692.0m）处设有环形钢结构连廊，6 幢塔楼通过 6 座连廊连成整体，6 座连廊总建筑面积约 6896 平方米。钢结构连廊位置见下图 2。结构特点：钢结构连廊结构形式为一座高达 8.1 米的巨型弧形钢桁架。六座钢连廊有两种规格：R1、R4 钢连廊外环桁架跨度 57.280m，内环桁架跨度 47.012m，连廊总宽度为 20.97m。重达 650t，R2、R3 R5、R6 钢连廊外环桁架跨度 34.060m，内环桁架跨度 27.954m，连廊总宽度为 19.7m。重达 360t，以下图 3 是 R1 的三维模型。钢结构连廊主体骨架由两榀大跨度弧形桁架、五榀横向桁架构成、楼层及屋顶平面由交叉布置梁组成。桁架构件为箱形截面，部分梁采用 H 型钢，材质为 Q345B。最大的构件截面为60040035。本文主要以 R1 的吊装为例叙述。二、吊装方案综述 因钢结构连廊的安装高度有 91.8m，而且构件众多自重较大，采用高空散装在质量上难以保证，且如此高度的脚手架更是难以想象。因此这种安装方案不在考虑之列。考虑到连廊的安装是在主体结构封顶后进行。因此，将完工的主体结构作为吊装的受力体是非常自然的。再通过采用超大型液压同步提升技术将钢结构连廊整体提升到位。这样的做法无论从提升的标高，还是提升的重量上，在国内已有很多成功的例子。但是，针对本工程而言，由于钢结构连廊是搁置在两栋主体结构之间的，也就是说，连廊沿环向的长度大于两栋主体建筑物之间的净距离。这样，若按常规方法进行原位提升，势巨型钢结构连廊吊装技术 2/9 必要对连廊主体在高空进行一次拼接。为了避免高空拼接，我们根据本工程的特点设计出另一种调整方案。由本工程的平面布置图可以看出，钢结构连廊所处的位置是一个扇形区域，外环净距尺寸大于内环。由此，我们将连廊的组装地点由原平面位置向外环移动的话，那么可以做到环向不分割而整体的在地面拼装，垂直提升至设计标高以上后，进行一次径向平移就可以达到原来的平面位置。这样，加了一个液压同步滑移动作，就可以避免了高空拼接。由此，本工程的施工方案就成了：“地面整体拼装，液压同步提升，高空同步滑移，液压下降就位”。如图 4 中虚线为滑移前连廊的轮廓线，实线为就位后的轮廓线。三、技术重点 为了实现上述的整体吊装思想，需要解决以下几个问题，这也就是本工程的技术重点。1、深化设计加工制作 考虑到运输及现场情况，我们将运输单件分段长度控制在 20m 以下，重量控制在 20t 以内，在这样的原则下，对最重要的内外环桁架，在环向分为三段，沿高度方向分为两段，现场拼接设在中层弦杆的上表面。这样，中弦杆下腹杆及下弦杆成为一个运输单元，而且容易保证上腹杆与中弦杆的对接精度，如图 5 是外环桁架图，虚线是分段位置处。在加工制作工艺上，由于工程中主要构件均为箱形截面，而且，汇交节点处受力复杂，对主弦杆箱形截面内加劲的要求颇高。因此，我们采用了熔嘴电渣焊工艺。具体在加劲板与箱形截面的两条对称垂直焊缝中采用。如图 6 所示。2、拼装 由于拼装现场的地下室顶板在设计过程所考虑的荷载未及我们现场拼装荷载，因此是无法上起重设备的。为解决这个问题，仍然要利用两边的主体建筑物，将固定滑轮组，安装在84.0m 标高上，通过地面卷扬机牵引来解决构件拼装定位的问题。如图 7 所示。当然，对拼装位置及构件短驳滑动轨道下的地下室顶板结构仍需要作适当的加固处理。3、吊装平台 钢结构连廊的最终位置是与主体建筑的 23 层25 层对应，因此，我们将吊装平台设在顶层。通过两个悬挑支架，架设提升滑移箱形大梁。对应每个吊点设一个平台，共四个吊点，因此，有 16 个支架，平面布置如图 4。支架与主楼的钢筋混凝土框架柱连接，采用前后扣合式的钢抱箍节点，扣合点用高强螺栓连接。支架结构如图 8。巨型钢结构连廊吊装技术 3/9 提升滑移大梁采用并排两个箱形梁。提升的钢绞线从中间穿过。箱形梁与平台横梁采用可靠连接，两箱梁之间也采用可靠连接以保证协调工作。为了给提供滑移动力的爬行器提供反力座，我们在两个箱形大梁上翼缘的外侧特制成锯齿形。4、吊装验算 吊装过程是一个复杂的系统性工程，因此涉及面比较广，需要进行验算复核的环节也比较多。首先是吊点位置的确定，由于连廊平面是扇形的，通常选择吊点位置的原则，它是尽量使各吊点受力均衡，结构稳定。但是，结合本工程现场具体条件，我们将吊点的平面位置选在连廊使用阶段受力支座处，不过是在上弦处，共四个吊点。通过对吊装工况进行分析得出，外环两个吊点每个吊点的反力约为 230t，内环两个吊点每个吊点反力约 120t，连廊结构本身在吊装工况下，最大挠度为 28.14mm，是跨度的 1/2054。构件的应力比仅为 0.31，满足要求。其他的结构验算内容这里不一一详细陈述，下面按力的传递路径由下而上列出所计算的条目：（1）连廊吊点的节点验算；（2）吊点的吊具验算；（销轴，耳板等）（3）提升滑移大梁受力分析，包括移动过程中竖向最大的位置时受力情况，还有滑移过程中反力座对锯齿形翼缘剪力的验算；（4）吊装平台支架受力分析；（5）吊装支架与主楼框架柱的连接抱箍节点验算；（6）吊装滑移对主楼框架柱的影响计算；（7）吊装过程对整个主楼建筑物的影响分析等等。5、液压提升，滑移设备：液压提升（滑移）系统主要由液压提升器，液压爬行器，泵源系统，传感检测及计算机同步控制系统组成。根据吊装结构分析所得的吊点反力，我们在外环每个吊点采用两台 TJJ-2000 型液压提升器，在内环每个吊点采用一台 TJJ-2000 型液压提升器，总的提升能力为 1200t，满足要求。滑移底座与提升滑移大梁之间的摩擦面，通过除锈、打磨并涂抹黄油，对总重 650t 的连廊而言，最大摩擦力为 130t，采用 4 台 TJG-1000 型液压爬行器，总的推进能力为 400t，满足要求。配置两台 60kw 液压泵站，另有电气同步控制系统。巨型钢结构连廊吊装技术 4/9 6、液压提升滑移控制的关键 为确保钢结构连廊在提升及滑移过程中的绝对安全，我们采取以下一些关键措施：（1）控制同步性，设置三个同步吊点，计算机控制系统会根据三点的结构差值来控制整个提升过程中的同步性。（2）提升时的加载和下降就位时的卸载均采用分级机制，以理论提升荷载为依据，依次为 40，50，60，70，80，在确认各部分无异常的情况下，可继续加载或卸载到90，100。直至钢连廊结构全部离胎模或荷载完全转移至支座上。（3）离地检查的试提升，因为，整个系统的可能缺陷一般都暴露在开始阶段，所以钢连廊结构离地后，停留 424 小时作全面检查（包括吊点结构，承重体系和提升设备等），各项检查正常无误，再正式提升。经过两天紧张有序地工作，杭州市市民中心的第一段钢结构连廊 R1 终于如愿地成功就位，从中我们也可以看出，“大型钢构件的液压同步提升以及高空同步滑移施工技术”有着不可替代的优点：提升器设备小，安装方便；控制的精确性能够得到保证，从而施工的安全性得到充分保证；提升及滑移过程稳定，动荷载小，对付着结构及所提升的结构影响很小等等。因此，值得在钢结构安装领域，尤其在吨位大，安装高度高的条件下大力推广。巨型钢结构连廊吊装技术 5/9 大型构件液压同步提升技术的特点与应用 来源:本站|时间:2006-3-21 16:28:12 【大 中 小】打印 广东工业大学机电系 陈 健 同济大学机械学院 徐鸣谦 摘要：本文叙述了大型构件液压同步提升技术的特点，介绍了在我国的应用及今后的发展方向。关健词：大型构件；计算机控制；同步提升 1 引言 大型构件液压同步提升技术是一项新颖的建筑施工安装技术。它与传统的提升方法不同，采用柔性钢铰线或刚性立柱承重、液压提升器集群、计算机控制、液压同步提升新原理，结合现代化施工方法，将成千上万吨的构件在地面拼装后，整体地提升到预定高度安装就位。在提升过程中，不但可以控制结构件的运动姿态和应力分布，还可以让结构件在空中长期滞留和进行微动调节，实现倒装施工和空中拼接，完成人力和现有设备难以完成的施工任务，使大型构件的起重安装过程既简便快捷，又安全可靠。2 液压同步提升系统的结构 大型构件液压同步提升系统的核心是一套液压提升设备。它主要由柔性钢铰线或刚性支架承重系统、电液比例液压控制系统、计算机控制系统及传感器检测系统组成，如图1 所示。被提升结构件的水平度、液压提升油缸的位置、系统压力及温度等参数通过相应的高差、位置或压力传感器转换为电信号输入到计算机控制系统，并经计算机和可编程控制器(PLC)处理、判断，发出相应的控制命令或一定的控制信号，以满足提升过程的精度和可靠性要求，最终完成给定的提升任务。图 1 液压同步提升系统组成 由于提升对象具有大负载、超高空的施工要求，就使得承重系统不但要有足够大的承载能力，而且要有足够长的承重索具，为此，要采用抗拉强度大、单根制作长度较长的柔性钢铰线作为承重索具；采用承载能力大、自重轻、结构紧凑的液压提升器作为提升机具1。液压提升器的结构如图 2 所示，它由提升主油缸和位于两端的锚具构成。锚具因提升器直立放置，分别简称为上锚具和下锚具。锚具由楔形夹具和一个控制夹具动作的锚具油缸组成。它们通过楔形夹具的单向自锁作用夹紧钢铰线，而松开锚具则要通过提升主油缸和锚具油缸的配合才能打开。承重系统提升力是通过提升器主油缸大腔进油产生的。巨型钢结构连廊吊装技术 6/9 图 2 液压提升器结构图 液压同步提升系统是一种现场拼装式的大型起重安装设备，为了适应各种大型构件的起吊要求，液压系统采用了紧凑的集成化结构设计和灵活的模块化结构设计方法，以满足系统不同方式的扩展要求。3 大型构件液压同步提升技术的特点 (1)提升构件的重量、提升高度不受限制。由于提升吊点数可以扩展，提升器集群数不限，单根钢铰线长度可达数千米，因此可将超大型构件整体同步地提升到很高的高空就位；并由于楔形夹具的自锁作用，构件可在空中任意位置长期、可靠地锁定。(2)自动化程度高。整套提升设备采用计算机控制，能够全自动地完成同步升降、负载均衡、姿态校正、参数显示及故障报警等多种功能。此外，手动、顺控、自动及单动、联动等多种操作方式十分适应于现场施工作业。(3)控制模式完备。液压提升设备并不象其他起重设备那样仅仅是作简单的构件提升，而是能够根据不同的提升对象和施工要求，在提升过程中进行构件的姿态调整和(或)应力控制，乃至实现多目标复合控制。(4)设备体积小，起重/自重比大。与相同起重量的其他起重设备相比，液压提升设备的体积仅为它们的1/51/10，而提升重量却能够达到其自重的 50 倍或更大，这就有可能进入其他起重设备无法进入的狭小空间或高空、地下等施工场合进行起重安装作业。(5)安全可靠性好。为确保提升工程绝对安全，对系统的安全可靠性作了周密考虑。采用信号冗余传感技术、控制系统电磁兼容技术、控制软件抗干扰技术、误操作闭锁、液压系统爆裂自锁和楔形夹具逆向运动自锁等一系列措施，有效地避免了事故的发生。(6)适应性、通用性强。提升系统采用了模块化、集成化和程序化设计，使液压系统、电气系统中的模块单元可以灵活组合，以适应不同的施工要求；系统结构紧凑，适合在狭小空间作业，也给设备本身的运输和现场安装布置带来方便；硬件功能的软件化，只要通过更改软件就能够满足不同系统的提升要求。4 大型构件液压同步提升技术的应用及发展方向 在我国，这项技术从八十年代末开始，先后应用于上海石洞口第二电厂和外高桥电厂六座 240m 钢内筒烟巨型钢结构连廊吊装技术 7/9 囱倒装施工、上海东方明珠广播电视塔钢天线桅杆整体提升、北京西客站主站房钢门楼整体提升、北京首都机场四机位机库网架屋面提升以及上海大剧院钢屋架整体提升等一系列重大建设工程中，获得了巨大成功。上海东方明珠广播电视塔钢天线桅杆全长 118 米，总重 4.5MN，采用了柔性钢铰线承重、顶升液压缸沿钢铰线集群爬升的构件提升方案2。以 15.2mm 柔性钢铰线作为承重索具，120 根钢铰线从标高 350m 的混凝土塔顶平台挂到地面，20 只 400kN 的液压提升器分别布置在钢天线桅杆根部段四侧，托着一百多米的天线桅杆，沿着120 根钢铰线同步向上攀升。钢铰线平均负载为37.5kN/根；计算机控制系统采用 MCS-96 系列单片机与 FX-2 可编程控制器组成的控制系统，同时控制天线桅杆的垂直度和钢铰线的负载均衡，这一多目标控制策略保证了庞大天线桅杆的平稳提升。又由于提升器楔形夹片的逆向运动自锁作用，使提升过程十分安全可靠；锚具的主动松紧，又解决了提升器带载下降问题。在解决了这一系列技术关键之后，钢天线桅杆经80 余小时、350m 的连续提升，使其顶端达到 468m 的高度。众多的工程实践证明，液压同步提升技术是一项具有良好应用前景的新技术。根据目前的发展情况，它将在以下两方面得到发展：(1)完善液压同步提升技术本身。到目前为止，所有工程均以垂直向上的重载提升工况为主，极少带载下降工况，更无负载平移或旋转，发展这些作业工况，使之成为多向同步技术，则将适应更多的施工场合；此外，减少提升准备工作量，改目前的间歇提升为连续提升，则施工周期还将进一步缩短。(2)拓展应用领域，除构件同步提升外，液压同步提升技术还可用于建筑施工的其他方面，如滑模施工，地下排管乃至建筑物整体平移都是有可能应用的领域；此外，还可将液压同步提升技术作为机械作业功能的一部分，用于建筑施工固定设备上。5 结束语 大型构件液压同步提升技术的出现，适应了当前建设事业蓬勃发展的需要，是高新技术改造传统施工技术的重大突破。它以新颖的设计构思、独特的施工方法、高超的自动化程度和良好的安全可靠性赢得了重大工程的应用，并将在更广泛的领域获得推广。一、项目简介 液压同步提升技术是一项新颖的建筑构件提升安装施工技术，它一反传统的提升方法，采用柔性钢绞线或刚性立柱支承，提升器集群，计算机控制，液压同步提升新原理，结合现代化施工工艺，将成千上万吨的构件在地面拼装后，整体提升到预定高度安装就位，实现大吨位、大跨度、大面积的超大型构件超高空整体同步提升。二、应用实例 这项技术从八十年代末开始，先后应用于上海石洞口电厂和外高桥电厂六座 240 米钢烟囱顶升，上海东方明珠广播电视塔 450 吨钢天线桅杆整体提升，北京西客站主站房 1800 吨钢门楼整体提升，北京首都机场四机位库和乌鲁木齐机场二机位库大型钢屋架提升以及上海大剧院 6075 吨钢屋架整体提升等一系列重大建设工程，获得了巨大成功，取得了显著的经济效益和社会效益。工程实践证明，它是一项极具应用前景的技术。三、前景预测 液压同步提升技术的核心设备采用计算机控制，全自动完成同步升降、负载平衡、姿态校正、应力控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种功能，是集机、电、液、传感器、计算机和控制论于一体的现代化先进设备。巨型钢结构连廊吊装技术 8/9 液压同步提升技术具有以下特点：1、通过提升设备扩展组合，提升重量、跨度、面积不受限制；2、采用柔性索具，只要有合理的承重吊点，提升高度不受限制；3、提升器锚具具有逆向运动自锁性，使提升过程十分安全，并且构件可在提升过程中的任意位置长期可靠锁定；4、设备体积小，自重轻，承载能力大，特别适宜于狭小空间或室内进行大吨位构件提升；5、设备自动化程度高，操作方便灵活，安全性好，可靠性高，适应面广，通用性强。液压同步提升技术的出现，适应了当前建设事业的蓬勃发展，是高新技术改造传统施工技术的重大突破，它以新颖的设计构思，独特的施工方法，完备的自动化功能和良好的安全可靠性，赢得了重大工程的应用，并将在更广泛的施工领域内获得推广。液压提升器结构 一种现场拼装式的大型起重安装设备，为了适应各种大型构件的起吊要求，液压系统采用了紧凑的集成化结构设计和灵活的模块化结构设计方法，以满足系统不同方式的扩展要求。3 大型构件液压同步提升技术的特点 (1)提升构件的重量、提升高度不受限制。由于提升吊点数可以扩展，提升器集群数不限，单根钢铰线长度可达数千米，因此可将超大型构件整体同步地提升到很高的高空就位；并由于楔形夹具的自锁作用，构件可在空中任意位置长期、可靠地锁定。(2)自动化程度高。整套提升设备采用计算机控制，能够全自动地完成同步升降、负载均衡、姿态校正、参数显示及故障报警等多种功能。此外，手动、顺控、自动及单动、联动等多种操作方式十分适应于现场施工作业。(3)控制模式完备。液压提升设备并不象其他起重设备那样仅仅是作简单的构件提升，而是能够根据不同的提升对象和施工要求，在提升过程中进行构件的姿态调整和(或)应力控制，乃至实现多目标复合控制。(4)设备体积小，起重/自重比大。与相同起重量的其他起重设备相比，液压提升设备的体积仅为它们的 1/51/10，而提升重量却能够达到其自重的 50倍或更大，这就有可能进入其他起重设备无法进入的狭小空间或高空、地下等施工场合进行起重安装作业。(5)安全可靠性好。为确保提升工程绝对安全，对系统的安全可靠性作了周密考虑。采用信号冗余传感技术、控制系统电磁兼容技术、控制软件抗干扰技术、误操作闭锁、液压系统爆裂自锁和楔形夹具逆向运动自锁等一系列措施，有效地避免了事故的发生。(6)适应性、通用性强。提升系统采用了模块化、集成化和程序化设计，使液压系统、电气系统中的模块单元可以灵活组合，以适应不同的施工要求；系统结构紧凑，适合在狭小空间作业，也给设备本身的运输和现场安装布置带来方便；硬件功能的软件化，只要通过更改软件就能够满足不同系统的提升要求。4 大型构件液压同步提升技术的应用及发展方向 在我国，这项技术从八十年代末开始，先后应用于上海石洞口第二电厂和外巨型钢结构连廊吊装技术 9/9 高桥电厂六座 240m 钢内筒烟囱倒装施工、上海东方明珠广播电视塔钢天线桅杆整体提升、北京西客站主站房钢门楼整体提升、北京首都机场四机位机库网架屋面提升以及上海大剧院钢屋架整体提升等一系列重大建设工程中，获得了巨大成功。上海东方明珠广播电视塔钢天线桅杆全长118 米，总重 4.5MN，采用了柔性钢铰线承重、顶升液压缸沿钢铰线集群爬升的构件提升方案2。以15.2mm 柔性钢铰线作为承重索具，120 根钢铰线从标高 350m 的混凝土塔顶平台挂到地面，20 只 400kN 的液压提升器分别布置在钢天线桅杆根部段四侧，托着一百多米的天线桅杆，沿着 120 根钢铰线同步向上攀升。钢铰线平均负载为 37.5kN/根；计算机控制系统采用 MCS-96 系列单片机与 FX-2 可编程控制器组成的控制系统，同时控制天线桅杆的垂直度和钢铰线的负载均衡，这一多目标控制策略保证了庞大天线桅杆的平稳提升。又由于提升器楔形夹片的逆向运动自锁作用，使提升过程十分安全可靠；锚具的主动松紧，又解决了提升器带载下降问题。在解决了这一系列技术关键之后，钢天线桅杆经 80 余小时、350m的连续提升，使其顶端达到 468m 的高度。众多的工程实践证明，液压同步提升技术是一项具有良好应用前景的新技术。根据目前的发展情况，它将在以下两方面得到发展：(1)完善液压同步提升技术本身。到目前为止，所有工程均以垂直向上的重载提升工况为主，极少带载下降工况，更无负载平移或旋转，发展这些作业工况，使之成为多向同步技术，则将适应更多的施工场合；此外，减少提升准备工作量，改目前的间歇提升为连续提升，则施工周期还将进一步缩短。(2)拓展应用领域，除构件同步提升外，液压同步提升技术还可用于建筑施工的其他方面，如滑模施工，地下排管乃至建筑物整体平移都是有可能应用的领域；此外，还可将液压同步提升技术作为机械作业功能的一部分，用于建筑施工固定设备上