整体钢平台模架装备液压同步顶升性能分析.pdf

整体钢平台模架装备液压同步顶升性能分析 龚剑’ 李增辉 施雯钰’ 徐磊 1 ． 上海建工集团股份有限公司 上海2 0 0 0 8 0 ；2 ． 上海建工一建集团有限公司 上海2 0 0 1 2 0 摘要创新的筒架与筒架交替支撑式液压爬升整体钢平台模架装备，适用于复杂结构超高建筑的建造，该套装备由五 大系统组成。以上海中心大厦的建造为背景，对其动力系统的设计进行了研究。建立了有限元分析模型对各阶段爬升 工况进行了计算分析。计算结果显示，结构的受力及变形都满足要求 ，同时因模型结构动力特性合理不会产生风振效 应，顶升过程中的同步性效果较好。在实施过程中，亦通过实时监控对异常进行人工干预措施，取得了良好的效果。 关键词整体钢平台 模架装备 同步顶升 液压油缸 有限元 中图分类号 T U 7 5 5 ．2 文献标识码 B 文章编号1 0 0 4 1 0 0 1 2 0 1 4 0 4 - 0 3 7 8 0 6 An a ly s i s o f Sy n c h r o n iz e d J a c k i n g Pe r f o r ma n c e o f Sc a ff o l d i n g S y s t e m wit h I n t e g r a l St e e l Pl a t f O m1 Gon g Ji a n’L i Zen gh ui ’ Shi W en y u’Xu L ei 1 ． Sh a n g h a i Co n s t r u c t i o n Gr o u p Co ． ， L t d ． S h a n g h a i 2 0 0 0 8 0 ； 2 ． S h a n g h a i C o n s t r u c t io n N o ． 1 G r o u p C o ． ， L t d ． S h a n g h a i 2 0 0 1 2 0 Ab s t r a c t A n e w e q u i p me n t o f s e l f - c l i mbi n g s c a ff o l d i n g wi t h i n t e g r a l s t e e l p l a tf o r m i s d e v e l o p e d f o r t h e c o n s t r u c t i o n o f h i g h - r i s e b ui ldi n g wi t h c omp l e x s t r u c t ur e． Th i s s e t o f e q u i p me n t i s c omp o s e d o f f iv e s y s t ems ．Ba s e d o n t h e c o n s t r u c t i o n o f S h a n g h a i T o we r , t h e d e s ig n o f t h e s c a ff o ld in g e q u i p me n t ’S s y n c h r o n i z e d j a c k i n g is s t u d i e d i n t h i s p a p e r ． F i n i t e e le me n t mo d e l s a r e e s t a b li s h e d f o r t h e a n a l y s i s o f t h e e q u i p me n t ’ S s y n c h r o n iz e d j a c k i n g i n d if f e r e n t c l i mb i n g c o n d it i o n s ． Th e c a l c u l a t io n r e s u l t s s h o w t h a t t h e s t r e s s a n d d e f o r ma t ion o f t h e s t r u c t u r e me e t t h e r e q u i r eme n t s ， whil e a t t h e s ame ， t h e wi n d i n du c e d v i b r a t i o n o f t h e s c a ff o l d i n g s y s t e m c ou ld b e a v o i d e d d u e t o t h e r e a s o n a b l e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e mo d e l s t r u c t u r e ． T h e r e f o r e ， t h e s y n c h r o n iz a t io n e ff e c t o f t h e j a c k i n g - u p p r o c e s s i s b e t t e r ． I n t h e p r o c e s s o f i mp le men t a t i o n b a s e d o n t h e rea l t i me mon it o n n g o f a b n o r ma l a r t i fi c i a l i n t e r v e n t i o n ， g o o d r e s u lt s h a v e b e e n a c h i e v e d． K e y w o r d s i n t e g r a l s t e e l p l a tf o r m s c a ff o l d i n g s y s t e m s y n c h r o n i z e d j a c k i n g h y d r a u l ic c y l i n d e r fi n it e e l e me n t 0前言 超高层结构建造领域选用合理 、先进的整体脚手模板 体系 ，对施工质量的提升、施工周期的缩短以及高空施工 安全性的保障具有重要意义。一般 常选用大模板 、滑模和 爬模等体 系。大模板体系 因安装支模过程需要塔 吊辅助 ， 难以适应超 高建筑 快速施工的要求。滑模体系难 以适应 当 前超高建筑结构平面布置、截面厚度的复杂变化 ，且其边 浇混凝 土边提升模板的工艺决定了难 以保证混凝 土的施工 质量 ，这两类 已经很少使用。液压爬模体 系能实现模板和 脚手的自行爬升 ，但基于分片设计 的方法难 以保证施工空 间的全封 闭性 ，影响到高空作业的安全性，脚手架和爬架 不能承 受较大的负荷 ，其上不能堆放钢筋等荷载 ，也暴露 一 作者简介龚 剑 1 9 6 O 一，男，博士， 教授级高级工程 师，集团总工程师。 通讯地址上海市虹口区东大名路6 6 6 号 2 0 0 0 8 0 。 收稿日期2 01 4 0 4 1 0 3 7 8 I 建 筑 施 工第 3 6 卷第 4 期 出许多不足⋯。 为了弥补 以上模板脚手体系的诸 多不足 ，上海建工集 团在适应超高层建筑施工的整体模板脚手体系方面进行了 长期探索。在上海东方明珠 电视塔 的施工中，根据升板结 构工艺研制 出一种 内筒外架式整体钢平台模板脚手体系。 随后 在上海金茂大厦 、南京 紫峰 大厦、上海环球 金融中 心、广州新 电视塔等工程施工期间 ，研发出格构柱支撑式 整体钢平台模板脚手体 系，满足 了当时超高建筑的建造要 求 一。 上海 中心大厦等工程的出现 ，对整体模板脚手体 系的 适应性提 出了进一步要求。上海中心大厦 总高度6 3 2 m， 核心筒 高度5 8 0 m，设备避难层的核心筒墙体 内暗埋8道 桁架。核 心筒在平面上有3次较大的变形 ，经过3次墙体 收分由正方形九宫格变成十 字形五宫格。墙体厚度经 过 5次墙面收分 ，腹墙厚度从9 0 0 m m变化至5 0 0 mm， 厚度从 1 2 0 0 mm变化至5 0 0 mm 。为此上海建工集团通过技术集 成 ，研发出筒架支撑式液压整体钢平台脚手模板装备用以 这一超级工程的施工 刮 。该装备具有工程针对性强、承载 力大、施工作业空间全封 闭等优点 ，并摒弃 了以往 的机械 式动力技术，采用先进的整体顶升液压动力系统 ，适应 了 当前绿色建造的时代发展趋势 。为保证这套模架装备的安 全性与适用性 ，动力系统 的设计及整体同步项升技术的研 究成为本装备成功实施 的关键。 1 整体顶升钢平台动力系统设计 本装备由五大系统组成 ，分别为钢平台系统、脚手架 系统、支撑系统、动力系统与模板系统。钢平台位于整个 模板脚手体 系的最上端，由纵横向受力钢梁框、钢盖板 、 格栅板、外侧围护网等组成 ，为施工期间材料、施工设备 等的堆放场所。脚手架系统分为外脚手架、内脚手架，脚 手架系统共分为6层 ，由槽钢、钢管组成。外脚手架悬挂 在钢平台的悬挑钢梁下方，位于核心筒外侧。内脚手架位 于支撑筒架内部 ，与外脚手架共 同形成一个封闭的作业空 间。支撑系统 由内外支撑筒架组成 ，二者分别在正常工作 状态及爬升状态受力 ，将载荷通过支撑牛腿传递到核心筒 剪力墙。内外支撑筒架之间采用液压 项升油缸联 系，油 缸 项升时通过内筒架的支撑受力将外筒架项升一个行程 ，油 缸 回提时外筒架支撑受力，将内筒架回提一个行程 ，从而 完成一次爬升。 动力系统的设计与布置需考虑 以下几个方面 1 ． 1 液压 油缸的工作行程 本工程的层高范围在4 ． 25 ． 2 m，如液压油缸一次顶 升到位 ，则活塞杆长度就要满足最大的层高要求 ，并且基 于稳定性要求的活塞杆直径也较大 ，而同时支撑筒架的高 度也将较大 ，势必会影P la n整个体系的稳定性 ，从经济性 的角度讲也需有较大投入。本文从满足施工可行性、经济 合理性的角度出发，设计 了最大行程为3 ． 2 m的液压项升油 缸 ，通过二次项升完成1个层高的爬升 ，有效降低 了筒 架 支撑的高度 ，增强了钢平台爬升的结构稳定性 ，并提高 了 高空作业的安全性。 装备 的总高度相 当于4个标准楼层高度 、施工操作层 相当于2 个标准楼层高度 ，能连续顶升2个标准层高 ，对钢 桁 架需整体 吊装的楼层来说无需将平台解体 ，即可满足伸 臂桁架层结构施工的要求，提高了施工工效和安全性。 1 ． 2液压油缸的位置布置 针对核心筒为九宫格平面形状的特点 ，将钢平台体系 分成9个单元，单元与单元之间通过连系钢梁连接，使其 完成 同步顶升。中心单元 自身不带动力系统 ，悬挂于周边 8个单元，随周边单元的爬升而爬升。周边4个单元均布置 4个液压油缸。考虑到核 心筒平面收分及承载要求，在4个 角部单元均布置5个液压油缸，待墙体结构变形后 ，油缸 数量随之调整。每个单元均设置1 个子泵控制站，8个子泵 站由集中控制系统统一控制。 1 ． 3顶升能力与工作载荷匹配 液压油 缸数量的确定基于顶升 能力满足最大载荷要 求，同时要根据可靠性原则具备足够的顶升能力冗余度 ， 确保个别油缸出现故障时不影响体 系的安全 ，与少支点体 系相比具有更高安全性的优势。基于上海中心大厦工程核 心筒 的3次平面 收分 ，钢平 台体系共有4个形态。初始状 态时设置3 6只油缸 ，油缸额定载荷 为4 5 k N，总载荷能力 为1 6 2 0 0 k N；第1 次变形后设置3 2只油缸 ，总载荷能力为 1 4 4 0 0 k N第2 次变形后设置2 8只油缸 ，总载荷 能力为 1 2 6 0 0 k N第3 次变形后 设置2 4只油缸 ，总载荷能力为 1 0 8 0 0 k N 。经计算分析 ，单缸顶升能力与群缸顶升能力均 满足载荷要求。 1 ． 4 支撑系统类型 支撑 系统 是整个项升钢平 台的承重构件 。钢平 台支 撑 系统由外筒架支撑系统和 内筒架支撑系统2部分组成。 其中内筒 架支撑系统位于8个筒架第6 层至第7 层 之间 ， 由内架牛腿 制动装置、承重钢梁组成 。内筒 架钢 梁采用 H N6 0 0 mm X 2 0 0 mm型钢组成平面受力框架 ，作 为项升 油 缸的底部 支承。外筒架支撑位于构架筒 最底层 ，由外 架牛腿制动装置 、承重钢 梁组成 ，外筒架 钢梁采用8根 H N 5 0 0 mm2 0 0 mm型钢组成平面受力框架。 正常使用状 态下 ，外筒 架牛腿作为搁置钢平 台的承重 构件 ，顶部钢平 台及脚手架系统的荷载主要 由边筒支架的 型钢柱传递到外架的底部钢梁 ，再 由安装在底部钢梁上的 支撑牛腿传递到核心筒混凝 土墙上 。钢平台顶 升过程中， 内筒架牛腿作为钢平台的承重构架 ，油缸项升力通过4层 刚性圈梁传递给油缸周围的型钢柱子 ，再通过柱子传递给 项部钢平台，带动外架及外脚手整体提升。依此原理 ，通 过内外筒架牛腿 的相互交替受力 ，完成整个钢平台体系的 正常使用和爬升。 支撑牛腿 为支撑整个钢平 台体 系的主要受力构件 ， 是钢平台设计的关键部位。外筒支撑牛腿除要求有足够 的 承载能力以外 ，还需要能在钢平台项升过程 中可靠地完成 伸缩动作 ，以达到使内外架交替支承钢平台的目的。 由于 本工程墙体厚度 变化次数较多，墙体厚度变化量大，因此 还要求牛腿 的舌头有足够的长度并能灵活调整外伸长度。 本钢平台体 系钢 牛腿使 用液压 系统 完成牛腿外伸与收缩动 作，油缸行程4 3 0 mm，实现了牛腿动作的全 自动化，安全 可靠 ，动作时间短。 2 整体顶升钢平台顶升计算分析 2 ． 1有限元计算模型建立 利用有 限元分析软件S A P 2 0 0 0 建立液压项升钢平 台模 架装备的三维有 限元分析模型。 2 0 1 4． 4 B l l n d i I l gc。 n s 仃1 l c 廿o n I 3 7 9 力途径 的 关键 一环 ，有 必要 对这 该 系统 受力性 能 进行 分析 。基于 S A P 2 0 0 0 软 件 建立 内构 架支 撑 系统 分 析模 型 ，内构 架支撑 系统钢 结构 采用Q3 4 5 钢 ，受力 主梁 为 H N 6 0 0 mm X 2 0 0 mm X 1 1 mm X 1 7 mm型钢 ，钢构件采用 B e a r n 单元模拟 ，内构架结构主梁、次梁连接成整体。 内构架 支撑 系统 的变形计 算结果 见图8 ，跨 中最 大 变形为4 mm。内构架支撑 系统 的结构应 力比分析结果见 图9 ，最大应力比为0 ． 7 9 6 。内构架支撑系统 的受力与变形 均满足要求。 图8 内构架支撑 系统变形 一 ‘ ≯ 华 ≮ ≯． 。 一 t≮ 图9 内构 架支撑 结构应力 比 3 同步顶升实施效果 3 ． 1保证同步顶升的技术措施 a 通过P L C 控制系统进行实时测量、传输、设定 、 控制 ，实现系统各部分的协调动作 ，保证顶升的同步性。 基于P I D 闭环控制系统理论，将项升点的压力及位移信号作 为受控参数 ，通过传感器采集信号 ，将这些信号传输到P L C 系统 ，P L C 接受并处理这些信号 ，当某一受控点有超值 的 可能时，控制器发 出信号让该点 的二位二通 电磁阀工作 ， 关闭液压油路 ，从而限制该点的油缸上升或者下降动作 ； 同样 当信号反馈表明该点有滞后现象时，控制器 发出信号 让该点的二位二通 电磁 阀工作 ，开启液压油路 ，让该点的 油缸上升或者下降动作。通过各受控点问的精密的动作控 制，使整个系统达到同步控制的要求。 b 顶升期间采用人机交互工作界面进行控制 ，控 制系统界面显示见图1 0 。在每次钢平 台顶升前 ，进行5 c m 预顶升，实现顶升力的配平，作为每个油缸初始受力状态 的控 制基 准。顶升期间通过观察工作界 面显示的油缸受 力、工作行程 同步性差异 ，当出现异常时手动调整个别油 缸，实现项升过程油缸受力的配平。 H 1 一 l 0 0 t _ I 图1 O 控制系统界面 3 ． 2 同步顶升实测效果施 “ 1 - 3 8 2 l 建 筑 施 工第 3 6 卷第 4 期 上海中心核心筒钢平台模架装备施工有4个状态 ，在 爬升过程 中均实时全程记录顶升力、位移参数。为便于 比 较， 爬升步距按5 0 0 mm、 1 0 0 0 mm、 1 5 0 0 mm、 2 0 0 0 mm 考虑。 由于实时监测措施得 当、人 工干预及时 ，各 液压 油 缸的最大顶升力均不大于4 5 0 k N ，不超过额定载荷 ，满足 要求。各油缸 间同步性较 好 ，非一致性位移极差 不超 过 5 mm，保证了同步顶升的顺利进行。 将监测数据与理论计算结果进行对比，各阶段的对 比 结果为 a 初始状态 理论计算得到的总荷载为1 0 9 5 0 k N ， 最 大油 缸顶升 力为3 9 0 k N实 际项升 期间 总荷载 介于 1 1 7 2 0 1 1 8 3 0 k N ，油缸最大顶升力4 4 0 k N 。 b第 1 次 变形状 态 理论计 算得到 的 总荷 载 为 9 7 6 0 k N 油缸最大顶升力3 9 0 k N ；实际顶升期间总荷载介 于1 0 6 0 0 1 06 5 0 k N，油缸最大项升力4 4 0 k N。 C第3 次 变形状 态 理 论计 算得 到 的总荷 载 为 9 7 6 5 k N ，油缸最大顶升力4 2 0 k N ；实际顶升期间总荷载介 于7 4 7 0 7 4 8 0 k N ，油缸最大顶升力4 4 0 k N 。 从 实测记录与理论分析对 比可知 ，二者基本相 符 ， 说明理论计算的正确性。实际项升期间的总载荷大于理论 计算结果，这是 由于施工堆载超过操作规程 的要求，进一 步验证控制施工荷载对装备安全使用的极为关键的要素。 记录到 的总载荷波动于某一区间，是因为油缸的供油 系统 通过机械机构完成 ，传感器 电信号的记录存在一定滞后效 应 ，造成 实际测得数据 存在波动。随项升步距 的增大 ，各 油缸顶升力没有明显的变化 ，说明液压油缸的设计布置是 合理的，与实际荷载分布基本一致。 4 结语 研发出的筒架与筒架交替支撑式液压爬升整体钢 平台 模架装备适用于复杂结构超高建筑 的建造 ，适应于上海中 心大厦 的结构复杂、体型多变核 心筒建造。本文根据 施工 过程该装备各阶段顶升过程 ，分别建立有 限元分析模 型对 其项升工况进行 了计算分析 ，在实施中对计算结果进行验 证。主要得到以下结论 a 钢平台模架装备的结构动力特性合理 ，不会产生 风振效应，确保了高空项升作业的安全。 b 在整个顶升建造过程 中模架结构及支撑 系统受 力、变形均满足要求，安全可靠。 C 顶升期间采用人机交互 工作界面进行实时监控 及人工干预 ，取得 了较好的效果，也验证 了计算结果的正 确性。 本装备较好地解决了上海中心大厦超高、复杂、异形 下转第3 8 9 页 图2 4 钢牛腿y o n Mi s e s 应力 单位 MP a 4 ． 2 混凝土墙体牛腿节点受力分析 此节点构造中，一般通过配置间接钢筋以增强混凝土 结构 的局部承压能力。由于钢牛腿结构附墙时，混凝土的 强度并未达到设计值 ，故需根据混凝土的实际养护龄期选 择合适 的强度设计值进行局部承压验算。根据以往经验 ， 当施工标准楼层时，牛腿部位 的混凝土 已养护7 8 d ，混 凝土强度等级可达到C 3 O C 4 0 ，计算时可按C 3 0 取值 。当 进行特殊楼层 伸臂桁架层 施工时 ，牛腿部位 的混凝土 养护龄期为4 5 d ，混凝土强度等级可达 lJ C 2 5 一 C 3 0 ，计 算时可按C 2 5 考虑。 5 结语 筒架 与筒架 交替支撑 式整体 钢平 台模 架装备 ，是适 用于高层混凝土结构施工 的一种新型模架装备 ，对建造过 程 中混凝土结构体型发生变形的情况具有较强的适应性。 本文以上海中心大厦核 心筒结构施工为背景 ，对施工中这 种新型模架装备的2种典型体 型，分别建立有限元计 算模 型 ，并在正常工作工况及爬升工况下对其受力性能分别进 行 了分析。 ． 本文主要得到了以下结论 a 在整个建造过程中模架结构的受力与变形均满足 要求，安全可靠。 b 模架装备重要支承节点 包括搁置筒架支撑与 爬升筒架支撑 的钢 牛腿 、混凝土墙体牛腿节点等 的受力 均满足要求。 C 模架装备在施工时应采取一系列措施 ，保证模架 结构的实际受力状态与计算假定一致。 本文的研究工作为顺利实现上海 中心大厦核心筒结构 的建造提供 了依据 ，也为同类脚手模板系统的设计计算提 供了参考。 鸣谢 本项研究工作得到了上海市科学技术委员会的大力资 助，资助课题名称为 上海高大结构建造工艺与装备工程技术 研究中心，编号为1 2 DZ 2 2 5 1 5 0 0 。 一I 0 0 0 0 [ I ]骆艳斌． 超高层建筑整体钢平台模板体 系施工技术与动办 }生 能 研究[ D ] ． 上海 同济大学， 2 0 0 6 ． [ 2 ]龚剑， 胡西焕， 周虹， 等． 钢柱支撑式整体 自升钢平 台脚手模板 系 统及其施工方法 中国，C N1 0 1 1 9 1 3 8 2 [ P 】 ．2 0 0 8 - 0 6 0 4 ． 【 3 】范庆 国， 龚剑 ． 金 茂大厦主体结构施 工 上 【 J ] ． 上海建设科技 ， 1 9 9 8 6 7 - 9 ． [ 4 ]范庆 国， 龚剑 ． 金茂 大厦主体 结构施 工 下 [ J ] ． 上海建设科技， 1 9 9 9 1 2 6 - 2 8 ． [ 5 ]龚剑， 周涛． 上海环球金融 中心核 心筒结构施 工 中的格构柱支 撑式整体 自升钢平台脚手模板 系统设计计算方法研究[ J ] ． 建筑 施工． 2 0 0 6 1 2 9 5 9 - 9 6 3 ． [ 6 ]龚剑， 周虹， 李庆， 等． 上海环球金 融中心主楼钢筋混凝土结构模 板工程施工技术[ J ] ． 建筑施工， 2 0 0 6 1 1 8 5 5 - 8 5 9 ． [ 7 ]林锦胜， 吴欣之， 龚剑， 等． 广州新 电视塔结构施工关键技术[ J ] ． 建 筑施工．2 0 0 9 1 1 9 3 5 - 9 3 7 ． [ 8 ]龚剑， 朱毅敏， 周虹， 等． 筒架支撑式动力 内置整体顶升钢平 台模 架体 系 及施工方法 中国， C N 1 0 2 6 6 1 0 3 9 A [ P ] ． 2 0 1 2 0 9 1 2 ． 上接第3 8 2 页 核心筒 的施工难题 ，确保 了项 目安全、高效、快速施工 ， 为项 目的顺利实施提供 了重要支撑。产生 了良好的社会效 益和经济效益 ，也符合国家可持续发展 的政策，可为类似 的超高层建筑施工提供很好的借鉴 。 鸣谢本项研究工作得到了上海市科学技术委员会的大力资 助，资助课题名称为 上海高大结构建造工艺与装备工程技术 研究中心，编号为1 2 D Z 2 2 5 1 5 0 0。 一o 0 0 0 【 1 ]骆艳斌． 超高层建筑整体钢平 台模板体系施工技术与动力J }生能 研究[ D ] ． 上海 同济大学， 2 0 0 6 ． [ 2 】龚剑， 胡西焕， 周虹， 等． 铜柱支撑式整体 自升钢平台脚手模板 系 统及其施 工方法 中国， C N1 0 1 1 9 1 3 8 2 [ P ] ． 2 0 0 8 - 0 6 - 0 4 ． 【 3 ]龚剑， 周涛． 上海环球金融 中心核 心筒结构施工 中的格构柱支 撑式整体 自 升钢平台脚手模板 系统设计计算方法研究[ J ] ． 建筑 施工．2 0 0 6 1 2 9 5 9-9 6 3 ． [ 4 ]龚剑， 周虹， 李庆， 等． 上海环球金 融中心主楼钢筋混凝土结构模 板工程施工技术[ J ] ． 建筑施工， 2 0 0 6 1 1 8 5 5 - 8 5 9 ． [ 5 ]林锦胜， 吴欣之， 龚剑， 等． 广州新 电视塔结构施工关键技术[ J ] ． 建 筑施工． 2 0 0 9 1 1 9 3 5 - 9 3 7 ． [ 6 ]丁洁民， 巢斯， 赵 昕， 等． 上海中心大厦结构分析 中若干关键 问题 [ J ] ． 建筑结构学报， 2 O L O 6 1 2 2 - 1 3 1 ． [ 7 ]龚剑， 朱毅敏， 周虹， 等． 筒架支撑式动力 内置整体顶升钢平 台模 架体 系及施工方法 中国， C N1 0 2 6 6 1 0 3 9 A [ P 】 _ 2 0 1 2 -09 1 2 ． [ 8 ]龚剑， 朱毅敏，徐磊． 超高层建筑核心筒结构施工中的筒架支撑式 液压爬升整体钢平台模架技术[ J ] ． 建筑施工， 2 0 1 4 1 3 3 3 8 ． 2 01 4 ． 4 Bl l j 】 di n g c。 I I s 协 l c 廿。 n l 3 8 9 篚髟