鋼柱式整體爬升鋼平臺模架同步提升技術研究

秦鵬飛

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海高大結構建造工藝與裝備工程技術研究中心 上海 201114

超高層建筑建造過程中面臨施工工序多、作業環境差、危險系數高、持續時間長、綜合投入大等問題，選擇合理的施工建造裝備是解決上述問題的關鍵。選用合理的模架裝備，可顯著提高超高層核心筒混凝土結構的工程質量，保證施工安全，加快施工進度，降低工程成本[1-2]。

鋼柱式整體爬升鋼平臺模架簡稱整體鋼平臺模架[3-4]，是針對超高層建筑領域建筑高度在200～300 m的主流建筑結構特點研發而成。整體鋼平臺模架在正常使用狀態下，通過筒架支撐系統豎向支撐裝置支撐于核心筒剪力墻體預留凹槽內來傳遞自重及施工荷載；在爬升狀態下，以工具式鋼柱和筒架支撐系統交替支撐，通過多個液壓缸同步伸縮來完成整體鋼平臺模架提升。此模架裝備憑借施工速度快、安全程度高、綜合建造成本低等優點獲得了廣泛的應用，但液壓缸數量多、分布范圍大，同步性控制一直以來是難點[5-6]。同步性控制水平直接決定整體鋼平臺模架的使用安全，因此，對同步性控制方法的研究至關重要。

本文以南京金鷹天地廣場T2塔樓核心筒混凝土豎向結構施工所采用的鋼柱式整體爬升鋼平臺模架裝備為依托，從荷載分布、機位布置、結構受力特點、提升過程中液壓缸頂升力及位移實測值出發，探尋多機位液壓缸同步提升控制方法，為整體鋼平臺模架安全使用打下堅實的基礎。

1 工程概況

南京金鷹天地廣場是南京建鄴區地標性建筑，由3棟超高層建筑以空間連廊形式組成整體。項目總建筑面積超90萬 m2，其中T2塔樓結構總高322.0 m，共69層，標準層高4.3 m。

T2塔樓結構類型采用內筒外框形式，整體結構施工劃分為內筒、外框和水平結構三部分，首先進行核心筒墻體豎向結構施工，其次吊裝外框鋼結構，最后進行水平樓面結構施工。核心筒墻體豎向結構采用鋼柱式整體爬升鋼平臺模架進行施工。

鋼柱式整體爬升鋼平臺模架從結構體系和功能角度分為五大系統[7]，如圖1所示。位于整體模架頂部的鋼平臺系統，作為材料堆放和人員通行平臺，施工機具和作業人員通過施工升降機可直達此處。懸掛在鋼平臺系統四周的腳手架系統，覆蓋2層半結構高度，上下分為6層，用于鋼筋工程和模板作業施工。布置于核心筒平面宮格內的筒架支撐系統，傳遞自重和各類施工荷載。支撐在核心筒墻體結構面的鋼柱爬升系統，帶動整體鋼平臺模架向上提升。沿墻體兩側設置的鋼模板系統，用于混凝土墻體澆筑成形。整體鋼平臺面積約650 m2，具備200 t承載能力。

圖1 鋼柱式整體爬升鋼平臺模架示意

2 多機位同步提升系統設計

多機位同步提升系統由鋼柱爬升系統、液壓泵站、中央控制室組成。鋼柱爬升系統按部件分為工具式鋼柱、雙作用短行程液壓缸和上下爬升靴，具體構造如圖2所示。工具式鋼柱由帶爬升孔的鋼板焊接而成，在爬升階段作為整體鋼平臺模架臨時支撐點，一端固定于核心筒墻體頂部分層面，另一端為可自由調節的，可周轉使用。雙作用短行程液壓缸，通過驅動上下爬升靴交替支撐于工具式鋼柱，從而為整體鋼平臺模架提升提供動力。液壓泵站對液壓缸進行控制，由3臺泵站組成。中央控制室可根據需求操作液壓缸同步提升或對單個液壓缸進行精確控制。

圖2 鋼柱爬升系統構造示意

同步提升系統在核心筒區域分散布置18個機位，每個機位成對配置2臺額定頂升力為20 t的雙作用液壓缸，1個機位頂升力40 t，總體頂升力720 t，滿足整體提升力需求。在提升過程中，雙作用液壓缸內置的位移傳感器和壓力傳感器可實時將獲取的荷載和位移數據傳回中央控制室，為同步提升精確控制提供依據。多機位同步提升系統布置如圖3所示。

圖3 多機位同步提升系統布置

3 整體鋼平臺模架爬升工況分析

在爬升作業階段，以工具式鋼柱為支撐，下爬升靴支撐于工具式鋼柱預留爬升孔內，雙作用短行程液壓缸伸出驅動整體鋼平臺模架向上提升一個預定高度，上爬升靴支撐于工具式鋼柱爬升孔內，下爬升靴伸出，完成受力轉換，雙作用液壓缸回縮帶動下爬升靴向上提升預定高度，完成整體鋼平臺模架一個小行程的提升。工具式鋼柱預留爬升孔間距200 mm，雙作用短行程液壓缸行程600 mm，核心筒墻體結構標準層高4 300 mm，整體鋼平臺模架提升分11個階段完成，前10次每次提升400 mm，最后1次提升300 mm，提升總高度4 300 mm。

整體鋼平臺模架機位理論提升力如圖4所示，總提升力為2 600 kN，18個機位額定總提升力為7 200 kN，具有足夠安全儲備。

圖4 液壓油缸理論頂升力

4 同步性提升數據分析

在爬升階段，以位移控制為主，頂升力控制為輔，兩者相結合共同完成整體鋼平臺模架同步性提升。為方便更好地理解同步性控制特點，18個機位按荷載分布和所處位置劃分為8個區域來進行系統性分析。4#、5#機位所在位置為區域一；17#、18#機位所在位置為區域二；8#、9#機位所在位置為區域三；13#、14#機位所在位置為區域四；1#、2#、3#機位所在位置為區域五；10#、11#、12#機位所在位置為區域六；6#機位所在位置為區域七；16#機位所在位置為區域八；7#機位處于中間位置，15#機位在中間和外圍之間不再單獨劃分區域。

4.1 同步性位移數據分析

為分析不同機位之間同步性情況，對各機位位移數據進行處理，以整體鋼平臺模架正中間的7#機位位移為基準，其余各機位位移絕對值與7#機位位移絕對值做差值，這種位移差是同步性的重要體現，可分析不同機位之間同步性控制水平。按區域表示的不同機位位移差數值如圖5～圖12所示。

圖5 區域一機位位移差

圖6 區域二機位位移差

圖7 區域三機位位移差

圖8 區域四機位位移差

圖10 區域六機位位移差

圖9 區域五機位位移差

圖11 區域七機位位移差

圖12 區域八機位位移差

從圖5～圖12可以看出，各區域內機位隨提升階段的不同呈現出規律性特點。

提升階段1～階段4，同步性處于動態調整階段，在區域二至區域四、區域六、區域八，不同機位之間同步性趨于一致，先是稍快于基準點7#機位，隨后又稍慢于基準點，但差值都控制在3 mm以內；在區域一、區域五、區域七，機位位移始終落后于基準機位，區域一中機位落后最大位移在5 mm左右，區域五中機位落后最大位移在10 mm以內，區域七中機位落后最大位移在13 mm以內。階段5中，上述8個區域機位與基準點位移差表現出迅速放大的趨勢，最大位移差達到13 mm。進入階段6后，位移差又快速回落。在整體爬升的后半程，階段9中有小幅波動，其余階段基本保持穩定。因在相同區域內布置的不同機位之間距離很近，所以位移差值很小，區域一最大位移差在3 mm內，區域五最大位移差在7 mm內，區域六除少數階段位移差值較大外，基本控制在2 mm內，其余區域最大位移差在1 mm內。從全部位移差值分布來看，左上角提升較慢，右下側提升較快，整體鋼平臺模架從右下方向左上方發生輕微傾斜。

4.2 同步性機位頂升力數據分析

在整體鋼平臺模架爬升過程中，取機位頂升力進行分析，按區域進行歸類的機位頂升力數據如圖13～圖22所示。

圖13 區域一機位頂升力

圖14 區二域機位頂升力

圖15 區域三機位頂升力

圖16 區域四機位頂升力

圖17 區域五機位頂升力

圖18 區域六機位頂升力

圖19 區域七機位頂升力

圖20 區域八機位頂升力

圖21 7#機位頂升力

圖22 15#機位頂升力

從上圖可以看出，區域一、區域五和區域七中，除開始、結尾和中間提升階段，機位頂升力變化較大外，其他階段機位頂升力基本保持在恒定數值。區域二、區域四和區域八中，機位頂升力在一定范圍內變化，變化幅度不大。區域三和區域六中，機位頂升力變化劇烈。在上述8個區域中，無論機位頂升力如何變化，每個區域內總體頂升力是基本恒定的。

區域一至區域七中，每個機位平均頂升力在150～200 kN之間，機位布置合理。15#機位頂升力在200～250 kN之間，16#機位頂升力在250～300 kN之間，這兩個機位距離較近而又不屬于同一區域，所以頂升力數值較為接近又因其所承擔面積不同又有一定差距。7#機位頂升力最大，在350～400 kN之間，接近機位額定頂升力，因其處于整體鋼平臺模架中間位置，負載面積最大，而周邊結構限制無法增加機位布置所致。

結合位移和頂升力數據分析，在大多數提升階段，各機位位移和頂升力趨于穩定。在提升階段5，由于7#機位負載最重，接近額定頂升力，頂升速度放慢，周邊機位頂升力較小，頂升速度加快，帶動整體鋼平臺模架快速向上提升；周邊機位因分攤7#機位質量，負載增加，速度放慢，而7#機位被動向上頂升，負載降低，頂升速度加快。在提升階段6，各機位又恢復到平衡狀態。

整體鋼平臺模架機位實測總體頂升力如圖23所示，在開始提升前，機位總體頂升力為3 100 kN，比理論值2 600 kN大，這是因未及時清理落在整體鋼平臺模架上的混凝土、施工工具和材料荷載而引起的。提升過程中，總體頂升力在3 250～3 300 kN之間變化，增加部分荷載是由整體鋼平臺模架側向支撐頂輪與墻體之間的摩擦造成的。

圖23 機位總體頂升力'

4.3 同步性提升建議

為了更好地控制鋼柱式整體爬升鋼平臺模架機位頂升的同步性，提高提升過程的安全性，提出以下幾條建議：

1）根據核心筒墻體結構平面特點，合理設計整體鋼平臺模架，確保荷載分布均衡，優化機位布置，使每個機位負載大致相同，避免出現個別機位荷載過大的情況。

2）在整體鋼平臺模架提升前，及時清理殘留混凝土和施工機具，不過多增加機位負載。

3）加強混凝土澆筑質量控制，確保工具式鋼柱支撐在同一水平面上，降低同步性控制難度。

4）整體鋼平臺模架側向支撐主要作用是防傾覆，設計時預留安全距離，在提升時，側向支撐不與墻體接觸，減少摩擦，當整體模架發生過大傾斜時，再與混凝土墻體接觸發揮作用。

5 結語

同步性控制是多機位液壓頂升系統的關鍵技術所在，也是整體鋼平臺模架安全使用的保障。本文以南京金鷹T2塔樓核心筒墻體施工為背景，從整體鋼平臺模架多機位同步提升系統實測位移和頂升力數據出發，尋找影響同步性控制的因素，探究提高多機位同步性控制水平的方法。

研究結果表明：不同機位及同一機位不同階段的位移和頂升力數據之間存在一定規律性，并且同步性受到施工現場多種因素的影響。針對施工現場影響因素，從整體鋼平臺模架設計、機位布置、核心筒墻體質量控制和側向支撐發揮作用等方面，提出了進一步提升同步性控制水平的建議，為鋼柱式整體爬升鋼平臺模架的安全使用和推廣提供理論基礎。