超高層鋼結(jié)構(gòu)特殊外掛登高及操作平臺體系研究

鄭 俊

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

隨著城市的發(fā)展，超大超高的建筑日益增加，在高層鋼結(jié)構(gòu)施工領(lǐng)域，許多項目外框架鋼結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜多變，而非傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)橫平豎直的結(jié)構(gòu)形式，單體構(gòu)件常為不規(guī)則形體，這些構(gòu)件安裝過程中工況復(fù)雜，施工人員安裝作業(yè)困難[1-4]。

傳統(tǒng)高層外框架鋼結(jié)構(gòu)安裝中通常采用腳手架搭設(shè)登高及操作平臺，用于完成高空作業(yè)，存在不確定安全因素。通過研發(fā)新型外掛登高及操作平臺體系，可實施標準化規(guī)范作業(yè)，在滿足構(gòu)件安裝的同時，解決了絕對保障施工人員安全的技術(shù)難點。

1 工程概況

中國澳門沐梵世酒店項目是一座集高檔酒店及娛樂功能于一體的綜合性商用大樓，坐落于中國澳門氹仔路氹連貫公路東側(cè)新濠天地內(nèi)，北鄰中國澳門科技大學，是扎哈·哈迪德設(shè)計的最后一座建筑作品。項目主樓高160 m，地下1層，地上42層，采用雙核心筒及異形外露鋼結(jié)構(gòu)所組合而成的結(jié)構(gòu)體系，2個核心筒由桁架、鋼骨和其他鋼構(gòu)件連接，形成3個“水滴”形狀，暴露的不規(guī)則鋼骨架組成了幕墻和骨架外墻，鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量近3萬 t（圖1、圖2）。

圖1 沐梵世酒店結(jié)構(gòu)效果圖

圖2 沐梵世酒店建筑效果圖

2 外掛登高及操作平臺功能分析

傳統(tǒng)高層鋼結(jié)構(gòu)施工中，一般采用以下2種方式。

1）使用腳手架圍繞鋼柱搭作業(yè)平臺，并搭設(shè)腳手架垂直登高通道作為登高措施。此作業(yè)平臺搭設(shè)質(zhì)量僅依靠腳手架工人的個人素質(zhì)，無法100%保證作業(yè)平臺的安全可靠，且作業(yè)平臺整體相對較為簡陋，無法達到很好的防護、隔離及承重效果。

2）使用型鋼定制作業(yè)平臺，并制作硬質(zhì)爬梯作為登高措施。此作業(yè)平臺優(yōu)點在于定制工廠加工，制作質(zhì)量較好，具有較好的防護、隔離及承重功能，缺點在于每個鋼構(gòu)件分段節(jié)點皆需安裝一個單獨作業(yè)平臺，鋼平臺數(shù)量較多（多數(shù)工程需制作100套以上），需要地面堆放場地堆放未安裝的平臺，且安裝及拆除鋼平臺需占用大量吊裝設(shè)備的作業(yè)時間。

中國澳門沐梵世酒店鋼結(jié)構(gòu)工程外露鋼結(jié)構(gòu)部分除去中間相對復(fù)雜的孔洞區(qū)域（由異形鋼骨架及鋼桁架組成），其余結(jié)構(gòu)由較為規(guī)則的鋼立柱及十字交叉鋼構(gòu)件組成。在施工此部分鋼結(jié)構(gòu)過程中，施工作業(yè)人員需要到這些節(jié)點進行測量放線、構(gòu)件安裝、構(gòu)件校正、構(gòu)件焊接、探傷檢查、防腐防火涂裝等高空作業(yè)內(nèi)容（圖3、圖4）。

圖3 沐梵世酒店規(guī)則區(qū)域外露鋼結(jié)構(gòu)示意

圖4 沐梵世酒店平面結(jié)構(gòu)布置示意

考慮到本工程位于澳門氹仔中心地帶，無地面堆放場地，且施工工期極為緊張，需設(shè)計一種能夠較好滿足高空作業(yè)需求、不占用施工場地，且盡量少占用吊車作業(yè)時間的登高作業(yè)系統(tǒng)。

登高作業(yè)系統(tǒng)功能分析：具備圍繞鋼構(gòu)件作業(yè)面，帶防護欄桿，具有一定承重能力的作業(yè)平臺；具有穩(wěn)固附著于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的能力，且能夠順著鋼結(jié)構(gòu)自升或依靠吊車輔助具有爬升能力；具有帶防墜圈的硬質(zhì)爬梯；具有輔助鋼構(gòu)件臨時穩(wěn)定的功能。

3 登高作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計

沐梵世酒店標準層高度為3 750 mm，每節(jié)鋼柱跨2個樓層，高度為7 500 mm，為滿足第2章所述的功能，設(shè)計登高作業(yè)系統(tǒng)時分為以下幾種構(gòu)件：

1）2根雙拼槽鋼及方管組成的主受力結(jié)構(gòu)（兼作登高梯），高度為15 000 mm。

2）4個作業(yè)平臺（帶1 200 mm高的扶手欄桿）分別用于底部及中間部位人員站立作業(yè)（各2個），作業(yè)平臺靠結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)設(shè)置可翻起走道及扶手欄桿，可以與樓層內(nèi)樓板或者樓面鋼梁組成上下作業(yè)平臺的通道。

3）2組爬梯防墜護圈，安裝于垂直登高梯外側(cè)，防止工人通過垂直登高梯登高時，發(fā)生墜落事故。

4）2組支撐掛鉤及連接件（每組2套掛鉤及限位裝置，共4個），用于將登高及操作平臺體系固定于永久鋼結(jié)構(gòu)外框架上，掛鉤系統(tǒng)具有自鎖及解鎖能力，便于整體體系提升作業(yè)。4個支撐連接件安裝于主體結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)外框架上，與支撐掛鉤一一對應(yīng)，穩(wěn)固連接支撐掛鉤（圖5～圖7）。

圖5 平臺體系3D示意

圖6 平臺體系結(jié)構(gòu)布置示意

圖7 支撐掛鉤節(jié)點示意

4 登高及操作平臺系統(tǒng)布置及典型使用方法

根據(jù)中國澳門沐梵世酒店鋼結(jié)構(gòu)外框的結(jié)構(gòu)形式，共需布置34套登高及操作平臺，包含30套正立面平臺、4套轉(zhuǎn)角平臺（圖8、圖9）。

圖8 登高及操作平臺平面布置示意

圖9 登高及操作平臺立面布置示意

登高及操作平臺典型使用流程如下。

1）使用塔吊將拼裝完成的登高及操作平臺吊裝至已經(jīng)完成的主結(jié)構(gòu)外框架上，并插入支撐連接件中。

2）操作人員通過移動式斜爬梯到達登高及操作平臺上，鎖定支撐掛鉤，確定整體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)固后，解開吊裝索具，準備進行外框架鋼柱或鋼斜撐安裝作業(yè)。

3）主結(jié)構(gòu)上一節(jié)外框架鋼結(jié)構(gòu)吊裝就位時，框架柱底部位置一組操作人員進行安裝作業(yè)（鋼構(gòu)件對位及高強螺栓施擰），一位操作人員通過登高梯到達頂部解開鋼構(gòu)件吊裝索具。

4）使用塔吊將登高及操作平臺吊提升一節(jié)外框架結(jié)構(gòu)柱的高度，為安裝下節(jié)柱做好準備。

5）操作人員進入已提升到位的登高及操作平臺，檢查支撐掛鉤及平臺體系整體安全性，鎖定掛鉤，并解開吊裝索具。

5 登高及操作平臺系統(tǒng)計算分析

5.1 參考規(guī)范及荷載取值

本項目位于中國澳門特區(qū)，故計算時同時參考國家標準：GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，中國香港特區(qū)相關(guān)規(guī)范《2011年鋼結(jié)構(gòu)作業(yè)守則》，中國澳門特區(qū)相關(guān)規(guī)范《屋宇結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)之安全及荷載規(guī)章》。

自重荷載：主要考慮爬梯自重。

風荷載：設(shè)計風壓按高度為130.08 m計算，風力系數(shù)為2.0。

操作平臺荷載：考慮250 kg/m2的施工荷載及初步設(shè)計為1.8 t操作平臺的總重（平臺自重及部分材料堆放）。

5.2 登高及操作平臺截面選擇

登高及操作平臺爬梯的2根立桿采用槽鋼650 mm×500 mm×20 mm×15 mm雙拼，立桿之間連接的橫桿采用100 mm×50 mm×5 mm的矩形管和50 mm×50 mm×5 mm的方鋼管。

操作平臺主要由底架、側(cè)面欄桿、正面欄桿組成，底架主要由10#槽鋼、75 mm×75 mm×5 mm的方鋼管及40 mm×40 mm×3 mm的方鋼管組成，并鋪有3 mm厚的花紋鋼板，所有材質(zhì)皆為Q235B。支撐掛鉤利用銷軸連接到雙拼槽鋼上，翻腳支承在牛腿上，同時靠銷軸和擋軸共同作用，支撐掛鉤及牛腿材質(zhì)選用Q345，如圖10、圖11所示。

圖10 登高及操作平臺結(jié)構(gòu)形式示意

圖11 支撐掛鉤示意

5.3 登高及操作平臺計算結(jié)果

根據(jù)荷載形式，確定主受力構(gòu)件（爬梯立桿）受力簡圖及計算模型，如圖12、圖13所示。

圖12 主受力構(gòu)件受力簡圖及計算模型

圖13 操作平臺計算模型

5.4 主受力構(gòu)件受力簡圖及計算模型

使用Midas軟件計算得出爬梯的變形為17 mm＜20.8 mm=10 380/500，應(yīng)力為24.5 MPa，滿足規(guī)范要求（圖14）。

圖14 主受力構(gòu)件計算結(jié)果示意

操作平臺最大應(yīng)力為61.7 MPa，底部操作平臺最大應(yīng)力為56.1 MPa，滿足要求（圖15）。

圖15 操作平臺計算結(jié)果

6 登高及操作平臺系統(tǒng)待改進內(nèi)容

登高及操作平臺系統(tǒng)的設(shè)計初衷，是為了解決復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)外骨架安裝及高空施工問題，設(shè)計中考慮使用塔吊作為登高及操作平臺系統(tǒng)的提升動力來源。由于整個鋼結(jié)構(gòu)外骨架安裝過程中共使用了34套登高及操作平臺，實際施工過程中發(fā)現(xiàn)，每次系統(tǒng)提升過程占用塔吊時間稍長，占用工地其他專業(yè)使用塔吊的時間，因而在以后其他類似工程中，可以考慮為登高及操作平臺系統(tǒng)添加機械或液壓自升設(shè)備，使其具有自主提升的能力，將更加高效地完成安裝作業(yè)。

7 結(jié)語

沐梵世酒店鋼結(jié)構(gòu)工程體型復(fù)雜，場地狹小，施工難度極大。在外部鋼結(jié)構(gòu)骨架施工過程中，如果采用常規(guī)腳手架搭設(shè)操作平臺將存在極大的安全隱患，同時工期難以保證。研發(fā)登高及操作平臺系統(tǒng)較好地解決了施工安全及施工便利性問題，采用這一新穎的技術(shù)措施，取得了較好的效果。本工程順利展開及完工所帶來的一些經(jīng)驗，能給其他類似工程提供一定借鑒。