懸掛式幕墻支撐柱面網殼鋼結構逆向施工技術*

周 鋒，陳曉明，俞嬡妍，鄭祥杰，蔡 棟，申科偉，許 勇

(1.上海市機械施工集團有限公司，上海 200072； 2.上海面向典型建筑應用機器人工程技術研究中心，上海 200072；3.上海建工集團股份有限公司，上海 200080)

0 引言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，建造技術水平不斷提高，超高層建筑造型日益新穎獨特。懸掛結構體系具有良好的使用功能和獨特的視覺效果，在工程中逐漸得到了應用，其中應用較多的是帶懸掛層的高層鋼結構。

帶懸掛層的高層鋼結構是首先將樓面系統荷載通過吊桿傳至固定在核心筒或巨型柱的懸挑桁架/懸掛轉換桁架上，然后由懸挑桁架/懸掛轉換桁架傳至核心筒或巨型柱，最后傳至基礎的結構。懸掛結構的特點是可形成大開間，使用靈活。懸掛結構核心筒或巨型柱承受較大的壓彎作用，需采用較大的截面尺寸，以提高穩定承載力。而樓層吊桿由于僅承受拉力，強度可充分發揮，采用較小的截面即可。香港匯豐銀行大廈是典型的懸掛結構，高180m，地上43層，采用巨型桁架，分5層懸掛在8根巨型格構柱上。

懸掛式幕墻支撐鋼結構也屬于懸掛結構，如上海中心大廈采用了獨特的分區懸掛柔性外幕墻支撐結構體系，該體系由鋼吊桿、環梁和徑向支撐組成，沿高度方向分區懸掛在8道懸挑桁架上。

由于懸掛結構自身荷載傳遞方式具有特殊性，增加了施工難度。施工流程對懸掛結構內力的影響較大，不合理的施工流程可能導致結構產生較大的變形和內力。本文對上海長灘觀光塔外圈分區懸掛的幕墻支撐鋼結構逆向施工技術進行研究，對深化、加工和安裝過程中的關鍵性技術問題進行分析。

1 工程概況

上海長灘觀光塔為直徑25.7m、高約180m的圓柱形高聳結構，主體結構為鋼筋混凝土筒體+懸挑桁架(梁)。在4.3～12.3m高度處設置3個混凝土樓層，在36.3，88.3，132.3m高度處分別設置4m高鋼結構桁架層，在148.3m高度以上設置6個混凝土樓層。

觀光塔外圈為幕墻支撐鋼結構，即為由斜交網格和正交網格組成的懸掛式幕墻支撐柱面網殼鋼結構，除在36.3～48.3m和136.3～148.3m高度處呈圓箍狀正交網格外，其余高度處均為單層斜交網格(見圖1)。在12.3，44.3，92.3，136.3m高度處分別設置變形縫，將網殼自下而上分為5個區段。

圖1 觀光塔幕墻支撐鋼結構

4.3～12.3m高度處網殼為區段1，通過2～4層鉸接支座與主體懸挑結構相連。12.3～44.3m高度處網殼為區段2，通過5～7層鉸接支座和4層滑動支座與主體懸挑結構相連。44.3～92.3m高度處網殼為區段3，通過8，9層鉸接支座和7層滑動支座與主體懸挑結構相連。92.3～136.3m高度處網殼為區段4，通過10，11層鉸接支座和9層滑動支座與主體懸挑結構相連。136.3～179.0m高度處網殼為區段5，通過13～19層鉸接支座和11層滑動支座與主體懸挑結構相連。

在每層平面范圍內沿圓形均勻布置36個風塔支座。36.3～136.3m高度處網殼鋼結構桿件截面尺寸為200mm×250mm×14mm(長×寬×厚)，36.3m高度以下和136.3m高度以上范圍內網殼鋼結構桿件截面尺寸均為100mm×300mm×14mm(長×寬×厚)，桿件材質均為Q345B。

懸挑桁架下掛柱面網殼鋼結構，鋼結構上端為固定鉸節點，下端設置滑動支座，以釋放豎向變形。

2 施工工藝流程

懸掛結構可采用自下而上的順向施工工藝，也可采用自上而下的逆向施工工藝。

順向施工過程中，在臨時支撐上逐層安裝懸掛層，柱始終受壓，直至與頂部懸挑桁架相連，形成完整結構。拆除懸掛結構底部臨時支撐架，懸挑桁架結構受力，完成結構轉換。結構轉換過程中，吊柱由受壓施工狀態向受拉設計使用狀態轉化，并產生變形。吊柱設計使用狀態可能由施工狀態控制。需通過施工過程分析，確定樓層預變形值。懸掛層底部需設置穩定的臨時支撐，以保證拼裝階段懸掛層荷載安全傳至基礎。

逆向施工過程中，首先完成支撐豎向荷載的核心筒/巨型柱及頂部懸挑桁架結構施工，然后依靠頂部懸挑桁架向下逐層施工。采用該工藝時，吊柱施工狀態受力與設計使用狀態受力一致，因此無須結構轉換。但高空拼裝對樓層鋼結構施工安全、質量和進度的要求較高。

懸掛式幕墻支撐鋼結構僅需承受外幕墻重力荷載和水平荷載，構件往往較細，且造型需與外立面匹配。逆向施工工藝更適用于懸掛式幕墻支撐鋼結構。

與上海中心大廈外幕墻支撐鋼結構-鋼吊桿、環梁和徑向支撐組成結構體系相比，本工程幕墻柱面網殼鋼結構整體性較好。根據結構特點，按照以下工況進行安裝：①工況1 區段1，5幕墻支撐鋼結構均通過支座與主體結構相連，利用屋頂布設的 ZSL120型塔式起重機和地面布置的50t汽車式起重機進行鋼結構散件吊裝；②工況2 區段2～4幕墻支撐鋼結構通過上端固定鉸支座和下端滑動支座與主體結構相連，主要利用布置在桁架層的液壓提升機構進行鋼結構提升安裝，采用地面逆向拼裝工藝，分區自上而下逆作施工。

綜上所述，首先自上而下依次提升區段4，3，2幕墻支撐鋼結構，然后吊裝區段1，5幕墻支撐鋼結構，最后提升設備所在樓層幕墻支撐鋼結構。

3 構件深化設計與加工

3.1 網格節點構造

多根桿件匯交的曲面網格節點構造設計需綜合力學性能、加工可行性和建筑美觀等因素。對于采用方管的曲面網格多桿匯交節點，各桿件翼緣板不在同一平面，一般通過中心區過渡。常見的節點過渡構造方式包括鑄鋼節點、輻射狀插板節點和中心圓筒節點。

本工程斜交網格節點為6桿匯交，6根桿件翼緣板均不在同一平面。初期計劃采用輻射狀插板節點，節點中心為直徑40mm的實心圓棒，6塊14mm厚插板將節點分為6個扇形角，桿件端頭切成尖角，與插板相貫焊接。由于與常采用輻射狀插板節點的采光天幕網格結構不同，本工程采用豎直柱面網殼結構，保證重力方向豎直插板貫通更重要，貫通的豎向插板在上部支座處向內延伸成為鉸接點的耳板，在斜交、正交網格交匯處更適合采用十字形插板。因此，將輻射狀插板節點改為十字形插板節點，同時取消中心實心圓棒。豎向插板貫通，并加厚至30mm，橫向插板厚度為20mm，如圖2所示。

圖2 十字形插板節點

3.2 網格節點加工

每個斜交網格節點由十字形插板和牛腿組成。根據牛腿尺寸數據，使用多功能機器人進行三維切割，一次成型，形成帶焊接坡口的牛腿。節點牛腿端面在鋸床上加工，保證端面垂直。十字形插板采用數控火焰下料，在胎架上將橫插板與豎插板焊接。打磨、探傷合格后轉節點拼裝。

按照編號順序和幾何數據信息，利用三維節點拼裝臺，進行同組成型節點三維拼裝。以十字形插板為定位基準，使其空間角度、尺寸均在公差范圍內，組裝、焊接水平牛腿。水平牛腿探傷合格后在胎架上組裝、焊接V形牛腿。焊接時，在相鄰牛腿之間安裝剛性焊接輔助支撐，以控制相鄰牛腿尺寸與角度(見圖3)。

圖3 節點拼裝

3.3 構件分段加工

綜合考慮現場施工工藝、構件加工運輸等因素，以“構件最大化”為原則，進行構件分段加工，以減少現場拼裝構件數量和焊接工作量，保證焊接質量，并加快施工速度。鋼構件主要分為標準化近平行四邊形大構件和若干連桿，在標準化近平行四邊形大構件上設置吊耳，以保證吊裝時吊具合力方向與構件重心重合。

4 懸掛段安裝

在10層位置處按60°角間隔均勻布置6臺液壓提升器。因被提升鋼結構在提升鋼絞線懸吊下呈剛體運動，提升器水平位置會影響被提升物體的水平位置，進而影響整個幕墻支撐鋼結構安裝精度，需精確控制提升器水平位置。

在幕墻支撐鋼結構地面垂直投影處，布設拼裝底座。拼裝底座由H型鋼首尾相接，沿塔外圍閉合成圓環，H型鋼下翼緣下部抄平，上翼緣標高統一控制為0.350m，高差平整度控制為±3mm。

在地面底座上逆向拼裝區段4幕墻支撐鋼結構，首先安裝標準化近平行四邊形大構件(見圖4)，然后安裝標準構件之間的連桿，最后沿著觀光塔外圈，在已安裝構件對面及兩側，按照十字對稱原則，分別安裝標準構件及連桿。標準構件與連桿之間的焊接施工同樣遵循十字對稱原則，避免焊縫收縮產生累積誤差。

圖4 地面拼裝示意

利用10層位置處設置的液壓提升器提升地面拼裝成環的拼裝段1幕墻支撐鋼結構，提升高度為12.000m，提升質量為104.2t。提升就位后，按拼裝要求復測標高，滿足要求后通過液壓提升器楔形錨片鎖緊鋼絞線，使被提升鋼結構可長時間在空中停留。精調被提升鋼結構下沿水平坐標，滿足要求后，臨時固定鋼結構下沿，防止其水平擺動。采用相同工藝提升地面拼裝成環的拼裝段2幕墻支撐鋼結構，最后安裝拼裝段1，2之間的連桿，如圖5所示。

圖5 拼裝段1，2連接示意

按照相同工藝完成區段4整體拼裝，一次提升到位，并將主結構側雙耳板焊接在環梁上，安裝上端固定鉸支座和下端滑動支座。

采用與區段4相同的逆作法安裝工藝，先后安裝區段3，2幕墻支撐鋼結構，將大部分高空安裝作業變為低位作業，降低施工難度。

5 關鍵提升技術

5.1 整體提升

提升點布設應盡量保證被提升結構在提升工況下的受力與設計使用狀態受力接近。但過多的提升點會增加設備用量，提高同步性控制難度。本工程在相同標高處36個網格點上選取6個中心對稱的節點作為提升下錨點。下錨點采用網格節點形式，如圖6所示。

圖6 提升下錨點

不同步提升會導致下錨點存在高差，高差允許值與結構豎向剛度密切相關。當不同步高差達10mm時，最大提升反力標準值提高50%。當不同步高差達20mm時，最大提升反力標準值提高100%，此時提升工況接近3點提升受力。本工程采用6點提升，可將不同步高差控制在10mm以內。提升就位時，需進一步精調標高，以確保安裝精度。同時，為保證結構具有一定安全儲備，進行提升架設計、幕墻支撐鋼結構及主樓結構承載力校核時，均采用3點同步提升工況下的反力。

本工程位于長江入海口，所受風荷載較大。主結構各樓層外圈鋼梁、馬道層外圈鋼梁與幕墻支撐鋼結構最小間距分別為350，100mm。為保證提升過程中被提升結構受風荷載作用時不產生太大的水平位移，進而避免出現卡阻現象，需設置限位裝置。在上、下馬道層之間拉設豎向鋼絲繩導索(在平面內均勻布置6道)，鋼絲繩兩端分別通過滑輪轉至馬道層，并通過葫蘆拉緊(見圖7)。鋼絲繩導索外端距幕墻支撐鋼結構50mm，被提升鋼結構跨越馬道層時，導索會限制其側向移動，保證順利通過。

圖7 導索立面布置

5.2 同步提升控制與高程自動測量

控制提升的同步、限制提升點之間的高差可避免結構桿件產生過大的附加應力，保證整個提升系統安全。

目前多采用位移控制與力控制相結合的方法保證提升同步性。位移控制是基于提升器位移傳感器讀數，在提升控制程序中設定各相鄰提升點的高差和提升點最大高差，保證提升點提升均勻性的方法。由于提升器上的位移傳感器會有累積誤差，一般每隔5m暫停提升，對被提升鋼結構變形及高程進行人工測量。如果提升高差超過預設值，需調平后繼續提升。力控制是基于提升器上油壓傳感器讀數，在提升控制程序中設置每個位置提升力上限，保證結構安全的方法。

提升器提升步驟為：①下錨片脫開，上錨片夾緊鋼絞線；②提升器伸缸，提升構件；③下錨片夾緊鋼絞線，上錨片脫開；④主油缸縮缸。第①，②步可通過油壓計算提升力，由于管路內阻的存在，油壓計算得到的提升力小于實際出力。本工程在提升下錨點處設置了穿心式壓力傳感器，通過壓力傳感器讀數代替傳統油壓讀數，以保證全過程精確控制提升力。

被提升鋼結構高程測量是保證同步提升的關鍵，由于人工測量會占用大量提升時間，且無法實現提升自動控制，因此本工程選用徠卡MS60型自動全站儀對被提升鋼結構坐標進行自動測量，保證了測量結果的可靠性。

6 結語

上海長灘觀光塔主體結構為鋼筋混凝土筒體+懸挑桁架(梁)，外圈為分區懸掛的幕墻支撐鋼結構，施工工藝及加工安裝精度要求較高，為此采用地面逆向拼裝、整體提升就位的施工工藝，自上而下分區安裝幕墻支撐鋼結構，將大部分高空安裝作業變為低位作業，降低了施工難度，保證了現場拼裝質量。

針對結構特點，豎向柱面網殼采用十字形插板節點，該形式的節點受力明確，與支座和提升下錨點的結合較好。

多次短距離提升是地面逆向拼裝的關鍵環節，提升精度直接影響拼裝精度。為此，本工程通過同步提升控制與高程自動測量，保證了提升點之間的同步性，并提高了就位安裝精度。