智能頂升模架支承動力系統研究與應用*

駱發江,栗世偉,孟召虎,漢光昭,姜 浩,蔣學智,張雪梅,張立冬

(1.中建三局集團有限公司,湖北 武漢 430000;2.中建三局集團西北有限公司,陜西 西安 710000;3.甘肅省土木建筑學會,甘肅 蘭州 743000)

1 工程概況

保利·天匯項目位于蘭州市七里河區西北物資市場(見圖1),西側緊鄰河灣堡東街,南側緊鄰西津西路,北側為蘭石用地,東側為甘肅商業儲運股份有限公司。北地塊東側區域為政府規劃學校用地,暫未開始施工。總建筑面積約26.6萬m2,地上建筑面積約20.6萬m2,地下建筑面積約6.0萬m2。本工程12號樓采用高層建筑高效施工裝備集成平臺“住宅造樓機”進行施工。

圖1 工程效果Fig.1 Engineering effect

2 支承系統設計

2.1 總體設計

智能頂升模架設計為11個支點同步頂升,共有11組頂升機位,每個機位包含1個動力泵站,1個支承立柱,套架各1組,1個頂升油缸,上下各1個換向盒,其中動力泵站與主油缸采用一對一的形式分布在各支點的支承立柱上方。支承與頂升系統平面布置。

由于本項目結構平面為左右對稱布置,支點按照外墻外圈布置,東西方向跨度較大且平面內凹外凸的地方較多、南側景觀陽臺及飄窗懸挑結構多。根據墻體位置,本項目智能頂升模架采用11個支點,如圖2所示。支承與頂升系統如圖3,4所示。

圖2 支承與頂升系統平面布置Fig.2 Plane layout of support and lifting system

圖3 支承與頂升系統綜合立面Fig.3 Support and lifting system integrated facade

圖4 頂升系統Fig.4 Lifting system stereogram

2.2 附墻支座

附墻支座尺寸為600mm×600mm×400mm,支座材料主要為板材拼焊,材質Q355B;銷軸、翻轉鉤爪采用42CrMo鍛件;限位導向輪支架采用螺栓與附墻支座固定,具有一定適應性,導向輪材料采用耐磨自潤滑銅軸套,如圖5所示。

圖5 附墻支座組成Fig.5 Composition of wall bearing

2.3 導軌立柱

頂升立柱為單根立柱,立柱上每隔100mm有300mm長的凹槽,與頂升油缸的400mm形成對應。爬升時利用頂升油缸頂升立柱,每次頂升400mm,立柱支承起整個貝雷架平臺進行頂升。頂升立柱結構如圖6所示。

圖6 頂升立柱組成Fig.6 Composition of jack-up column

2.4 套架

套架在頂升立柱時承受豎向荷載傳遞到支點位置掛座上的作用,呈現為倒三角形,分布在立柱左右兩側,并卡在立柱側壁內,上平臺用來放置頂升油缸,立柱頂升時油缸作用通過上平臺傳遞給整個套架,并通過套架上的掛爪傳遞給爪箱和結構。下平臺用來連接下換向盒,如圖7所示。

圖7 套架構成Fig.7 The structure of the bracket

2.5 換向盒

換向盒主要作用為在液壓油缸將立柱頂升到位后,通過手動調整換向盒方向進行套架提升。同時換向盒也作為液壓油缸每個頂升動作以及回收動作時的傳力裝置。上、下換向盒結構是相同的,變換方向均需要手動進行調節,如圖8所示。

圖8 換向盒組成Fig.8 Composition of reversing box

3 液壓系統設計

3.1 輕量化液壓油缸設計

頂升主油缸性能要求：①頂升能力70t;②頂升最大行程800mm;③單缸頂升速度10mm/s;④自鎖功能：當突然斷電或失壓情況下,油缸自鎖裝置啟動,停留在斷電或失壓前的狀態。主油缸與上換向盒采用剛性連接方式。

油缸設計如圖9所示,液壓泵站布置如圖10所示。

圖9 頂升主油缸設計Fig.9 Design of jack-up main cylinder

圖10 液壓泵站布置Fig.10 Layout of hydraulic pump station

3.2 液壓油缸同步控制系統

控制系統主要包括液控系統和電控系統兩個分系統,實現對11個油缸控制。其中液控系統主要包括泵站、各種閘閥和整套液壓管路,通過控制各閘閥的動作控制整個系統的動作和緊急狀態下自鎖。

電控系統主要包括1個集中控制臺、連接各種電磁閘閥與控制臺的數據線、油缸行程傳感器、油缸壓力傳感器、油缸行程限位等,實現對整個系統電磁閘閥動作的控制與監控,對油缸頂升壓力的監控、對油缸頂升行程的同步控制與監控。

液壓系統利用同步控制方式,通過液壓系統機構調節控制11個油缸的液壓油流量,從而達到11個油缸的同步頂升要求。其中行程控制設置為不超過800mm,4個油缸為1套控制,其中任意1個油缸頂升行程與另外3個任意1個超過3mm后即自動補償,油缸壓力控制考慮到施工荷載的不均勻,以頂升開始前初始壓力為基準,頂升過程中若壓力出現急劇變化,超過0.3MPa進行緊急制動。

電柜控制11個支點油缸同步頂升,液壓泵站安裝完畢后應調試各個泵站頂升速度保持一致。實際工作時,系統自動選取行程最小的液壓油缸作為基準值,每個油缸的行程與之對比,把行程差顯示在控制柜主頁面上,如果行程差達到20mm,系統自動把行程差數值為20mm的油缸停下,其他支點位置油缸繼續支出,直到各支點位置的行程差值小于15mm后,11個支點再繼續同步支出頂升,循環往復。待11個油缸全部到達設置的工作位630mm后,電柜系統自動斷電,1個頂升過程結束。

如遇液壓系統的顯示值超過預設值,包括液壓位移計失靈、系統突然斷電、油泵故障、系統超壓、系統欠壓、有桿腔超壓、無桿腔超壓等,顯示頁面立即亮起紅色警示燈,控制電柜立即斷電,液壓油缸開啟自鎖功能,直至故障消除,手動重啟電柜,繼續頂升。

4 設計計算

4.1 支承系統計算

4.1.1施工階段分析結果

根據受力分析得知,力的作用點位于套架頂面往上2 950mm的立柱中心,此時套架不受力,力全部通過立柱傳遞給套架處的埋件,施加荷載為豎向力309kN,x向水平力14kN,y向水平力18kN,x向彎矩-21kN·m,y向彎矩25kN·m。上支座與導軌接觸處局部應力集中,其余應力均<250MPa。

4.1.2頂升階段分析結果

根據受力分析得知,力的作用點位于套架頂面往上5 900mm的立柱中心,此時立柱受水平力,豎向力通過油缸傳遞給套架,再傳遞給套架處的埋件,施加荷載為豎向力307kN,x向水平力28kN,y向水平力-57kN,x向彎矩-28kN·m,y向彎矩35kN·m。

應力分析為上換向盒舌頭頂面與導軌接觸處局部應力集中,其余應力都<300MPa。

4.2 墻體承載力試驗

4.2.1試驗概況

試驗用智能頂升模架支撐架體為鋼構件,分上部橫梁與下部支點兩部分,橫梁采用H200×200型鋼,與墻體之間進行植筋連接,植筋采用HRB400級鋼筋。支點上頂面采用1對H200×200型鋼,下部采用φ150×5方鋼管,支點與墻體之間采用螺栓連接,千斤頂以每100kN逐級加載,加載至600kN,檢查墻體及對拉螺栓的受力和破壞情況,判定整個系統的強度與剛度是否滿足GB/T50344 —2004《建筑結構檢測技術標準》荷載試驗要求。

4.2.2試驗方法

本智能頂升模架的支撐系統與建筑墻體連接,依據本試驗對象特點,上部橫梁兩處植筋連接點編號為上部植筋連接1～9,下部植筋連接1～4;下部支撐處螺栓連接編號為1～6;在最大荷載確定為600kN,參照《建筑結構檢測技術標準》附錄H中H.1.4進行每100kN分級加載,保持在規定要求的“每級荷載不宜超過最大荷載值的20%”范圍內,并按照H.1.6規定的要求進行位移測量。試驗的具體要求如下。

1)檢測加載作用下的測點位移及螺栓連接的變形情況。

2)檢測在固定荷載持續作用下的測點位移變化情況以及螺栓連接的變形情況。

3)檢測卸載過程中的測點位移與卸載后殘余變形。

4.2.3主要儀器設備

荷載傳感器及應變儀、電子百分表(均依法進行了檢定),加載裝置(臺座、千斤頂、反力梁等)。

4.2.4加載過程

按照要求每級加載后直到變形值在15min內不再明顯增加時進行讀數記錄,加載至最大荷載值時,持荷時間保持為1h再進行讀數記錄,然后分級卸載,整個過程中在每級加卸載后,同時檢查記錄構件及構件連接處是否存在開裂等現象,試驗過程如表1～3所示。

表1 測點1試驗加載Table 1 Test point 1 loading

表2 測點2試驗加載Table 2 Test point 2 loading

表3 加載過程螺栓變形Table 3 Bolt deformation during loading process

4.2.5試驗結果

本次智能頂升模架支點部位的墻體承載力試驗結果如下。

1)測點1 以每級100kN進行逐級加載,加載至600kN時,位移為19mm,保持600kN荷載值不變,加載0.5,1h后位移值均保持為19mm,后以每級200kN進行逐級卸載,卸載至0kN時位移值為7mm,靜置10min后再次測量位移值仍保持為7mm,故卸載后的殘余變形為7mm。

2)測點2 以每級100kN進行逐級加載,加載至600kN時,位移值為15mm,保持600kN荷載值不變,加載0.5,1h后位移值均保持為16mm,后以每200kN進行逐級卸載,卸載至0kN時位移值為7mm,靜置10min后再次測量位移值仍保持為7mm,故卸載后的殘余變形為7mm。

4.2.6結論與建議

根據試驗檢測結果,在距離墻體700mm處加載至600kN時,荷載-位移曲線基本為線性關系,智能頂升模架下步支撐部位未發現墻體開裂現象,距離結構樓面以下350mm處的墻體承載力滿足要求。

5 支承動力系統安裝

5.1 支承動力系統安裝

支承動力系統安裝順序如圖11所示。

圖11 安裝順序Fig.11 Installation sequence

1)第1步 掛座安裝

首先安裝各頂升機位的3臺掛座,掛座單個重約200kg,利用W6015塔式起重機直接安裝。掛座吊裝之前,在剪力墻上進行螺栓洞口預留,通過6根M42螺栓(經結構計算,上排安裝2根,下排安裝2根即滿足受力要求,在條件允許的情況下,可安裝6根螺栓)將掛座固定在剪力墻上,掛座安裝完成后,必須校核豎向掛座,保證各列豎向3個掛座在一條鉛垂線上。

2)第2步 軌道立柱安裝

軌道立柱單個重約1t,利用W6015塔式起重機直接吊運安裝即可。利用掛座鉤爪承擔立柱的豎向荷載,利用掛座構造及限位塊防止軌道立柱的傾覆。安裝完軌道立柱之后,必須嚴格校核如下項目：①上下掛座的平面定位是否有偏差(≤2mm);②整個軌道立柱的垂直度以及與柱頭的平面角度是否符合要求。

3)第3步 上換向盒安裝

換向盒重約20kg,可利用電動葫蘆及人工直接安裝。將上換向盒套在軌道立柱上,通過換向舌將換向盒卡位在軌道立柱上。頂升作業時,上下換向盒利用換向舌與軌道立柱掛槽的相互作用使軌道立柱及套架爬升。

安裝完上換向盒之后,必須嚴格校核如下項目：①上下掛座的平面定位是否有偏差(≤2mm);②軌道立柱的垂直度是否符合要求。

4)第4步 頂升油缸安裝

頂升油缸單個構件重約100kg,利用W6015塔式起重機直接吊運安裝。將油缸吊裝至已經固定好的上換向盒下方,用銷軸將油缸上部與上換向盒進行連接,同時采取加固措施保證兩者不滑落。

5)第5步 套架及下換向盒安裝

套架單個構件重約500kg,下換向盒與套架栓焊為一個整體,利用W6015塔式起重機直接吊運安裝。將套架嵌套在軌道立柱上,利用兩者構造形式使套架只能沿軌道立柱上下方向滑動。用銷軸將下換向盒與油缸下部連接,使下換向盒與套架掛在油缸下方,此時調整掛座掛爪與C形鉤爪的位置,解除上換向盒與軌道立柱的連接,使套架落在掛座上,并承擔上方的下換向盒、油缸、上換向盒的豎向荷載。

安裝完套架之后,必須嚴格校核如下項目：①油缸垂直度是否符合要求;②軌道立柱的垂直度是否符合要求;③套架是否水平(≤2mm)。

6)第6步 動力及同步控制系統安裝

11個頂升油缸分別由11組動力泵站控制伸縮,單組動力泵站重約1t,采用W6015塔式起重機吊裝至各頂升機位的支撐立柱上方,隨后將液壓油管由動力泵站沿著支撐立柱向下連接至頂升油缸組,液壓油管采用管夾連接在支撐立柱上,管夾與支撐立柱焊接連接。

本工程的智能頂升模架頂升控制系統集成在1個同步控制柜里,控制柜質量控制在1t以內,滿足塔式起重機起重性能要求。控制柜與動力泵站的信號電纜采用線架固定在鋼平臺下弦,保證布設線路清晰、美觀。

5.2 液壓系統安裝施工

5.2.1動力及同步控制系統安裝

11個頂升油缸分別由11組動力泵站控制伸縮,單組動力泵站重約1t,采用W6015塔式起重機吊裝至各個頂升機位的支撐立柱上方,隨后將液壓油管由動力泵站沿著支撐立柱向下連接至頂升油缸組,液壓油管采用管夾連接在支撐立柱上,管夾與支撐立柱焊接連接。

5.2.2油缸安裝

頂升油缸單個構件重約100kg,利用W6015塔式起重機直接吊運安裝。將油缸吊裝至已經固定好的上換向盒下方,用銷軸將油缸上部與上換向盒進行連接,同時采取加固措施保證兩者不滑落。

6 結語

本文通過對支承動力系統的設計、計算、施工應用,論證輕型支承系統的可實行性。通過小行程液壓系統應用,使用控制系統控制油缸系統實現自動化操作,通過模擬支承系統實際受力情況,600kN荷載下,未發生墻體開裂現象,論證了結構墻體承載力可支撐造樓機,確保了施工安全性。