横向容差自调节式爬升钢平台的设计与应用

李海生

(北京市建筑工程研究院有限责任公司，北京 100039)

0 引言

我国超高层建筑施工时，为满足业主方对施工进度的要求，核心筒施工时大多采用内外全爬的液压爬升施工技术，即竖向结构先行，核心筒内楼梯、梁、楼板等水平结构滞后施工。施工核心筒内墙体时，液压爬升钢平台技术存在如下问题：①施工过程中，不能很好应对横向变化，当核心筒横向跨距尺寸改变时，对钢平台主架体和附着装置产生额外水平拉力，常导致主架体变形甚至断裂、开焊、弯曲、附着装置变形等，带来安全隐患；②承载能力相对较小，不能携带布料机爬升；③横向连梁不具通用性，每个工程都需单独设计、加工，浪费资源。因此需改造既有液压爬升钢平台技术，以提升施工安全、质量。既有液压爬升钢平台如图1a所示。

图1 爬升钢平台结构

1 横向容差自调节式爬升钢平台设计

1.1 设计概况

在现有液压爬模爬架技术的基础上，研发新型爬升钢平台体系，应用于超高层建筑核心筒内墙中(见图1b)。相比既有钢平台，新型钢平台采用承重销轴无级滑动调节方式，可实现横向距离自行调节。模块化单元组具有快装快拆、易于更换的特点，从而降低成本。附着装置采用双槽可移位式附着，安装时可调节左右位置。加大钢平台顶部承载力，可携带布料机进行爬升。大吨位顶升力设计加快架体爬升速度，可实现和施工电梯的结合。

1.2 主承力柱设计

主承力柱与附着装置连接基本沿用既有技术，需重新设计与中间承载桁架结构间的连接。考虑横向移动空间尺寸、承重能力要求，立柱整体结构设计为T形，顶部短横梁上开孔，用于穿承载销轴，考虑施工中横向距离尺寸变化情况，单侧横梁上开2个连接孔，间距100mm，即单侧横向距离调整可满足100mm，双侧可满足200mm尺寸变化要求，立柱长度按层高、爬升工序进行设计，为加强稳定性，在立柱下部设计顶墙支腿，形成上下双支点的连接形式，增强立柱抗弯能力。结构设计如图2所示。

图2 主承立柱结构设计

1.3 承载桁架结构设计

承载桁架体系包括中间连接桁架+端头连接桁架，中间连接桁架设计为单元模块结构，考虑核心筒横向跨距变化尺寸，设计2种规格的桁架，可组合连接以满足不同跨度需求。端头连接桁架与主承立柱连接部分设计1段短横梁，短横梁上设计调节槽，短横梁在施工中压在主承立柱T形头上，该设计可更有效传递整个钢平台竖向荷载，短横梁上开调节槽与主承立柱上承重销轴压接，调节槽单侧横向长100mm。结构设计如图3所示。

图3 连接桁架结构设计

1.4 横向移动自调节结构设计

横向移动自调节结构采用承重销轴+自锁连接装置，承重销轴穿过主承立柱T形头，T形头上设计前后2个销轴孔，可根据现场施工需要进行调节，销轴穿过立柱销轴孔，并搭在端头桁架短横梁调节槽上，销轴可在端头桁架内滑动，当核心筒横向距离发生变化时，中间主连接桁架不变，主承立柱带动桁架整体沿导轨爬升，同时主承立柱与桁架可横向滑动，因此满足横向尺寸变化时的连接要求，同时保证顺利爬升，架体不承受因此产生的附加水平力，避免架体硬拉产生变形和破坏。

1.5 上架体结构设计

上架体高度约为2倍层高，满足支模、脱模、绑扎钢筋和浇筑混凝土操作需要。架体平台宽1.3m，顶层平台设计荷载为8kN/m2，共3层，上2层是墙体绑筋作业平台，第3层是模板施工作业平台。上架体由前后立柱、横撑及辅助加强板组成。

1.6 挂架结构设计

挂架由吊杆、横梁和连接件组成，挂架上部与承载桁架下弦杆连接。主要作用是拆除使用完毕的附着装置，结构施工后期进行清理维护。吊杆可根据需要下挂多节，从而实现作业人员从施工电梯出来后，到达爬升钢平台挂架层。

1.7 附着装置结构设计

采用双点预埋附着装置，预埋孔设计成长圆形，允许附着装置左右移动距离≤60mm，利于安装，加大附着装置承载力设计值，满足超高层爬模架体附着要求。附着装置由承力板、附着座、固定套、插板和连接销轴组成。承力板是导轨支撑垫板，承力板上安装套管和压簧，使承力板可摆动并自动复位。附着座由多块钢板组焊而成，一侧钢板上开长圆形双孔，用于穿预埋螺栓，并用螺母拧紧，另一侧钢板焊接成喇叭口，用于反拔连接固定套。固定套由不同厚度的钢板组焊而成，勾在附着座上，外形类似耳朵，固定套上开槽，与爬模架体主梁端头开槽大小一致，插板穿过开槽，将架体与固定套连接在一起。结构设计如图4所示。

图4 附着装置结构设计

1.8 爬升导轨设计

导轨是液压爬升系统中重要的承力和导向部件，导轨长为2～3个结构层高，由导轨主体、踏步块、钩头组成。截面形式采用组合截面，在H型钢腹板两侧加焊肋板，以加强强度和刚度，踏步块焊接在导轨翼缘上，满足架体分布爬升要求，钩头焊接在导轨上端，并将导轨钩挂在附着装置承力板上。

1.9 爬升动力装置设计

爬升动力装置由爬升箱、油缸组成，安装在主承力柱上。爬升动力系统具有自动爬升、自动导向、自动锁紧的功能，因建筑工程层高、结构不同，在设计中将爬升过程分为单独控制、多步爬升，即每步爬升高度固定，但爬升次数根据结构层高确定。油缸两端连接上下爬升箱，上爬升箱上端与主承力柱连接，下端与油缸连接，并抱在导轨上。下爬升箱上端与油缸连接，同样抱在导轨上。爬升箱内设置承力块、限位块、摆臂，爬升时承力块起临时支撑架体作用，摆臂作用可实现多次爬升，并自动复位每次爬升，限位块对摆臂最大摆动位置起安全止挡作用。结构设计如图5所示。

图5 爬升动力装置结构设计

1.10 钢平台带布料机重载结构设计与计算

核心筒内机具设备多、工序繁杂、施工体量大，钢平台使用时，与其他施工设备交叉配合作业多，若能加强各设备间的协同工作，将有效提升施工效率、质量、安全。既有组合式钢平台承载设计为3kN/m2，使用中受一定限制，横向容差自调节式钢平台常规施工活荷载可达(3+5)kN/m2，可承载一定规格的布料机爬升。

以兰州名城广场工程钢平台实例进行验算。核心筒钢平台架体所用钢材假定为理想弹塑性材料，材质为Q235B，强度设计值为215MPa。

物料平台所受荷载包括布料机自重、顶层平台施工荷载(8kN/m2)、各层平台自重、施工人员自重、模板自重及架体自重荷载。其中静荷载分项系数取1.2，活荷载分项系数取1.4。施加上述荷载后进行有限元分析，由物料平台总体Mises应力等值线可以看出，物料平台最大Mises应力为150.1MPa，位于主梁头端部，小于材料许用应力215MPa，说明物料平台强度符合要求。

由于上架体和挂架均安装在水平桁架上，因此桁架是主要受力结构，由水平桁架Mises应力等值线可以看出Mises应力最大为99.29MPa，位于端部桁架上弦杆，小于材料许用应力215MPa，说明桁架强度符合要求。

通过附墙装置连接处的支反力验证穿墙螺栓强度，各主梁头与附墙装置连接处的支反力如图6所示，水平方向最大支反力为27.17kN，竖直方向最大支反力为219.1kN，即穿墙螺栓受到的最大水平力FA和竖直力VA分别为27.17，219.1kN。

图6 主梁头与附墙装置连接处的支反力

每个附墙装置处使用2根M36螺栓，螺纹处的有效面积Ae为817mm2。

每根螺栓承受的剪力和拉力如下：

(1)

(2)

选用8.8级高强度预埋螺栓，每根螺栓抗拉承载力设计值如下：

预埋螺栓同时承受拉力和剪力时，验算如下：

2 设计参数

该平台设计参数如下：架体高度为18～26m，2个附墙点支撑跨度≤6m，额定压力为19MPa，施工荷载顶层平台≤8kN/m2，其他层平台≤1kN/m2；油缸行程为445mm，额定推力为150kN，架体顶升速度为0.33～0.36m/min，双缸同步误差≤30mm。

3 工程应用

马来西亚吉隆坡标志塔工程建筑高度为452m，为我国企业承接海外建筑高度之最。核心筒内使用4组横向容差自调节式爬升钢平台，主体结构平均施工速度为2～3d/层，创造海外相同高度核心筒施工最快纪录。工期仅31个月，比世界同高度超高层工期缩短一半以上。

兰州名城广场工程建筑高度为250m，核心筒内使用1组横向容差自调节式爬升钢平台，携带14t液压布料机进行爬升，钢平台下部和施工电梯结合，有效解决作业人员上下问题。主体结构平均施工速度为5～6d/层，提前60d封顶。

4 结语

横向容差自调节式爬升钢平台技术的研发，解决既有钢平台在核心筒横向跨距出现偏差时，设备爬升容易受到额外水平力而造成设备及结构墙体损坏问题，确保施工过程的安全性；标准化程度高、可重复使用率高、功能更加完备，能携带物料和施工设备(如布料机)一起爬升；施工过程更加便捷，有效提高施工效率，节约资源；符合行业不断向安全、高效和节约资源方向发展的趋势，对超高层建筑施工设备和技术发展有积极的推动作用。