超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)安裝施工技術(shù)

鄭 洋,顏 冬

(中建鋼構(gòu)有限公司,深圳 518000)

超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)安裝施工技術(shù)

鄭 洋,顏 冬

(中建鋼構(gòu)有限公司,深圳 518000)

論文介紹了超高層酒店的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)理念;避難層屈曲約束支撐的設(shè)計(jì)與施工;SRC折線形斜向柱的施工質(zhì)量與精度控制以及超高層酒店文明施工與安全施工。

設(shè)計(jì)理念; 屈曲約束支撐; SRC; 超高層測(cè)量; 施工安全

1 工程概況

超高層酒店地下3層(不包含地下一層設(shè)置的夾層),地上54層,結(jié)構(gòu)標(biāo)高258.4 m,塔樓層高2.100～7.500 m,標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.900 m和4.100 m。鋼構(gòu)件類型主要有十字型和H型。核心筒外框均勻分布16根勁性十字柱,基礎(chǔ)底板至+10.700 m標(biāo)高核心筒東南角設(shè)置有4根勁性十字柱,主體結(jié)構(gòu)共設(shè)置三道環(huán)帶桁架,分別位于22、35、47層,桁架斜腹桿采用屈曲約束支撐。

本建筑鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)安裝施工主要有以下幾個(gè)要點(diǎn):(1)超高層酒店整體造型從下往上先外擴(kuò)后內(nèi)收,致使鋼結(jié)構(gòu)外框柱層層傾斜,增加了鋼結(jié)構(gòu)施工的難度,施工風(fēng)險(xiǎn)大幅增加。(2)鋼結(jié)構(gòu)外框鋼柱設(shè)計(jì)為勁性鋼骨柱,與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)交叉節(jié)點(diǎn)數(shù)量多,形式較為復(fù)雜,且外框鋼柱全部帶有一定的傾斜角度,深化設(shè)計(jì)難度較高。(3)由于主體外框鋼柱全部單向傾斜,并在結(jié)構(gòu)中部由外斜向內(nèi)斜過度,隨著鋼結(jié)構(gòu)安裝的進(jìn)行,受結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、日照和溫差等因素的影響,對(duì)測(cè)量控制的方法和測(cè)量精度提出了較高要求。(4)避難層屈曲約束支撐截面小,板材厚,精度控制與焊接控制不同于一般鋼結(jié)構(gòu)施工。

2 超高層酒店結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念

義烏世貿(mào)中心超高層酒店造型獨(dú)特,中間鼓突,上下收緊,流線型的樓體拔地而起,圓潤(rùn)的身形向上漸變?yōu)榛ò晷?簡(jiǎn)潔大氣,一氣呵成,有著“盛世花開,龍騰義烏”的美好寓意,表達(dá)對(duì)義烏經(jīng)濟(jì)持續(xù)騰飛、繁榮的隱喻。與此同時(shí),超高層酒店中間樓層向外鼓突,在占地面積狹窄的情況下,借助結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)巧妙地增加了超高層酒店的建筑空間,增加了容積率,提高了資金的利用率。為滿足五星級(jí)超高層酒店高水準(zhǔn)、高性能的建筑平面及立面設(shè)計(jì)要求,并滿足結(jié)構(gòu)安全和施工便利的要求,核心筒外框設(shè)置16處SRC柱以增強(qiáng)整體穩(wěn)定性,16根外框SRC柱內(nèi)十字型鋼由地下3層至54層。

義烏世貿(mào)中心超高層酒店由核心筒和外框16根SRC柱形成核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系,如圖1所示,16根SRC柱對(duì)稱布置,結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)能力雙向平衡。利用避難層設(shè)置3道加強(qiáng)桁架,桁架腹桿采用屈曲約束支撐,桁架位于22F、35F、47F。進(jìn)一步提高建筑物整體抗側(cè)能力,增加結(jié)構(gòu)的整體剛度,有效地減小了建筑在風(fēng)壓工況下變形和變形加速度,滿足了建筑舒適度要求,同時(shí)也提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力[2]。

梁柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方面,鋼梁與核芯筒采用鉸接連接。鋼梁與外圍框架柱為剛接連接,且在節(jié)點(diǎn)區(qū)域鋼梁腹板通過長(zhǎng)圓孔穿鋼筋,以加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的抗震能力。

3 鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)

與一般建筑施工不同,鋼結(jié)構(gòu)施工依照的主要是專業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)圖而非結(jié)構(gòu)圖,鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)工程流程的基礎(chǔ)。本工程的深化設(shè)計(jì)包括鋼柱、鋼梁及鋼桁架的深化設(shè)計(jì)。

針對(duì)義烏世貿(mào)中心鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和重要性,深化設(shè)計(jì)首先根據(jù)施工方案進(jìn)行合理的分段,既保證構(gòu)件的加工及運(yùn)輸,又有利于現(xiàn)場(chǎng)吊裝。其次深化設(shè)計(jì)針對(duì)構(gòu)件的連接形式、坡口和焊縫進(jìn)行細(xì)化,便于工廠的制作和現(xiàn)場(chǎng)的焊接。義烏世貿(mào)中心超高層酒店特殊的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了每個(gè)樓層均與其他樓層不同,均需要單獨(dú)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。為保證深化進(jìn)度同時(shí)增加后期結(jié)構(gòu)調(diào)整的靈活性,以6層為一個(gè)深化節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)。

義烏世貿(mào)中心超高層酒店深化設(shè)計(jì)工作量大、難度較高,為最大限度地確保深化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,本工程通過鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)車間工藝以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息反饋處理。當(dāng)生產(chǎn)車間在放樣階段被發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)疑問時(shí),及時(shí)通知深化設(shè)計(jì)部,深化設(shè)計(jì)部會(huì)立即組織人員對(duì)問題進(jìn)行分析,判斷問題類型,并有針對(duì)性地進(jìn)行圖紙局部修改或再深化。施工階段定期將標(biāo)高實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反饋深化設(shè)計(jì)院,深化設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)部分鋼構(gòu)件的尺寸進(jìn)行微調(diào)。尤其是在桁架層施工前,將現(xiàn)場(chǎng)安裝后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)送設(shè)計(jì)單位與廠區(qū),在規(guī)范與設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi),通過合理的調(diào)整分段長(zhǎng)度來保證穿孔精度。

雖說是小手術(shù)，又是段主任親自給我做，我還是感到有點(diǎn)兒緊張，護(hù)士連著給我測(cè)了兩回血壓，都是有點(diǎn)兒高。好在氣管鏡允許家屬在現(xiàn)場(chǎng)，尤其是王姐也在，兩人不停地安慰我，才終于讓我平靜下來。

義烏世貿(mào)中心超高層酒店涉及大量勁性鋼骨結(jié)構(gòu),涉及大量土建與鋼結(jié)構(gòu)的協(xié)同作業(yè)。經(jīng)過與土建單位的密切溝通,深化設(shè)計(jì)重點(diǎn)解決了交叉作業(yè)過程中鋼骨柱與梁鋼筋搭接節(jié)點(diǎn)問題。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí),盡量使型鋼混凝土梁、柱中鋼筋避開型鋼,無法避開時(shí)可采用鋼筋穿孔,但盡量避免在型鋼的翼緣穿孔。當(dāng)必須在柱內(nèi)型鋼腹板上預(yù)留貫穿孔時(shí),型鋼腹板截面損失率宜不大于腹板面積20%。鋼筋穿孔造成鋼截面損失不能滿足承載力要求時(shí),可采取型鋼截面局部加厚的辦法補(bǔ)強(qiáng)。型鋼混凝土框架柱和框架梁的縱向受力鋼筋在框架節(jié)點(diǎn)區(qū)的錨固和搭接應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求。

4 折線形斜向型鋼柱的施工

義烏世貿(mào)中心超高層酒店外框共有16根勁性十字鋼骨柱,鋼骨柱從下到上先外向傾斜,后內(nèi)向傾斜,我們稱之為折線形斜向型鋼柱。為提高安裝效率,減小鋼骨柱制作誤差,以2層1節(jié)的形式對(duì)鋼骨柱進(jìn)行分段,每根鋼骨柱長(zhǎng)約8 m,重約7噸,自帶傾角0～3°不等。吊裝施工難度大,是超高層鋼結(jié)構(gòu)安裝作業(yè)的典型代表。

折線形斜向型鋼柱的安裝流程為:鋼柱吊裝→纜風(fēng)繩固定→鋼柱垂直度檢測(cè)→鋼梁安裝形成框架→焊前鋼柱坐標(biāo)精校→焊接施工→超聲波探傷→焊后鋼柱坐標(biāo)復(fù)驗(yàn)對(duì)比→工序移交。

核心筒施工始終領(lǐng)先鋼結(jié)構(gòu)施工5～6層的進(jìn)度,鋼結(jié)構(gòu)施工嚴(yán)格執(zhí)行“先柱后梁、先主后次、對(duì)稱施工、流水作業(yè)”的原則,從西北角和東南角同時(shí)順時(shí)針方向進(jìn)行施工。折線形斜向型鋼柱比一般鋼柱的精度控制要求更高,鋼柱就位后測(cè)量校正措施是否有效決定了整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量的高低。鋼柱測(cè)量校正順序:調(diào)整標(biāo)高→調(diào)整位移→調(diào)整垂直度。

調(diào)整標(biāo)高:當(dāng)鋼柱穩(wěn)固后,進(jìn)行垂直度初校并利用墊鐵進(jìn)行柱標(biāo)高精校。在鋼柱底用墊鐵校正鋼柱標(biāo)高。每根柱的底板下設(shè)1～4組墊鐵,每組不多于5塊。標(biāo)高校正完后,每組墊鐵塊間及墊鐵與柱底間點(diǎn)焊固定;調(diào)整位移:柱腳的位移調(diào)整以基面中線與柱身中線對(duì)齊為標(biāo)準(zhǔn),如有偏差,可用千斤頂往反方向調(diào)整,千斤頂?shù)姆醋饔檬芰c(diǎn)可作用在勁性柱腳插筋的根部(鋼柱的垂直偏差也可以采用控制柱底位移來調(diào)整,利用千斤頂調(diào)整柱底中心線的就位偏差來調(diào)整柱子的垂直精度);調(diào)整垂直度:使用全站儀對(duì)鋼柱頂部四邊及中心點(diǎn)共計(jì)5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,對(duì)比設(shè)計(jì)值進(jìn)行垂直度調(diào)整,通過纜風(fēng)繩或者支撐進(jìn)行校正。校正時(shí)先先校正偏差較大的方向,后校正偏差小的(如兩方向偏差相近,先校正小面,后校正大面)。

5 鋼結(jié)構(gòu)的測(cè)量施工

鋼結(jié)構(gòu)測(cè)量不同于一般土建測(cè)量,精度要求高,專業(yè)性強(qiáng)。鋼結(jié)構(gòu)測(cè)量屬于過程控制,是鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制的重要保障。對(duì)于超高層鋼結(jié)構(gòu)施工,必須將誤差嚴(yán)格控制在規(guī)范要求的精度內(nèi),以保證構(gòu)件自由就位和結(jié)構(gòu)精度。因超高層酒店土建與鋼結(jié)構(gòu)交叉作業(yè)多,為保證雙方溝通方便,鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)同土建建立相同的平面控制網(wǎng),即鋼結(jié)構(gòu)使用土建建立的三級(jí)控制網(wǎng),但使用前需進(jìn)行復(fù)測(cè)校正。

鋼結(jié)構(gòu)測(cè)量施工最關(guān)鍵步驟是控制網(wǎng)的平面引測(cè)和垂直引測(cè)。平面引測(cè)是將首層的測(cè)量控制網(wǎng)通過激光鉛垂儀在相應(yīng)樓層重新建立,主要通過激光鉛垂儀和激光接受靶進(jìn)行4個(gè)測(cè)量控制點(diǎn)的垂直傳遞與接收。激光鉛垂儀對(duì)準(zhǔn)首層建立的測(cè)量控制點(diǎn),通過每層預(yù)留的200×200 mm的孔洞將激光向上傳遞。每個(gè)測(cè)量控制點(diǎn)激光鉛垂儀將進(jìn)行0°、90°、180°、270°的旋轉(zhuǎn),激光接受靶將產(chǎn)生4個(gè)激光點(diǎn),如圖2所示,取4次激光點(diǎn)的幾何中心即為本次投測(cè)的真正點(diǎn)位位置。待4個(gè)測(cè)量控制點(diǎn)在目標(biāo)樓層全部建立以后,即可在目標(biāo)樓層重新建立同首層完全一致的平面控制網(wǎng)。

垂直引測(cè)主要是高程的傳遞,考慮到超高層結(jié)構(gòu)施工的特殊性及激光鉛直儀的高精度施工能力,超高層酒店主軸線的垂直引測(cè)總共布置六次循環(huán)。分別架設(shè)激光鉛直儀于首層油漆標(biāo)示的主軸線控制點(diǎn)上,將主軸線點(diǎn)逐一垂直引測(cè)至同一目標(biāo)高度,使用50 m鋼卷尺垂直向上引測(cè)基準(zhǔn)標(biāo)高,引測(cè)點(diǎn)以墻面+1.000 m位置作為標(biāo)高起始基準(zhǔn)點(diǎn)。每次引測(cè)到目標(biāo)高度后的四個(gè)點(diǎn)均需再次閉合,閉合差≤2 mm,位置為其所在樓層結(jié)構(gòu)面上+1.000 m處。閉合的四個(gè)點(diǎn)作為本層上一節(jié)鋼柱及其它構(gòu)件安裝與校正的高程控制點(diǎn)。

6 避難層桁架的施工

超高層建筑對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能和風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形要求更高。普通支撐受壓會(huì)產(chǎn)生屈曲現(xiàn)象,當(dāng)支撐受壓屈曲后,剛度和承載力急劇降低。在地震或風(fēng)的作用下,支撐的內(nèi)力在受壓和受拉兩種狀態(tài)下往復(fù)變化。當(dāng)支撐由壓曲狀態(tài)逐漸變至受拉狀態(tài)時(shí),支撐的內(nèi)力以及剛度接近為零。因而普通支撐在反復(fù)荷載作用下滯回性能較差。而屈曲約束支撐一方面可以避免普通支撐拉壓承載力差異顯著的缺陷,另一方面具有金屬阻尼器的耗能能力,使得主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性范圍內(nèi)。

義烏世貿(mào)中心超高層酒店共采用96根屈曲約束支撐,分布在F22～F23、F35～F36、F47～F48之間。主樓外框柱每層16根,在相應(yīng)樓層,每?jī)筛饪蛑g設(shè)計(jì)有2根屈曲約束支撐,如圖3所示,故每層有屈曲約束支撐32根。屈曲約束支撐外觀為正方形,外觀尺寸為400×400 mm,芯板厚度為50 mm,屈服承載力最大為12 850 k N。本工程所用屈曲約束支撐為承載力屈曲約束支撐,故而屈曲約束支撐的安裝不宜滯后于次節(jié)結(jié)構(gòu)施工,以便屈曲約束支撐更好地發(fā)揮承載力,達(dá)到設(shè)計(jì)性能要求。

義烏世貿(mào)中心超高層酒店屈曲約束支撐施工步驟由①～④,其中①為下弦梁,②為鋼柱,③為上弦梁,④為BRB即屈曲約束支撐。因屈曲約束支撐(BRB)空間呈一定傾角且滯后上弦梁安裝,屈曲約束支撐現(xiàn)場(chǎng)通過塔吊進(jìn)行起吊,通過倒鏈進(jìn)行BRB角度調(diào)整和BRB就位。

屈曲約束支撐芯板厚度達(dá)50 mm,超過現(xiàn)場(chǎng)一般構(gòu)件厚度,按照規(guī)范要求需要做焊接工藝評(píng)定[3]。因前期焊接工藝評(píng)定已經(jīng)考慮到工程最大板材厚度,焊接工藝評(píng)定板材允許適用范圍涵蓋了屈曲約束支撐芯板板厚50 mm,故而此次不需要另做評(píng)定。依照設(shè)計(jì)要求,BRB現(xiàn)場(chǎng)焊接焊縫等級(jí)為二級(jí),超聲波探傷比例為20%[4]。

7 下掛水平安全網(wǎng)和外挑防護(hù)網(wǎng)

安全施工是建設(shè)工程的第一要?jiǎng)?wù)。義烏世貿(mào)中心超高層酒店鋼結(jié)構(gòu)面臨著大量安全風(fēng)險(xiǎn)較大高空作業(yè)、臨邊作業(yè)等。隨著建筑高度日益增加,保障施工安全需求越來越迫切。除了安全帽、安全帶、安全鋼絲繩等一般性的安全防護(hù)措施外,特別針對(duì)義烏世貿(mào)中心超高層酒店設(shè)計(jì)安裝了下掛水平安全網(wǎng)和外挑防護(hù)網(wǎng)。

下掛水平安全網(wǎng)主要用于鋼筋桁架板鋪設(shè)前的高空墜落防護(hù),采用經(jīng)過驗(yàn)收合格的標(biāo)準(zhǔn)3×6 m小眼水平兜網(wǎng)。在一般工程中,安全網(wǎng)是鋪設(shè)在鋼梁上翼緣表面,但在樓層壓型鋼板鋪設(shè)、鋼梁焊接、高強(qiáng)螺栓終擰時(shí),安全網(wǎng)必須移除,為后續(xù)專業(yè)施工提供工作界面,此時(shí),施工人員的安全問題就無法得到有效保障。義烏世貿(mào)中心超高層酒店鋼結(jié)構(gòu)工程采用下掛式水平安全網(wǎng),不僅可以有效進(jìn)行高空墜落防護(hù),還不影響樓層壓型鋼板鋪設(shè)、鋼梁焊接、高強(qiáng)螺栓終擰,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全施工起到了極大的保障作用。

外挑防護(hù)網(wǎng)主要針對(duì)超高層酒店鋼結(jié)構(gòu)臨邊施工作業(yè)。外挑防護(hù)網(wǎng)主要由腳手管、小眼水平兜網(wǎng)、鋼絲網(wǎng)和鋼絲繩組成。外挑防護(hù)網(wǎng)在地面拼接完畢,通過塔吊進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)安裝,并在本層結(jié)構(gòu)完成后向上轉(zhuǎn)移。外挑防護(hù)網(wǎng)的規(guī)格為6×6 m,中間通過腳手管呈“田”字加強(qiáng)布置。小眼水平兜網(wǎng)滿鋪于腳手管形成的框架上,邊部與腳手管通過鋼筋進(jìn)行牢固綁扎。小眼水平兜網(wǎng)上部再鋪設(shè)一層密目鋼絲網(wǎng),以增加整體承載力和安全性。

8 結(jié) 論

a.造型是超高層建筑的靈魂,結(jié)構(gòu)體系是超高層建筑的關(guān)鍵,對(duì)關(guān)鍵部位、關(guān)鍵工序的把控是保證超高層建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量的核心。本工程加強(qiáng)對(duì)折線形SRC柱施工、超高層測(cè)量以及屈曲約束支撐安裝的管理,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多樣化提供了詳盡的工程實(shí)例。

b.避難層桁架的安裝精度和焊接質(zhì)量,可通過選用恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量、校正和焊接方案來實(shí)現(xiàn),避免焊縫收縮產(chǎn)生的不利影響。同時(shí),加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工和深化設(shè)計(jì)的溝通交流,通過現(xiàn)場(chǎng)反饋機(jī)制,將前期深化設(shè)計(jì)的盲點(diǎn)、誤差進(jìn)行改進(jìn),對(duì)后期的施工有重大幫助。

c.安全第一,預(yù)防為主,綜合治理。超高層建筑施工要時(shí)刻把安全作為首要考慮因素,結(jié)合工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn),有針對(duì)性地就安全突出問題提出合理有效的解決方案。

[1] GB 50011—2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 297—2013,建筑消能減震技術(shù)規(guī)程[S].

[3] GB 50661—2011,鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S].

[4] GB 50205—2001,鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

Steel Construction's Installation Technology of Super High-rise Building

ZHENG Yang,YAN Dong
(China Construction Steels Structure Corp Ltd,Shenzhen 518000,China)

This paper introduced the structural feature and the design concept of super high-rise hotel.The design and construction of BRB in refuge floor,the construction quality and accuracy control of broken-line SRC and civilized and safe construction of super high-rise hotel were introduced.

design concept; BRB; SRC; high-rise building measurement;safe construction

2014-08-25.

鄭 洋(1987-),肋理工程師.E-mail:zheng8yang@126.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.024