大型公建主體鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

朱怡巧 程 驥 沈西華 袁 震 陸優(yōu)民

1. 浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 杭州 311231；2. 浙江省建工集團(tuán)有限責(zé)任公司 浙江 杭州 310012

1 工程概況

中信銀行杭州分行新建金融辦公用房工程位于浙江省杭州市錢江新城錢塘江畔，建筑采用長方體布置，占地面積2 210.8 m2。主樓地下3層（含非機(jī)動(dòng)車庫夾層），地上20層（含機(jī)房夾層），總高99.9 m，總建筑面積59 000 m2，本工程整體外觀由結(jié)構(gòu)構(gòu)件形成多面切角造型，通過玻璃幕墻折射出光影變化，酷似一顆金色鉆石矗立在錢塘江畔（圖1）。

工程采用裝配式巨型鋼結(jié)構(gòu)體系，巨型鋼結(jié)構(gòu)體系由鑄鋼節(jié)點(diǎn)、斜向支撐、斜向鋼柱、斜向鋼柱柱間支撐、箱形鋼梁和鑄鋼件等組成，鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量13 500 t（圖2）。

2 鋼結(jié)構(gòu)施工重點(diǎn)及難點(diǎn)

中信銀行杭州分行新建金融辦公用房工程工期緊、質(zhì)量要求高，施工中存在以下重點(diǎn)及難點(diǎn)：

1）吊裝設(shè)備選型及吊裝工況復(fù)雜，需要采用多種組合吊裝方式才能滿足施工要求。

圖1 建筑效果圖

圖2 結(jié)構(gòu)軸測圖

2）施工階段的變形不協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)變形控制精度要求高。

3）鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件種類多，不同的構(gòu)件類型需要采用不同的組合式吊裝及安裝技術(shù)。

4）斜鋼柱測量精度要求高。

3 鋼結(jié)構(gòu)施工部署

3.1 吊裝設(shè)備選型

塔吊是本工程鋼結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵影響因素，綜合考慮項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)形式、工期、鋼結(jié)構(gòu)分段質(zhì)量、塔吊的起吊能力和塔吊貨源等因素，選用2臺(tái)ZSL1000動(dòng)臂式外附塔吊（編號(hào)為1#、2#），其中ZSL1000塔吊工作半徑45 m，最大臂長45 m，能滿足一般鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝需求。但是其中鑄鋼節(jié)點(diǎn)ZG-01和ZG-04這2個(gè)構(gòu)件重達(dá)88 t，應(yīng)采用550 t汽車履帶吊結(jié)合滑移進(jìn)行定位安裝?，F(xiàn)場安裝過程中，采用塔吊進(jìn)行鋼構(gòu)件安裝時(shí)，應(yīng)將鋼柱、鋼梁進(jìn)行合理分段和拼裝（圖3）。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)施工期塔吊布置

3.2 施工分區(qū)

鋼結(jié)構(gòu)平面和立面分區(qū)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、塔吊的布置和工作能力、現(xiàn)場施工條件、構(gòu)件分段和質(zhì)量等綜合考慮。依據(jù)該原則，在結(jié)構(gòu)施工平面上劃分成4個(gè)施工分區(qū)，分別為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)。立面分區(qū)由下而上劃分成5個(gè)施工分區(qū)，其中分區(qū)1屬于地下部分，分區(qū)2～5為地上部分。鋼結(jié)構(gòu)立面分區(qū)的施工安排是逐節(jié)安裝鋼柱（1節(jié)鋼柱一般穿過2層鋼梁）。安裝時(shí)，后庭和中庭后立面的鋼柱必須優(yōu)先進(jìn)行安裝、校正和焊接。逐層安裝相應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)樓層梁。鋼結(jié)構(gòu)樓層梁安裝完畢后，開始鋪設(shè)壓型鋼板、栓釘焊接和綁扎樓層鋼筋，柱分段上部樓層的壓型鋼板先行安裝，為下部作業(yè)提供安全防護(hù)（圖4）。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)立面分區(qū)

4 鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

4.1 結(jié)構(gòu)變形分析、控制與監(jiān)測技術(shù)

4.1.1 結(jié)構(gòu)變形分析技術(shù)

影響結(jié)構(gòu)變形的作用效應(yīng)主要分為3類。其中第1類是施工荷載，包括施工機(jī)械設(shè)備、人員活動(dòng)、材料堆積等，對(duì)于該類荷載，是可控的；第2類是自然荷載，包括風(fēng)荷載、溫度和地震作用效應(yīng)等，是不可控的；第3類是材料本身的特性引起的作用效應(yīng)，包括混凝土的收縮和徐變、結(jié)構(gòu)的自重等，對(duì)于該類荷載，也是不可控的，但是可以采取一定的措施將作用效應(yīng)減小[1-3]。

本工程鋼結(jié)構(gòu)采用外框內(nèi)筒的巨型支撐體系，大部分豎向構(gòu)件呈傾斜狀態(tài)，其造型新穎，受力復(fù)雜，特別是結(jié)構(gòu)在形成整體之前剛度較差。為便于構(gòu)件的安裝和定位，在安裝過程中，設(shè)置了大量的臨時(shí)支撐，為能更好地了解結(jié)構(gòu)的受力性能以便于指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)的順利施工和結(jié)構(gòu)的成形，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐在施工各階段的受力和變形進(jìn)行了計(jì)算與分析。為能實(shí)際模擬鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形情況，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)施工的實(shí)際進(jìn)度，將鋼結(jié)構(gòu)施工過程劃分為26個(gè)施工階段，采用有限元軟件MIDAS/Gen進(jìn)行全過程的施工模擬（圖5、圖6）。

圖5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

圖6 結(jié)構(gòu)變形矢量和分布

通過對(duì)巨型鋼結(jié)構(gòu)體系施工工況全過程的可視化模擬，得到結(jié)構(gòu)在全過程不同階段的結(jié)構(gòu)變形和構(gòu)件桿件應(yīng)力，反映到深化設(shè)計(jì)和制作中，消除了結(jié)構(gòu)施工期間的安全隱患，提高了現(xiàn)場安裝效率。通過對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移分析，跟隨施工進(jìn)度指導(dǎo)施工，使巨型鋼結(jié)構(gòu)體系從開始安裝至最終卸載都處于一個(gè)可控的狀態(tài)且結(jié)構(gòu)最終位形滿足設(shè)計(jì)要求。

4.1.2 結(jié)構(gòu)變形控制技術(shù)

對(duì)于本工程，結(jié)構(gòu)變形控制的總體思路是采用有限元軟件對(duì)各個(gè)施工步驟進(jìn)行模擬，確定合理的施工節(jié)奏，嚴(yán)格安排豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的施工順序和施工時(shí)間差。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的壓縮變形和焊接變形[4-5]通過采取精確的測量、預(yù)留調(diào)整量、實(shí)時(shí)下料等措施調(diào)整，通過先進(jìn)的監(jiān)測手段實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保施工過程中內(nèi)外筒體變形補(bǔ)償精確。

本工程結(jié)構(gòu)變形的控制措施主要分為4個(gè)部分：減少塔吊等施工設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)的變形影響；合理選擇施工順序；合理控制施工節(jié)奏；掌握風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)整體變形的影響。

在滿足施工的前提下，施工過程中盡可能選擇較小型號(hào)的塔吊，并且布置在對(duì)稱的位置上，從影響結(jié)構(gòu)變形程度和經(jīng)濟(jì)合理方面對(duì)不同型號(hào)的塔吊予以考慮。本工程中塔吊的外附，通過有限元的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)其對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響較?。▓D7）。

圖7 塔吊附著結(jié)構(gòu)變形矢量

4.1.3 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測技術(shù)

為保證結(jié)構(gòu)最終完成時(shí)的形狀滿足建筑設(shè)計(jì)的要求，確保施工順利進(jìn)行，提高結(jié)構(gòu)的安全可靠性，延長建筑物的使用壽命，我們通過在施工階段對(duì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位（結(jié)構(gòu)的平動(dòng)位移、層高變化、整體傾斜以及重要桿件的應(yīng)力應(yīng)變等）進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行預(yù)警。通過施工仿真分析，建立各工況下的結(jié)構(gòu)變化模型，以明確結(jié)構(gòu)的變形趨勢和變形具體量值，為施工預(yù)設(shè)調(diào)整值進(jìn)行變形控制提供合理依據(jù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，改善施工工藝，提高工程建設(shè)水平，確保質(zhì)量。

施工監(jiān)測的主要任務(wù)為：從地下到地上、從施工到安裝等各個(gè)施工階段，對(duì)塔樓的平動(dòng)位移、各種荷載、結(jié)構(gòu)豎向壓縮變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化等進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測以便提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為后續(xù)施工控制及安裝等提供施工依據(jù)。

4.2 典型構(gòu)件施工技術(shù)

4.2.1 地下“王”字形鋼骨梁施工技術(shù)

本工程鋼骨梁埋設(shè)在大底板內(nèi)，總長達(dá)87.1 m，總重約91 t，須在大底板鋼筋綁扎的同時(shí)進(jìn)行安裝，但由于其位置特殊，大部分處于基坑圍護(hù)支撐下方，無法通過吊機(jī)一次性安裝就位，因此根據(jù)現(xiàn)場施工條件及鋼骨梁的具體分布位置，采用1臺(tái)100 t汽車吊進(jìn)行分段吊裝。對(duì)于被基坑圍護(hù)支撐遮擋的部分采用“分段吊裝＋分段滑移”的施工方法，對(duì)于未被基坑圍護(hù)支撐遮擋的部分則采用汽車吊直接吊裝就位。

結(jié)合現(xiàn)場施工條件，配備1臺(tái)100 t汽車吊位于基坑棧橋上吊裝鋼骨梁，考慮到基坑棧橋的安全，汽車吊支腿位置設(shè)置在軸間棧橋大梁上方，支腿下方鋪設(shè)0.3 m×1.8 m×9.0 m鋼路基箱，汽車吊吊裝作業(yè)產(chǎn)生的荷載由路基箱傳遞給混凝土梁及格構(gòu)柱（圖8）。

圖8 鋼骨梁現(xiàn)場安裝

4.2.2 首層箱形梁施工技術(shù)

C軸線上的首層箱形梁由于鋼梁跨度大、質(zhì)量較大，中間無支撐結(jié)構(gòu)，故根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和配備的機(jī)械設(shè)備以及吊裝半徑，將首層箱形鋼梁進(jìn)行分段，并在梁下端面設(shè)置臨時(shí)支撐，臨時(shí)支撐從大底板面開始設(shè)置，為不影響地下2層樓板施工，臨時(shí)支架分別設(shè)置于樓層梁H型梁下方，通過H型鋼梁將上部受力傳遞到大底板上。

臨時(shí)支撐采用獨(dú)立鋼管柱，支撐截面尺寸為φ450 mm×20 mm。每段箱形梁安裝就位后隨即安裝與其相連的H型鋼梁，形成一個(gè)穩(wěn)定的空間體系。在安裝地上部分前庭結(jié)構(gòu)中的“人”字形框架柱時(shí)，臨時(shí)支撐也作為首層箱形梁的加固支撐（圖9）。

圖9 箱形梁現(xiàn)場安裝布置

4.2.3 鑄鋼節(jié)點(diǎn)吊裝＋滑移施工技術(shù)

本工程首層鑄鋼節(jié)點(diǎn)ZG-01和ZG-04為超重構(gòu)件（單件重達(dá)88 t），塔吊無法吊裝，擬采取吊裝＋滑移相結(jié)合的方法進(jìn)行安裝。通過大底板上搭設(shè)的支架及設(shè)置的滑移軌道，將2件超重鑄鋼節(jié)點(diǎn)分別采用1臺(tái)550 t汽車吊吊裝至滑移軌道上，并通過牽引將鑄鋼節(jié)點(diǎn)滑移至安裝位置就位。

4.2.4 前庭“人”字形框架構(gòu)件安裝技術(shù)

前庭7層以下為“人”字形框架柱，跨度達(dá)72 m，跨中高度逾30 m，框架柱上下口兩端均與鑄鋼件節(jié)點(diǎn)連接，由于柱呈傾斜狀態(tài)且無任何支撐體系，同時(shí)質(zhì)量又大，無法進(jìn)行整體吊裝，僅能采取分段安裝，因此在安裝過程中必須搭設(shè)臨時(shí)支撐來穩(wěn)定。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，每個(gè)分段位置需搭設(shè)一組臨時(shí)支撐，臨時(shí)支撐設(shè)置于首層梁上，采用獨(dú)立鋼管柱和格構(gòu)柱2種形式（圖10）。

圖10 前庭“人”字形框架構(gòu)件安裝布置

4.2.5 斜框架柱安裝技術(shù)

斜鋼柱就位后為傾斜狀態(tài)，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，按傾斜狀態(tài)劃分為2種，第1種為單向傾斜，第2種為雙向傾斜，按其傾斜重心位置與結(jié)構(gòu)所處的位置，又分為結(jié)構(gòu)內(nèi)傾斜和結(jié)構(gòu)外傾斜2種形式。

對(duì)于結(jié)構(gòu)內(nèi)傾斜鋼柱，全部通過設(shè)置臨時(shí)支撐對(duì)柱進(jìn)行支撐穩(wěn)定，斜鋼柱的下端通過在鋼柱對(duì)接處設(shè)置臨時(shí)連接耳板及卡碼來固定，斜鋼柱安裝后，安裝與鋼柱相對(duì)應(yīng)的鋼梁，使其形成一個(gè)穩(wěn)定單元體。

對(duì)于結(jié)構(gòu)外傾斜鋼柱，由于無法搭設(shè)臨時(shí)支撐，故斜柱安裝時(shí)，斜鋼柱的下端通過在鋼柱對(duì)接處設(shè)置臨時(shí)連接耳板及卡碼來固定，上端則采用手拉葫蘆在傾斜向的相反方向進(jìn)行定位穩(wěn)定，在斜柱調(diào)整時(shí)起調(diào)節(jié)作用。

4.3 傾斜鋼柱測量定位技術(shù)

本工程于7層處發(fā)生收腰變化，使得7層以下外框柱呈內(nèi)傾斜狀態(tài)，即內(nèi)傾斜鋼柱（是指其水平投影未超出其下部相鄰樓層范圍的斜鋼柱）；7層以上外框柱呈外傾斜狀態(tài)，即外傾斜鋼柱（是指其水平投影已超出其下部相鄰樓層范圍的斜鋼柱）。

外傾斜鋼柱的測量定位不同于內(nèi)傾斜鋼柱，內(nèi)傾斜鋼柱在安裝過程中可通過在底部樓層鋼梁上加設(shè)剛性支撐來輔助該鋼柱的測量定位和臨時(shí)性固定，且在自重作用下，內(nèi)傾斜鋼柱沿傾斜方向的后續(xù)變形較??；外傾斜鋼柱在安裝過程中可通過“手拉葫蘆＋鋼絲繩”相結(jié)合的方式來輔助該鋼柱的測量定位和臨時(shí)性固定（手拉葫蘆的作用為在測量定位過程中對(duì)斜鋼柱進(jìn)行微調(diào)），但因鋼絲繩呈柔性，在斜鋼柱自重作用下，外傾斜鋼柱的后續(xù)變形較大，故在測量定位過程中還需根據(jù)預(yù)先計(jì)算的后續(xù)變形值對(duì)其進(jìn)行預(yù)偏處理。

為減小斜鋼柱校正的工作量，預(yù)先找出斜鋼柱的重心，并根據(jù)此重心在斜鋼柱上設(shè)置斜吊吊耳，確保斜鋼柱起吊角度接近理論傾斜角度；根據(jù)業(yè)主提供的坐標(biāo)點(diǎn)，引出儀器架設(shè)點(diǎn)的坐標(biāo)；斜鋼柱吊裝就位后其下端用普通安裝螺栓通過連接板固定上下耳板，上端通過鋼絲繩＋手拉葫蘆與鋼梁上翼緣預(yù)設(shè)耳板進(jìn)行拉結(jié)固定；斜鋼柱在校正時(shí)，其下端通過起落吊鉤并用撬棍調(diào)整柱間間隙，對(duì)于錯(cuò)邊及扭轉(zhuǎn)可通過千斤頂進(jìn)行調(diào)整；斜鋼柱的上端主要通過手拉葫蘆微調(diào)，微調(diào)時(shí)要確保與測量工作的同步性。測量時(shí)選取2個(gè)邊中點(diǎn)，并分別放置棱鏡片，將邊中點(diǎn)實(shí)測坐標(biāo)與理論坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。另外，考慮到鋼絲繩＋手拉葫蘆定位的斜鋼柱后續(xù)變形大的特點(diǎn)，斜鋼柱在校正時(shí)需沿后續(xù)變形方向的反方向進(jìn)行預(yù)偏，預(yù)偏值為（a＋2） mm，其中，a為后續(xù)變形計(jì)算值。

5 結(jié)語

中信銀行杭州分行新建金融辦公用房工程為巨型鋼結(jié)構(gòu)體系，施工過程具有顯著的特點(diǎn)和難點(diǎn)。類似工程結(jié)構(gòu)施工時(shí)，應(yīng)在施工前期合理地分析出工程結(jié)構(gòu)的重難點(diǎn)，采用有限元軟件分析結(jié)構(gòu)的變形，并采取有效的變形控制措施和監(jiān)測措施，使結(jié)構(gòu)在施工過程中處于安全可靠的狀態(tài)。對(duì)于典型構(gòu)件，應(yīng)該通過不同的吊裝方式、施工方法進(jìn)行組合吊裝和安裝施工，從而有效地解決施工進(jìn)度、質(zhì)量等問題，確保工程進(jìn)展順利。