超高層建筑斜向型鋼混凝土組合柱的斜率控制

祝兆平 武 杰 張興志 王 濤 黃和飛

中建三局集團(tuán)有限公司成都分公司 四川 成都 610041

1 工程概況

重慶來(lái)福士廣場(chǎng)項(xiàng)目位于長(zhǎng)江與嘉陵江交匯處的朝天門廣場(chǎng)，由8棟高層建筑組成。8棟建筑皆以弧形塔樓臨水北向，錯(cuò)落有致，形成一組強(qiáng)勁的風(fēng)帆造型。

項(xiàng)目在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有大量斜向的型鋼混凝土柱，與通常的垂直型鋼混凝土組合柱相比，斜向型鋼混凝土組合柱的軸線、標(biāo)高的控制和定位是保證施工質(zhì)量的重點(diǎn)控制事項(xiàng)，型鋼混凝土斜柱的斜率如若不能得到有效控制，勢(shì)必影響整個(gè)工程的質(zhì)量和進(jìn)度。

本文以重慶來(lái)福士廣場(chǎng)項(xiàng)目（A標(biāo)段）為背景，應(yīng)用型鋼混凝土斜柱施工模擬、空間定位、鋼柱焊接預(yù)調(diào)（加工長(zhǎng)度/焊縫）、鋼柱整體同時(shí)焊與單根對(duì)稱焊相結(jié)合、工具式可調(diào)幾字梁模板體系設(shè)計(jì)與施工、專用斜柱混凝土澆筑、斜柱變形監(jiān)測(cè)與預(yù)調(diào)等技術(shù)，并結(jié)合總包管理的總體調(diào)配，確保了斜柱斜率的良好管控，效果甚佳。

2 技術(shù)原理

項(xiàng)目的立面帆船造型弧形結(jié)構(gòu)由型鋼混凝土斜柱構(gòu)造而成（圖1），通過(guò)斜柱傾斜角度的變化勾勒出立面弧形，施工中根據(jù)施工模擬結(jié)果對(duì)斜柱控制軸線和標(biāo)高進(jìn)行預(yù)調(diào)，利用深化斜柱BIM模型，采用RTS機(jī)器人全站儀對(duì)斜柱進(jìn)行空間放樣；為保證對(duì)斜柱斜率的有效控制，鋼骨柱采用整體同時(shí)焊與單根對(duì)稱焊相結(jié)合的方法；斜柱模板采用工具式材料進(jìn)行加固；采用與滿堂腳手架相連的鋼管斜撐對(duì)斜柱模板進(jìn)行加固；斜柱混凝土澆筑時(shí)采用膠管串筒，以保證混凝土澆筑質(zhì)量；斜柱施工完成后，及時(shí)對(duì)斜柱進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，實(shí)時(shí)調(diào)整施工模擬預(yù)調(diào)值，以保證整體結(jié)構(gòu)變形在可控范圍內(nèi)。

圖1 施工完畢的型鋼混凝土柱

3 型鋼混凝土柱施工工藝流程

施工模擬預(yù)調(diào)→斜柱定位放樣→鋼骨柱安裝、校正→鋼骨柱焊接管控→斜柱鋼筋、模板工程管控→變形監(jiān)控

4 型鋼混凝土柱施工操作要點(diǎn)

4.1 斜柱定位施工模擬預(yù)調(diào)

立面弧形結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)形式外傾，施工過(guò)程中隨著結(jié)構(gòu)荷載加載，會(huì)產(chǎn)生豎向和水平向的變形。為控制結(jié)構(gòu)變形，利用ETABS 2013和SAP2000軟件進(jìn)行全過(guò)程施工模擬分析，在軟件中預(yù)演整個(gè)施工過(guò)程，進(jìn)行逐步加載，分析結(jié)構(gòu)及施工措施的變形規(guī)律，得到各施工步水平向和豎向結(jié)構(gòu)預(yù)調(diào)值。施工過(guò)程中對(duì)設(shè)計(jì)軸線和標(biāo)高進(jìn)行預(yù)調(diào)，每層按照調(diào)整后的控制軸線和標(biāo)高進(jìn)行施工[1]。

水平向預(yù)調(diào)為平面內(nèi)調(diào)整，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，先將柱按照原設(shè)計(jì)定位進(jìn)行測(cè)量放線，再根據(jù)樓層相應(yīng)調(diào)整值在平面內(nèi)對(duì)控制軸線進(jìn)行調(diào)整。

豎向調(diào)整為按照施工模擬情況進(jìn)行分步、分段調(diào)整，調(diào)整時(shí)通過(guò)調(diào)整相應(yīng)樓層標(biāo)高來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.2 斜柱測(cè)量定位

首先通過(guò)施工模擬調(diào)整后的控制軸線和標(biāo)高進(jìn)行斜柱定位，利用深化的斜柱BIM模型（圖2），采用RTS機(jī)器人全站儀對(duì)斜柱進(jìn)行空間放樣。斜柱立面上按高度布置測(cè)點(diǎn)，準(zhǔn)確測(cè)量各點(diǎn)與相應(yīng)軸線的水平距離，用于校核斜柱模板。RTS機(jī)器人全站儀放樣所需設(shè)備包含TRIMBLE RTS建筑機(jī)器人全站儀、LM80手簿、全向棱鏡。

圖2 斜柱BIM模型深化

然后，使用天寶TPC軟件對(duì)每層斜柱3D BIM模型創(chuàng)建放樣點(diǎn)，數(shù)據(jù)分層，并導(dǎo)出文件到LM80手簿中，在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)圖形化的引導(dǎo)方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放樣作業(yè)，落實(shí)三維設(shè)計(jì)的精確施工。

4.3 斜鋼骨柱安裝、校正

吊裝前做好鋼柱外觀尺寸等檢查驗(yàn)收工作，之后進(jìn)行鋼柱吊裝，臨時(shí)加固后即進(jìn)行鋼柱校正。

4.3.1 鋼柱安裝前的準(zhǔn)備工作

1）利用模擬調(diào)整后的軸線坐標(biāo)，放樣對(duì)應(yīng)鋼柱軸線，對(duì)偏差較大的預(yù)埋件螺栓進(jìn)行調(diào)整。

2）在鋼柱底板邊緣放樣出鋼柱的中心線，清除預(yù)埋件上的絲口保護(hù)套、螺絲上的混凝土和鋼銹，并給絲口涂抹黃油，鑿平墊塊位置的混凝土。

3）采用全站儀從測(cè)控點(diǎn)引測(cè)柱底就位標(biāo)高，并做好標(biāo)高標(biāo)記，調(diào)整好所有同標(biāo)高位置的柱底下部墊塊或螺母，觀測(cè)墊塊位置混凝土面與鋼柱柱底標(biāo)高的偏差值，當(dāng)標(biāo)高存在較大偏差時(shí)，采用不同厚度的墊鐵預(yù)先找平。

4）為確保傾斜鋼柱安裝精度和質(zhì)量安全，事先需采用鋼絲繩加葫蘆將其固定在鋼柱的傾斜陽(yáng)角面頂部，以方便后續(xù)固定和角度調(diào)整。

4.3.2 鋼柱底就位校正

在確保柱底站位空間的條件下，柱底就位應(yīng)盡可能在鋼柱安裝時(shí)一步到位，少量的偏差校正可用千斤頂和撬棍實(shí)現(xiàn)微調(diào)校正，柱底就位后軸線偏差應(yīng)不大于2 mm。

4.3.3 鋼柱頂標(biāo)高測(cè)量

本工程鋼柱的標(biāo)高控制采用測(cè)量柱頂三維坐標(biāo)的方法進(jìn)行，柱頂標(biāo)高應(yīng)與模擬計(jì)算模型保持一致。

柱頂標(biāo)高測(cè)控點(diǎn)設(shè)為柱中心，截面較大的構(gòu)件需增加兩側(cè)翼緣中心點(diǎn)，共3個(gè)測(cè)控點(diǎn)。柱頂層高偏差控制在5 mm內(nèi)，當(dāng)層間柱高偏差接近限值時(shí)，通過(guò)加墊板墊高或切割襯板的方法，調(diào)整上一節(jié)鋼柱的標(biāo)高以達(dá)到標(biāo)高控制目的[2]。

4.3.4 鋼柱角度測(cè)量

鋼柱柱底就位和柱底標(biāo)高校正完成后，利用全站儀檢查鋼柱的傾斜角度，單節(jié)鋼柱垂直度經(jīng)校正后，偏差值δ應(yīng)不大于10 mm，同軸線上頂部角度偏離值應(yīng)不大于3'30"。對(duì)于大截面鋼柱，需由制作廠在柱角四周頂部畫上柱中十字標(biāo)記，現(xiàn)場(chǎng)再用油漆筆做上控制記號(hào)，測(cè)定柱四角三維坐標(biāo)并進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，直到柱子設(shè)計(jì)坐標(biāo)值與儀器所測(cè)坐標(biāo)差符合規(guī)范要求（圖3）。

圖3 鋼柱傾斜角度調(diào)節(jié)

4.3.5 鋼柱預(yù)調(diào)值的校正（加工補(bǔ)償法）

根據(jù)施工模擬分析，得出傾斜結(jié)構(gòu)的標(biāo)高及軸向變形數(shù)據(jù)，需依據(jù)變形數(shù)據(jù)來(lái)確定各節(jié)傾斜鋼柱的預(yù)調(diào)值。

1）通過(guò)加工長(zhǎng)度進(jìn)行預(yù)調(diào)：考慮到不同板厚的鋼材焊接收縮量，將施工模擬分析的預(yù)調(diào)值分配到每節(jié)鋼柱后，若每節(jié)鋼柱預(yù)調(diào)大于5 mm，則每節(jié)鋼柱的制作尺寸應(yīng)按照預(yù)調(diào)值進(jìn)行適量調(diào)整。

2）通過(guò)焊縫進(jìn)行預(yù)調(diào)：由于焊接應(yīng)力產(chǎn)生的變形對(duì)鋼柱角度上的影響是不可避免的，故需通過(guò)施工計(jì)算式模擬、分析、計(jì)算出不同構(gòu)件的結(jié)構(gòu)荷載、偏心距等要素以便進(jìn)行預(yù)調(diào)值計(jì)算，將預(yù)調(diào)值分配到每節(jié)鋼柱，每節(jié)鋼柱預(yù)調(diào)值為3～12 mm。同時(shí)，為加強(qiáng)構(gòu)件自重荷載對(duì)結(jié)構(gòu)軸線的影響，需要對(duì)傾斜鋼柱陽(yáng)角面進(jìn)行鋼板加固，以抵消焊接應(yīng)力和結(jié)構(gòu)彎矩力。

3）施工過(guò)程中，持續(xù)觀測(cè)結(jié)構(gòu)的變形情況，并將其反映到下一節(jié)鋼柱的制作中。

4.4 斜鋼柱焊接

4.4.1 焊接原則

本工程焊接順序的選擇，必須遵循以下原則：應(yīng)使焊接變形和收縮量最??；應(yīng)使焊接過(guò)程中加熱量平衡；收縮量大的焊接部位先焊接，收縮量小的焊接部位后焊接；盡量采用對(duì)稱焊接法組織施焊。

4.4.2 整體結(jié)構(gòu)焊接順序

根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，焊接時(shí)采取整體同時(shí)焊接與單根柱對(duì)稱焊接相結(jié)合的方法，通過(guò)有組織地焊接確保焊接變形量達(dá)到最小。

4.5 斜柱鋼筋工程

由于不同層斜柱傾斜角不同，同層柱傾斜角也存在不相同的情況，導(dǎo)致每層柱縱筋有多種尺寸，同時(shí)斜柱的綁扎存在一定困難。因此，斜柱鋼筋綁扎必須從翻樣、加工、綁扎方面進(jìn)行全面控制。

鋼筋翻樣安排專員全程負(fù)責(zé)，做到“一對(duì)一”的督辦，同時(shí)應(yīng)用計(jì)算機(jī)，輔助專業(yè)人員完成翻樣圖繪制。由于不同的斜柱鋼筋存在差異，因此在翻樣時(shí)必須對(duì)每根斜柱縱筋進(jìn)行單獨(dú)編號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)鋼筋綁扎與翻樣料表一一對(duì)應(yīng)。

在箍筋的綁扎過(guò)程中，利用標(biāo)尺對(duì)鋼筋斜率進(jìn)行測(cè)量，若斜率偏差太大，則由現(xiàn)場(chǎng)鋼筋工進(jìn)行前臺(tái)調(diào)整。隨著箍筋的增加，鋼筋骨架的質(zhì)量越來(lái)越大，應(yīng)做好鋼筋骨架的防傾覆措施。當(dāng)柱子外傾時(shí)，外側(cè)大模板無(wú)法固定，因此需要使用鋼絲繩拉住鋼筋骨架，并將繩的另一端固定在滿堂腳手架上，使用的鋼絲繩直徑不小于14 mm，拉結(jié)點(diǎn)設(shè)置在內(nèi)側(cè)兩角點(diǎn)縱筋上，豎向距離可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行控制。

4.6 斜柱模板工程

4.6.1 模板定位

將斜柱柱角用1∶2水泥砂漿抹平，先放樣出各斜柱角點(diǎn)坐標(biāo)，將其投射到已澆筑樓板上，做好標(biāo)記，并彈出柱角邊線和離柱角邊線50 cm處的控制線。

對(duì)外框邊梁進(jìn)行水平抄測(cè)，確保外框邊梁設(shè)計(jì)標(biāo)高，外框邊梁模板兩端標(biāo)高允許誤差小于5 mm，邊梁中部按0.1%自然起拱。利用投射軸線對(duì)外框邊梁進(jìn)行定位，雙向定位誤差均不大于3 mm。

利用已安裝完成的外框邊梁模板以及已放樣柱角邊50 cm控制線對(duì)斜柱上下口進(jìn)行粗定位，完成斜柱模板安裝，再利用RTS機(jī)器人全站儀對(duì)斜柱模板的斜率進(jìn)行復(fù)測(cè)調(diào)整，完成斜柱模板加固。

4.6.2 模板加固

框架斜柱模板采用厚15 mm雙面覆膜木膠合板，模板豎向龍骨為50 mm×70 mm鋼制可伸縮幾字梁（間距不大于200 mm），斜柱抱箍采用鋼制抱箍緊固件（間距不大于400 mm），模板拼縫之間粘貼海綿條，陽(yáng)角部位采用工具式夾具加固。斜柱模板支撐采用鋼管進(jìn)行加固，斜柱模板底面及兩側(cè)面設(shè)鋼管斜撐，豎向間距500 mm，模板背面采用鋼管抱柱的形式同滿堂腳手架進(jìn)行拉結(jié)，豎向間距500 mm，保證斜柱模板的整體穩(wěn)定（圖4、圖5）。

4.7 斜柱變形監(jiān)測(cè)

經(jīng)過(guò)施工模擬預(yù)調(diào)，上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)，下部已完成結(jié)構(gòu)將會(huì)有向預(yù)調(diào)反方向變形的趨勢(shì)，為保證變形在可控范圍內(nèi)，在結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，需對(duì)已完成的斜柱進(jìn)行水平向、豎向變形監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集，觀察結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)，根據(jù)實(shí)際變形量對(duì)還未施工樓層的施工模擬預(yù)調(diào)值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證斜柱最終變形符合要求。

變形測(cè)點(diǎn)主要布設(shè)在建筑物的四角和變形比較敏感的部位，以能夠監(jiān)控建筑物的整體變形與局部變形情況為宜。本工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在柱子位置，若有沉降縫則兩邊采取對(duì)稱布置，塔樓的豎向位移則用L形沉降觀測(cè)標(biāo)志直接焊接（或者用植筋膠），塔樓水平位移則配合埋設(shè)L形棱鏡。

垂直位移的測(cè)量采用Trimble DINI03電子精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量，按照GB 50026—2007《工程測(cè)量規(guī)范》中二等變形測(cè)量的精度來(lái)量測(cè)，并將各觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)成閉合環(huán)路線聯(lián)測(cè)到基點(diǎn)上。水平位移則采用托普康GPT-7501全站儀（1"）進(jìn)行測(cè)量，觀測(cè)的方法按照J(rèn)GJ 8—2007《建筑變形測(cè)量規(guī)范》來(lái)量測(cè)。

圖4 斜柱模板可伸縮鋼制幾字梁安裝

圖5 斜柱幾字梁、抱箍緊固件加固

4.8 定期召開(kāi)斜柱斜率控制分析會(huì)

總包單位在協(xié)調(diào)土建、鋼構(gòu)2家分包穿插施工的同時(shí)，定期組織召開(kāi)斜柱斜率控制分析會(huì)，從現(xiàn)場(chǎng)管理人、機(jī)、料、法、環(huán)五大環(huán)節(jié)，運(yùn)用因果分析圖的形式，對(duì)問(wèn)題逐一進(jìn)行分析，并制訂整改落實(shí)措施、時(shí)間和責(zé)任人，確保對(duì)斜柱斜率從管理上進(jìn)行有效控制[3-4]。

5 結(jié)語(yǔ)

在異形超高層結(jié)構(gòu)施工中，斜柱的斜率控制始終是工程管理的重、難點(diǎn)課題。在實(shí)踐過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，集思廣益，大膽摸索，不斷尋求突破問(wèn)題的新方法、新措施，將技術(shù)、管理創(chuàng)新應(yīng)用到實(shí)際工程管理中，為項(xiàng)目生產(chǎn)創(chuàng)效增益。