超高層伸臂桁架層鋼結構施工技術

萬瑞，曾翔

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300456）

1 工程背景

中交匯通橫琴廣場工程主塔樓結構高度為299.4 m，建筑高度為309.5 m，標準層層高4.5 m，標準層建筑面積約1 900 m2，總建筑面積約125 000 m2。主塔樓結構是鋼管混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒+伸臂桁架的結構體系，其中外框由12根混凝土填充的鋼管柱作為豎向支撐構件，核心筒1~8層、20~22層、41~43層分布有鋼板剪力墻，21層、42層為伸臂桁架層，塔樓結構效果圖見圖1。

圖1 塔樓結構效果圖Fig.1 Effect diagram of thetower structure

伸臂桁架層的層高為7.4 m，每個伸臂桁架層在A-C、A-D、A-B、A-E軸線共設置了4榀桁架，其平面布置見圖2。桁架層核心筒處設置有鋼板剪力墻與上下桁架梁連接，鋼板厚度為20 mm，Q390B材質。桁架層支撐構件主要為H型鋼，H型鋼的最大板厚達到了100 mm。上弦和斜腹桿材質為Q345GJB，下弦材質為Q390GJB，單構件最大吊重50.87 t。結構形式見圖3。

圖2 伸臂桁架層平面分布圖Fig.2 Planar distribution of the trusslayer of the extension arm

圖3 A-B軸線和A-E軸線伸臂桁架層立面分段示意圖Fig.3 Segment diagram of A-B axisand A-E axisextension arm trusslayer elevation

2 超高層鋼結構伸臂桁架層施工難點

超高層伸臂桁架結構具有結構復雜、構件重量大、安裝工序多、焊接難度大、施工質量及精度控制要求高等特點[1]。項目施工過程中，主要存在以下幾方面難點：

1）預埋在核心筒墻體內的伸臂桁架結構，為保證與外部結構連接，設置了懸挑于核心筒墻體外的牛腿（圖3中的6號塊件），造成了與爬模系統(tǒng)的碰撞，使爬模系統(tǒng)向上爬升時產(chǎn)生困難。

2）伸臂桁架的上弦桿（圖3中9號塊件）采用加厚加寬的翼緣鋼板，與墻體內豎向鋼筋及部分箍筋產(chǎn)生交叉，6號、16號塊件位于墻體交叉部位，這些部位鋼筋綁扎復雜。

3）桁架節(jié)點部位結構復雜，焊接難度大，構件重量大，最重可達50.87 t。

4）外框架與核心筒由于材質不同、結構不同、荷載不同、施工周期不同等因素，兩結構之間存在豎向變形差，施工過程需采取技術措施，防止伸臂桁架產(chǎn)生過大的內應力。

3 超高層鋼結構伸臂桁架層施工技術措施

項目中運用MIDAS、TEKLA、AUTODESK、PKPM等軟件，通過BIM技術，提前進行虛擬試施工，分析出與爬模、鋼結構及鋼筋施工過程中產(chǎn)生的問題，提出具體的技術措施。

3.1 伸臂桁架與爬模系統(tǒng)碰撞的解決措施

工程核心筒采用內、外筒分別整體爬升的爬模系統(tǒng)。由圖2可知，在安裝核心筒的8個牛腿后，伸出的牛腿將影響爬模系統(tǒng)的向上爬升。為解決這項問題，改變原爬架設計，將固定連接的連接桿件和走道板裝置改為可拆裝的連接桿件和走道板裝置，并對其的部分斷開狀態(tài)校驗整體穩(wěn)定性。爬升時可以暫時移除伸臂桁架牛腿上的架體走道板，不僅可以提供出伸臂桁架牛腿安裝和焊接的空間，而且還可以解決爬模系統(tǒng)提升時與牛腿的碰撞問題，爬模系統(tǒng)爬升通過大牛腿平面示意圖見圖4。

圖4 爬模系統(tǒng)通過大牛腿平面示意圖Fig.4 Plane diagram of climbing formwork system passing through bulge leg

8個角柱的牛腿與模板系統(tǒng)也存在沖突，為保證模板施工順利進行，將角柱區(qū)域原有整體大模板吊出，改為新配置的散拼模板進行施工，待伸臂桁架層施工完成后恢復原模板。散拼模板圍檁部分采取焊接方鋼管固定的方式，方鋼管直接焊在牛腿上，用以固定牛腿四周散拼模板，使模板成為一個整體，防止?jié)仓炷習r模板變形。

3.2 伸臂桁架與復雜的鋼筋節(jié)點處理技術措施

核心筒內安裝伸臂桁架后，核心筒墻體內部箍筋以及墻體豎向筋、拉結筋必然會與伸臂桁架桿件的腹板沖突。初始設計的桁架栓焊節(jié)點不能滿足墻體配筋率的要求，為此工程采用栓焊節(jié)點改為全焊接節(jié)點的形式進行。同時為保證腹板焊接的質量，將腹板對接焊縫兩側各200 mm內的箍筋取消，改為在腹板兩側增加加勁肋的形式將箍筋焊接在加勁板上。

核心筒墻體厚度為600 mm，伸臂桁架梁翼緣寬度為400 mm，核心筒內部墻柱縱筋不能夠自由穿過伸臂桁架梁，為此需將墻柱縱筋進行調整，盡量將墻柱縱筋向伸臂桁架弦桿翼緣兩側偏移。若縱筋仍在翼緣范圍內，則對應翼緣板位置下側（上側）焊接鋼筋搭接板，墻柱縱筋焊接在該搭接板上，鋼筋搭接板的厚度要求大于鋼筋的直徑。翼緣板對應位置伸出鋼筋連接板且與鋼筋連接采用圍焊角焊縫的形式，鋼筋搭接板的長度需保證鋼筋的有效焊接長度。

3.3 超重構件吊裝技術措施

1）優(yōu)化構件分塊重量

伸臂桁架層立面分段分塊（圖3），以A-B軸和A-E軸為例，桁架分為21個構件，其中2號和21號節(jié)點為伸臂桁架層最重構件，節(jié)點重量為50.87 t，吊鉤和吊索重約3 t，起吊總量為53.87 t。工程中核心筒內布置動臂塔吊2臺，型號分別為LH800-63、M900D，其性能見表1。22 m起重半徑時構件地面堆放見圖5。由圖5可知，鋼柱卸車區(qū)域無法有效保證最重節(jié)點的翻轉安全性。通過現(xiàn)場實際工效分析，制定出構件分塊優(yōu)化方案，具體優(yōu)化方案見圖6。

表1 動臂塔吊起重性能表Table1 Table of lifting performance of movable tower crane

圖5 動臂塔吊22 m起吊半徑示意圖Fig.5 Schematic diagram of 22 m lifting radiusof movabletower crane

圖6 優(yōu)化前后BIM模型效果對比圖Fig.6 Comparison of effectsof BIM model before and after optimization

考慮不同材質板材的焊接要求及桁架受力等各方面因素，優(yōu)化后的伸臂桁架層A-B軸和A-E軸2（21）號節(jié)點凈重由50.87 t減少到48.0 t，加上吊鉤和吊索重約3 t，起吊總量為51 t，使得塔吊在最重構件吊裝過程中滿足安全要求。

2）雙構件同時吊裝

工程中10號構件下半部分為20 mm厚薄鋼板墻，上半部分為100 mm厚弦桿，頭重腳輕，吊裝風險高，臨時加固措施繁瑣，安裝位置加固空間有限；6號、16號為不規(guī)則構件，自重大且構件存在偏心。通常偏心產(chǎn)生的偏心力矩在施工中可采用豎向支撐桿來進行支撐加固，然而支撐桿容易對下部施工區(qū)域各工序產(chǎn)生嚴重影響。為解決這個問題，采用雙構件同時吊裝，這樣可以用10號構件抵消6號（16號）構件的偏心力矩，用6號（16號）超重構件的整體穩(wěn)固性解決10號構件頭重腳輕的問題。

用5號塔吊將10號構件吊裝就位，6號塔吊做焊接前輔助作業(yè)準備工作。待10號構件矯正完成后，將連接卡板臨時焊接固定，5號塔吊不松鉤，接著用6號動臂吊吊裝6號構件。對接矯正完成后，安排焊工倒班多點連續(xù)同時焊接作業(yè)，保證次日兩臺塔吊均滿足脫鉤要求，既保證了所有工序作業(yè)順暢，又有效保證了不規(guī)則大型構件吊裝的安全性。

3.4 結構豎向變形控制技術措施

超高層建筑施工中，隨著施工高度的不同，伸臂桁架層內側的核心筒壓縮變形與其外側的外框架壓縮變形不一致。若過早將桁架與兩側結構連接在一起，由于桁架兩端變形不同，容易導致桁架構件內應力急劇增大。為了避免這種情況發(fā)生，需對內外結構的變形情況及大斜臂內力進行監(jiān)測，來確定最佳結構合攏時間[2]。

大傾斜臂吊裝到位后，用螺栓通過耳板暫時固定，保證其能產(chǎn)生豎向滑移、水平向約束。使用“無線監(jiān)測技術”監(jiān)測內外結構的變形值和伸臂桁架大傾斜臂的內力。具體操作如下：

1）測點位置的確定：伸臂桁架大傾斜臂梁為最不利的位置，在其兩端接口位置布設傳感器，采集應力和應變值。

2）監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場布設：按照規(guī)范和說明要求焊接固定傳感器及布線，確保傳感器沿構件的主受力方向布置，并采取保護措施以保證數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性和準確性。

3）數(shù)據(jù)采集：系統(tǒng)工作后，收集一組穩(wěn)定的數(shù)據(jù)作為測量初始值，初始值用于設置數(shù)據(jù)分析軟件，確保軟件能夠準確轉換采集的數(shù)據(jù)。定期（每1 d一次）保存和備份收集的數(shù)據(jù)，每天記錄詳細的施工進度和環(huán)境變化，為以后的數(shù)據(jù)分析奠定基礎。

4）數(shù)據(jù)分析：根據(jù)系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，及時分析和判斷伸臂桁架的內應力（每10 d一次）。

5）合攏口焊接時機的選定：當所監(jiān)測的大傾斜臂內力趨于穩(wěn)定不再受內外結構變形差影響時，進行對接口矯正焊接閉合[3]。

6）內力釋放：由于內外變形的差異，在外伸臂桁架大傾斜臂中積累了很大的內力，在焊接閉合接頭之前，松開臨時耳板的螺栓釋放內力。

經(jīng)對變形監(jiān)測和大傾斜臂內力的影響分析，確定內力釋放和焊接的最佳時機為：外框施工至42層（第二道伸臂桁架層）時，進行21、22層（第一道伸臂桁架層）上下弦桿及斜腹桿的加固、焊接和水平樓板的澆筑；外框施工至62層時，進行42、43層（第二道伸臂桁架層）上下弦桿及斜腹桿的加固、焊接和水平樓板的澆筑。

3.5 厚板焊接的質量控制施工技術措施

鋼結構焊接施工過程中，不同類型、不同板厚的鋼材焊接工藝標準不一。焊接導致的變形以及殘余應力，制約著整個鋼結構施工的質量，為保證伸臂桁架層超厚構件的焊接質量，合理的焊接施工安排、科學的預熱及層間溫度控制對焊接工藝至關重要[4]。

3.5.1 鋼結構焊接工藝的評定

超高層鋼結構焊接施工中，為確保現(xiàn)場焊接工藝參數(shù)可靠有效，在施工現(xiàn)場進行鋼材焊接工藝評定工作。評定的原則主要為：選擇各種厚度鋼材進行包絡評定；固定焊接操作人員；嚴格控制母材、焊材型號及規(guī)格；優(yōu)選焊接參數(shù)；模擬焊接環(huán)境等[5]。本工程Q345GJB、100 mm厚板件焊接工藝參數(shù)見表2。

表2 Q345GJB 100 mm板厚對接焊接工藝參數(shù)表Table 2 Tableof technological parameters for butt welding of Q345GJB 100 mm plate thickness

3.5.2 弦桿厚板焊接方案制定

1）施焊順序確定

為保證弦桿厚板焊接的施工質量，盡量降低溫度應力變形等不利現(xiàn)象發(fā)生，在焊接前制定有效的焊接方案，具體焊接順序及預熱布置見圖7。在焊接過程中，翼緣對稱施焊且同編號表示同步施焊。

圖7 弦桿厚板焊接順序及預熱布置圖Fig.7 Welding sequence and preheating layout of chord thick plate

2）焊縫預熱

預熱加熱區(qū)位于焊口的兩側，寬度大于焊件厚度的1.5倍，且不應小于100 mm。加熱后采用紅外線測溫儀檢測，預熱溫度宜在焊件受熱面的背面測量，測量點應距電弧經(jīng)過前的焊接點各方向不小于75 mm處[6]，具體加熱要求見表3。

表3 不同板厚最低預熱溫度要求Table3 Minimum preheating temperature requirements for different thickness

3）焊縫保溫

為保證焊縫質量，降低焊縫的冷卻速度和焊接應力，一般焊縫采用石棉被包裹進行保溫，保溫前對石棉被進行預熱處理[7]。

3.5.3 鋼結構焊接檢測

檢查焊縫外觀合格后進行無損檢測，焊縫檢測比例及焊縫等級按照設計和相關規(guī)范選取確定。在檢測之前，先對檢測構件進行粗探傷，判斷其是否存在缺陷，對缺陷的部位在焊縫表面做出標記并再次進行精探傷[8]，對超標缺陷進行標記并進行返修處理，返修后按原探傷條件進行復驗，最后評定檢測結果等級。

4 結語

對于鋼結構施工而言，結合現(xiàn)場條件深化設計尤為重要，特別是一些復雜的結構節(jié)點。項目施工中采用優(yōu)化最重節(jié)點，雙構件同時組合吊裝等技術措施，保證了超重構件的安裝。通過焊接工藝評定，針對不同材質、不同板厚、不同焊縫形式確定合理的焊接參數(shù)，制定完善的焊接施工工藝是保證鋼結構施工質量的一個重要環(huán)節(jié)。不同的結構和施工環(huán)境，需要采取具體的方法和技術措施。文章結合項目實際，針對伸臂桁架層存在的難點和問題，采取有效合理技術措施和施工工藝，有效地保證了工程質量和進度，為類似工程提供一定的借鑒意義。