超高層建筑外框架鋼結(jié)構(gòu)安裝工藝

秦國鵬，張超，李廣慧，柯思睿

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300456）

1 工程概況

中交匯通橫琴廣場3號塔樓結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土框架+核心筒+伸臂桁架的結(jié)構(gòu)體系，地上62層，地下4層，建筑總高度約309 m。塔樓外框架由12根鋼管混凝土柱作為豎向支撐構(gòu)件，鋼管柱截面為P2 800伊70~P1 600伊25；與工字鋼梁及樓層板組成框架體系。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 鋼結(jié)構(gòu)安裝工藝流程

鋼結(jié)構(gòu)外框架安裝過程中，垂直運輸距離大，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件重，安裝節(jié)點多且復(fù)雜。為了確保安裝精度、焊接質(zhì)量，提高鋼結(jié)構(gòu)安裝效率，采用如下安裝工藝流程：

圖1 結(jié)構(gòu)整體概況Fig.1 Overall structure overview

測量放線—鋼柱垂直運輸—鋼柱安裝—鋼柱矯正—外框架主梁安裝—勁向主梁安裝—鋼柱主梁焊接—勁向次梁安裝—懸挑梁安裝—次梁懸挑梁焊接。

2.1 測量放線及安裝定位

鋼結(jié)構(gòu)進場之后，在安裝之前，需根據(jù)深化設(shè)計圖、軸線和標(biāo)高尺寸，與鋼結(jié)構(gòu)加工尺寸及前一節(jié)段安裝偏差進行現(xiàn)場測量比對。在符合要求的前提下，再進行放線。放線過程中需控制以下要點：

1）測量放線先對軸線進行定位，再做好四角復(fù)檢。

2）每節(jié)鋼柱的定位軸線從地面基準(zhǔn)線引上[1]，不得從上一段鋼柱直接引上去。

3）鋼柱安裝定位通過與上一段鋼柱定位線對齊，先做到粗略對準(zhǔn)，再進行精調(diào)。標(biāo)高依據(jù)鋼梁設(shè)計標(biāo)高、上下連接焊縫。

4）鋼梁根據(jù)軸線位置，調(diào)整連接綴板。

2.2 鋼柱吊裝前準(zhǔn)備

在本工程中，鋼管柱在地下室~首層、2層~45層，每2層組裝1節(jié)安裝；46層~頂層，每3層組裝1節(jié)安裝；首層因?qū)痈咻^大，單節(jié)安裝。鋼柱拼裝后最大高度13.5 m，最大直徑2.8 m，最大重量46.91 t。卸車采用四點水平起吊，吊點設(shè)在鋼柱兩端連接耳板上，對稱分布。鋼結(jié)構(gòu)安裝從B2層至62層，最大起吊高度300 m。

吊裝過程中，鋼柱采用豎直吊運，因此鋼管柱吊裝前須在地面完成翻身工作。但該工程鋼管柱體量較大，直接通過塔吊從一端起吊翻身造成沖擊太大，有較大的安全隱患，并且會造成鋼柱變形，影響安裝質(zhì)量。因此鋼柱吊裝前需注意以下兩點：

1）為了減小鋼管柱翻身的沖擊，該工程專門制作了鋼管柱翻身架體，通過該架體配合塔吊可完成鋼管柱的平穩(wěn)翻身，從而減小了鋼柱的巨大沖擊，保證鋼柱翻身平穩(wěn)安全。翻身過程及翻身架體如圖2所示。

2）鋼柱吊裝前，在地面需在鋼柱上布置好爬梯、防墜器、攬風(fēng)繩、牽引棕繩、操作平臺支撐牛腿；檢查連接耳板有無變形；如發(fā)現(xiàn)不能安裝臨時固定螺栓，可采用火焰加熱等措施進行矯正。不能矯正時需要割除并重新焊接備用耳板（割除時預(yù)留10 mm以免損傷母材）。

圖2 鋼柱翻身圖Fig.2 Steel column rollover diagram

2.3 鋼柱吊裝矯正

鋼管柱通過動臂吊四點垂直起吊安裝。鋼柱臨時固定采用耳板上的臨時螺栓固定，后期通過千斤頂精調(diào)，然后點焊固定。鋼柱安裝過程中需注意做到以下幾點：

1）鋼柱吊裝至下節(jié)柱上方0.5 m時，放慢速度，同時通過綁扎在柱子下端耳板上的牽引棕繩牽拉，使鋼柱中線對位。吊裝就位后采用臨時連接耳板固定連接，以方便后續(xù)的焊接操作。

2）鋼柱吊裝就位后，先調(diào)節(jié)鋼柱使其中心線與基礎(chǔ)中心線對正，保證臨時連接耳板螺栓能固定即可，后期再進行精調(diào)[2]。

3）鋼柱調(diào)整先采用水平尺進行初調(diào)，然后采用經(jīng)緯儀進行精調(diào)；精調(diào)的控制點從地面基準(zhǔn)點傳遞而來，保證每次調(diào)整的精度和效率。

4）在鋼柱校正時，通過千斤頂和臨時耳板進行水平和垂直位置的調(diào)整，達(dá)到允許誤差之后緊固螺栓，點焊連接耳板。矯正如圖3所示。

圖3 鋼柱臨時安裝固定、矯正圖Fig.3 Fixing and correction diagram for temporary mounting of steel columns

2.4 超重鋼柱吊裝

在伸臂桁架加強層中，與桁架連接的鋼柱分段重量最重為46.91 t，起重吊鉤及繩索3 t，共49.91 t。

由于場地條件和塔吊的回轉(zhuǎn)半徑限制，不能直接從地面起吊安裝；其中5號塔吊（LH800-63，臂長35 m）在23 m內(nèi)，其額定起重量為53.42 t，6號塔吊（M900D，臂長42.5 m）在23 m內(nèi)，其額定起重量為51.92 t，在塔吊額定起重范圍內(nèi)，6號塔吊無法將鋼柱喂料至5號塔吊有效起重范圍內(nèi)進行轉(zhuǎn)吊。場地布置如圖4所示，起吊性能如表1所示。

圖4 場地布置圖Fig.4 Site layout plan

表1 塔吊起重機性能表Table1 Performance table of tower crane

為解決此項問題，現(xiàn)場采用雙塔吊抬吊喂料作業(yè)。先用6號塔吊將鋼柱吊到5號塔吊25 m范圍內(nèi)，然后雙機抬吊構(gòu)件；5號塔吊作為主吊，承受大部分重量，6號作為配合吊，只需起吊10 t重量。6號塔吊需要優(yōu)先起勾，吊重達(dá)到10 t后和5號塔吊同步起吊轉(zhuǎn)動，直到將構(gòu)件送到23 m范圍。到達(dá)5號塔吊最佳起重半徑后，6號塔吊松勾，改由5號塔吊完成吊裝作業(yè)。

2.5 鋼梁安裝

鋼梁在吊裝時吊點的選擇應(yīng)保證吊鉤和鋼梁的重心在同一條鉛垂線上，從而保證鋼梁水平起吊。圖5為鋼梁吊裝示意圖。為了保證鋼梁、鋼柱安裝精度，需減少后期焊接變形對其的影響。鋼梁吊裝就位后，鋼柱上牛腿梁腹板與鋼梁腹板之間，先采用臨時螺栓固定，等同一規(guī)格的鋼梁安裝、調(diào)整全部完成后，再用高強螺栓替換臨時固定螺栓；高強螺栓全部緊固完成之后，焊接鋼梁上下翼緣板[3]。

圖5 鋼梁安裝示意圖Fig.5 Schematic diagram of steel beam installation

鋼梁吊裝數(shù)量較多，操作空間狹小，吊裝工程量大，需注意以下事項：

1）鋼梁吊裝前需提前檢查鋼梁臨時吊耳質(zhì)量，地面安裝和檢查安全繩、牽引繩和安全操作平臺，提前檢查固定連接板與鋼梁腹板螺栓孔的吻合度[4]。

2）高強螺栓安裝前應(yīng)對連接耳板和連接板表面粗糙度進行檢驗和復(fù)檢。

3）鋼梁吊裝就位后，先采用臨時安裝螺栓固定鋼梁，待綜合調(diào)整完主、次梁后再更換高強螺栓。臨時螺栓的數(shù)量不應(yīng)少于螺栓總數(shù)的1/3且不少于2個。

4）高強螺栓分2次進行緊固，第1次為初擰，初擰緊固到螺栓終擰值的50%~80%；第2次為終擰，終擰緊固到螺栓標(biāo)準(zhǔn)預(yù)拉力，偏差值控制在依10%。正常情況下采用電動扳手進行終擰，梅花頭擰掉即可。個別不能用電動扳手操作時，則用扭矩扳手施工。

5）高強螺栓的緊固順序：高強螺栓的初擰和終擰都需要按照圖6所示的緊固順序進行，一般原則為從中間向兩邊、由里向外對稱進行，將螺栓逐個擰緊。

圖6 鋼梁高強螺栓緊固順序示意圖Fig.6 Diagram of tightening sequenceof high-strength boltsof steel beam

3 鋼結(jié)構(gòu)焊接控制要點

該工程鋼結(jié)構(gòu)焊接均采用二氧化碳?xì)怏w保護焊多層多道焊，焊前需要焊縫清理，焊后需要保溫，厚大板件需要提前預(yù)熱。焊接過程還需要注意防風(fēng)防雨。

鋼柱現(xiàn)場焊接焊縫等級均為一級全熔透焊縫（焊縫100%檢測），最大焊接厚度為70 mm；鋼梁部分焊縫為一級焊縫。加強層部分構(gòu)件焊接厚度達(dá)到100 mm。焊前需要除銹、坡口清理、預(yù)熱，焊后還需保溫。為了保證焊接質(zhì)量，焊接過程必須嚴(yán)格把控各個工序質(zhì)量，保證達(dá)到一級全熔透焊縫要求[5]。

3.1 焊前準(zhǔn)備

二氧化碳?xì)怏w保護焊焊接過程中，條件要求高，焊接環(huán)境風(fēng)速不得超過2 m/s，焊接坡口及周圍必須沒有銹漬及水份，厚板焊前還需預(yù)熱到規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。珠海天氣多變，風(fēng)雨天氣頻繁，雨天必將影響焊接施工，采取以下措施保證了焊接環(huán)境：

1）為該工程設(shè)計專用焊接防護棚，配備操作平臺防風(fēng)、防雨布，保證焊接能夠在無風(fēng)、無雨的環(huán)境下工作。如圖7所示。

圖7 焊接防護棚Fig.7 Welding shelter

2）焊前用碳弧氣刨將坡口表面、坡口邊緣內(nèi)外側(cè)30~50 mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等雜物清除干凈，直至露出金屬光澤[6]。

3）采用陶瓷電加熱器進行焊前預(yù)熱，部分難加熱區(qū)域采用火焰均勻加熱[5]。預(yù)熱溫度控制范圍如表2所示。

表2 預(yù)熱溫度表Table2 Preheating temperature table益

3.2 焊接過程

該工程鋼板厚度較大，采用焊接方式均為多層多道焊，焊接過程分為定位、底層、填充、蓋面焊接。焊接分段不同，則焊接的控制點也不同，需根據(jù)具體要求進行控制。

1）底層焊接：應(yīng)保證焊接電壓、電流，保證焊縫高度控制在3.5 mm以內(nèi)。

2）填充焊接：在填充焊之前，需要將底層焊接導(dǎo)致的飛濺，凸起，夾雜清理干凈，一般采用角磨機打磨干凈。焊縫的層間溫度控制在120耀150益之間，焊接過程中若有停留導(dǎo)致溫度下降，需用火焰加熱重新預(yù)熱。在接近蓋面時，均勻留出1.5耀2 mm的焊縫深度，便于蓋面焊接[7]。

3）面層焊接：選用適中的電流、電壓值，在焊接邊緣部位時，需停留較長時間保證焊縫與母材的融合。焊縫寬度保持在0.5耀3.0 mm，坡口以外控制在 2耀2.5 mm[8]。

3.3 焊接檢測

該工程鋼柱焊縫均為一級焊縫，鋼梁部分焊縫為一級焊縫。焊接檢測采用超聲波無損探傷檢測方式，先進行自檢，然后再進行三檢，雙重把控焊接質(zhì)量。

4 結(jié)語

由于超高層鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件體量大、數(shù)量多、單體重量大、安裝精度要求高，施工過程影響因素較多，需要結(jié)合項目具體條件，提前做好準(zhǔn)備和策劃、合理安排計劃及結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計，制定適宜的施工專項方案。本文結(jié)合工程情況，針對鋼結(jié)構(gòu)外框架施工中關(guān)鍵構(gòu)件安裝，提出了相應(yīng)的安裝方法和控制措施，使質(zhì)量得到較好控制。其中鋼柱焊接檢測合格率達(dá)到100%，總體安裝工效較同類型施工都有所提高，為同類型工程積累了經(jīng)驗。