超高層伸臂桁架梁柱安裝施工技術(shù)研究

張劍強

(中鐵城建集團有限公司 湖南長沙 410208)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國家綜合實力不斷提升，全國各地涌現(xiàn)出越來越多的超高層建筑。超高層建筑從設(shè)計到施工通常都會遇到一系列難題，由于鋼結(jié)構(gòu)的抗震效果優(yōu)、結(jié)構(gòu)性能好、施工速度快，故其在超高層建筑結(jié)構(gòu)中扮演著越來越重要的角色。超高層建筑采用框架—核心筒結(jié)構(gòu)形式比較普遍，綜合考慮設(shè)計與施工等因素，外框架一般采用裝配式鋼柱＋鋼梁組合體系，并利用鋼筋桁架樓承板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，從而取代了傳統(tǒng)施工模式下大量木質(zhì)模板的使用，這節(jié)省了資源，滿足了綠色環(huán)保施工要求，且不需要搭設(shè)模板支撐體系，減少了租賃成本，節(jié)省了人工費，加快了施工進度，有效縮短了施工工期。

2 工程概況

某工程項目位于寧夏回族自治區(qū)銀川市，建筑總高度為301.150 m。工程主體結(jié)構(gòu)采用框架—核心筒混合結(jié)構(gòu)體系，外框架由鋼梁和型鋼混凝土柱構(gòu)成，設(shè)置2道伸臂桁架層，桁架層鋼結(jié)構(gòu)總噸位達萬余噸，核心筒內(nèi)由伸臂桁架組成，外框由環(huán)桁架及箱形梁與核心筒外伸牛腿連接成一體，構(gòu)成一個空間封閉的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)形式。桁架層鋼構(gòu)件形式多樣、異型構(gòu)件較復(fù)雜、重大構(gòu)件數(shù)量多、焊接工作量大，桁架層構(gòu)件的板厚最大值達100 mm，最重構(gòu)件達33.4 t，主要節(jié)點采用組合焊接形式。

3 施工特點

(1)優(yōu)化梁柱節(jié)點部位牛腿、翼緣與鋼筋連接方式。牛腿上翼緣采用焊接鋼筋連接器連接，牛腿下翼緣采取焊接等強度鋼板與鋼筋搭接焊接方式，有效節(jié)約了鋼筋成本，加快了施工進度，確保了施工質(zhì)量[1]。

(2)設(shè)計制作可拆卸式操作平臺安裝T型鋼柱，采用外掛平臺進行鋼梁焊接作業(yè)，為施工提供多個安全的作業(yè)面，有效降低了高空作業(yè)風險，保證了施工作業(yè)安全。

(3)通過采用BIM技術(shù)定位構(gòu)件重心、串吊作業(yè)同時起吊多根鋼梁等技術(shù)措施，較好地解決了垂直吊裝問題，保證了構(gòu)件吊裝效率與安裝質(zhì)量。在超高層建筑施工組織中，垂直運輸是施工進度管控的重難點，本工程采用多根鋼梁同時串吊，提高了吊裝作業(yè)效率，保證了塔式起重機使用效率，有效節(jié)約了成本。同時本項目通過應(yīng)用BIM技術(shù)，快速查找并確定異型偏重構(gòu)件重心，并根據(jù)重心位置合理設(shè)置超大、重大構(gòu)件的吊耳位置和數(shù)量，并通過采取異型構(gòu)件多點吊裝、優(yōu)化焊接定位板等措施，保證構(gòu)件快速、準確就位與安裝。

(4)注重與設(shè)計單位加強溝通對接，在深化設(shè)計階段優(yōu)化構(gòu)件分節(jié)，并預(yù)先模擬現(xiàn)場安裝作業(yè)，達到減少吊次、提高吊裝效率、盡可能減少100 mm超厚鋼板焊縫數(shù)量的效果，從而提高鋼結(jié)構(gòu)安裝施工工效，保證鋼結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量[2]。

(5)通過BIM技術(shù)模擬現(xiàn)場工況，合理避免了超厚板箱形構(gòu)件焊縫重疊問題，保證了現(xiàn)場焊接質(zhì)量。厚板、超厚板在焊接過程中容易產(chǎn)生較大的焊接內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致焊板變形，且在施焊后常會出現(xiàn)焊縫結(jié)晶粗大、鋼材塑性和韌性下降、焊接裂紋和殘余應(yīng)力大等缺陷問題[3]。依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》有關(guān)規(guī)定(在設(shè)計中不得任意加大焊縫，避免焊縫立體交叉和在一處集中大量焊縫，同時焊縫的布置應(yīng)盡可能對稱于構(gòu)件形心軸)，經(jīng)與設(shè)計單位充分溝通，將原設(shè)計界面方形改為平行四邊形，將牛腿鋼板與箱形柱鋼板優(yōu)化為一張鋼板，從而減少了1條焊縫，較好地解決了焊縫重疊問題。

4 工藝原理

應(yīng)用BIM技術(shù)優(yōu)化構(gòu)件分節(jié)、模擬現(xiàn)場工況、查找異型偏重構(gòu)件重心，實現(xiàn)提高現(xiàn)場吊裝效率與施工質(zhì)量的效果。

優(yōu)化梁柱節(jié)點部位牛腿翼緣與鋼筋連接方式(牛腿上翼緣采用焊接鋼筋連接器連接，牛腿下翼緣采用焊接等強度鋼板與鋼筋搭接焊接)，設(shè)計可拆卸式操作平臺進行T型鋼柱施工，制作外掛平臺實施鋼梁焊接作業(yè)，采用串吊作業(yè)方式進行鋼梁吊裝，提高了施工作業(yè)安全性[4]，加快了施工進度，節(jié)約了成本。

5 施工工藝流程及操作要點

5.1 梁柱節(jié)點施工工藝流程

本工程梁柱節(jié)點施工嚴格按照工藝流程組織實施，確保作業(yè)規(guī)范、質(zhì)量受控。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 梁柱節(jié)點施工工藝流程

5.2 應(yīng)用BIM技術(shù)模擬鋼梁施工流程

鋼梁模擬吊裝具體流程為:外圍框架柱吊裝→樓層主梁及與核心筒連接鋼梁吊裝→核心筒連接鋼梁及次梁吊裝→次梁及懸挑鋼梁吊裝(要求核心筒領(lǐng)先于外框架施工)，如圖2所示。

5.3 利用建模軟件優(yōu)化構(gòu)件分節(jié)分段

鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝不僅要注意構(gòu)件安裝的先后順序，而且要檢查各個節(jié)點之間是否存在碰撞問題。平面圖紙無法直觀反映出各構(gòu)件的空間位置，項目采用BIM技術(shù)建立結(jié)構(gòu)模型[5]，利用碰撞功能檢查各個節(jié)點，能快捷地找出構(gòu)件與構(gòu)件之間是否存在碰撞現(xiàn)象、是否存在有被遺漏的節(jié)點。如圖3所示。

圖2 BIM技術(shù)模擬梁柱安裝示意

圖3 伸臂桁架模型示意

根據(jù)施工圖對桁架層構(gòu)件的板厚、重量、形式進行分析，綜合考慮運輸條件、吊裝設(shè)備性能、桁架構(gòu)件分布位置、塔吊覆蓋半徑范圍等因素，最大限度地滿足桁架鋼構(gòu)件吊裝需要。由于本工程鋼構(gòu)件采取異地加工，因此還需考慮構(gòu)件的截面尺寸，保證加工的構(gòu)件符合運輸條件要求。構(gòu)件合理分節(jié)分段有利于提高現(xiàn)場安裝效率、減少焊接工作量，因此需要與加工制作廠家保持良好溝通，提前介入深化設(shè)計，并結(jié)合現(xiàn)場塔吊性能參數(shù)、工期要求、質(zhì)量標準及安全可靠性等因素，對鋼構(gòu)件進行合理分節(jié)分段。

利用BIM技術(shù)在構(gòu)件碰撞檢查方面的優(yōu)勢，依托模型對伸臂桁架各構(gòu)件進行檢查校核，碰撞校核完成后對模型構(gòu)件進行編號，并對伸臂桁架進行分段分節(jié)。同時根據(jù)構(gòu)件高度不超過2 800 mm、寬度不超過3 000 mm的限值要求，在節(jié)點區(qū)斷開鋼柱，使其能滿足車輛運輸和現(xiàn)場吊裝有關(guān)要求。

5.4 優(yōu)化梁柱節(jié)點位置與鋼筋連接

通過BIM技術(shù)三維模擬鋼結(jié)構(gòu)異型柱與鋼筋綁扎節(jié)點施工工況，可以清晰發(fā)現(xiàn)鋼筋在梁柱節(jié)點處的沖突問題。原設(shè)計圖紙中，鋼筋在梁柱節(jié)點處均采用鋼筋連接器連接[6]。如按傳統(tǒng)工藝，牛腿上下翼緣鋼筋使用鋼筋連接器連接后，柱中鋼筋將采用單面10d(d為鋼筋直徑，下同)或雙面5d進行搭接焊接。為優(yōu)化施工，經(jīng)查閱有關(guān)圖集、規(guī)范并結(jié)合施工經(jīng)驗，并與設(shè)計單位溝通，將原設(shè)計鋼筋連接方式變更為牛腿上翼緣采用焊接鋼筋連接器連接、牛腿下翼緣采用焊接等強度鋼板與鋼筋搭接焊接連接[7]，如圖4所示，達到了提高工效、縮短工期的效果，同時也保證了施工質(zhì)量。

5.5 優(yōu)化作業(yè)空間，降低高空作業(yè)風險

根據(jù)型鋼柱截面形式，設(shè)計用于鋼結(jié)構(gòu)施工的可拆卸式操作平臺[8]，作為型鋼柱安裝焊接的臨時施工平臺。該操作平臺主要采用40 mm×40 mm×3 mm的方管鋼加工制作，平臺底板尺寸為2 400 mm×2 200 mm，鋪焊花紋鋼板，防護圍板高度為1 700 mm。該平臺可逐層周轉(zhuǎn)循環(huán)使用，既穩(wěn)固可靠又節(jié)省材料，如圖5所示。

圖4 現(xiàn)場焊接

圖5 可拆卸式操作平臺示意

可拆卸式操作平臺內(nèi)側(cè)每根方鋼管焊接有可調(diào)式固定架，與型鋼柱進行可靠固定，提供滿足施工需要的穩(wěn)定承載力，平臺底部鋪設(shè)并焊接花紋鋼板，為作業(yè)人員安裝焊接鋼構(gòu)件提供作業(yè)面，平臺四周設(shè)置豎向防護圍板，防范作業(yè)人員高處墜落，平臺周邊設(shè)置圓鋼吊環(huán)，供塔吊提升平臺使用。采用該平臺進行作業(yè)，大大提高了施工效率，縮短了工期，并降低了施工風險，保證了作業(yè)人員安全。操作平臺安全驗算如下:

掛梁抗剪承載力:

式中，fv為Q235鋼材的設(shè)計抗剪強度，值為125 N/mm2；A為平臺槽鋼掛梁截面面積，值為1 270 mm2。

經(jīng)計算，掛梁抗剪承載力V＝635 kN，遠大于總荷載設(shè)計值(平臺自重與最多4名操作人員重量之和，為5.42 kN)，完全滿足要求。

施工過程中，保持外框鋼柱滯后于核心筒3～6層，樓層梁滯后型鋼柱3層，混凝土樓層滯后樓層梁3層左右，從而保證樓層梁安裝基本控制在混凝土樓蓋上方1～3層位置?，F(xiàn)場進行鋼梁焊接作業(yè)時，采用鋼梁下掛操作平臺實施，增加了作業(yè)面，并保證了施工安全與質(zhì)量。

5.6 查找異型構(gòu)件重心，采用多點吊裝構(gòu)件

鋼構(gòu)件進場后，現(xiàn)場質(zhì)檢人員應(yīng)逐一檢查構(gòu)件加工制作與焊接質(zhì)量，對存在質(zhì)量缺陷的構(gòu)件應(yīng)及時采取處置措施。異型構(gòu)件吊裝前，先采用BIM技術(shù)進行三維模擬，較為準確地找出異型構(gòu)件的重心，然后根據(jù)重心放樣構(gòu)件吊裝示意圖，合理設(shè)置吊點，確定吊裝鋼絲繩長度，以保證構(gòu)件起吊平穩(wěn)、吊裝角度符合規(guī)定，從而改變構(gòu)件通常在加工廠事先設(shè)置好吊耳而極少考慮偏重構(gòu)件重心，致使現(xiàn)場吊裝難度加大及時間延長的狀況[9]。同時利用爬模架在4個核心筒勁性角柱外側(cè)焊接桁架定位鋼板，為桁架安裝事先確定好高程及控制線，且可作為桁架的就位托板進行臨時固定[10]，以及通過采取增設(shè)倒鏈、焊接定位板等措施，保證桁架鋼構(gòu)件吊裝快、就位準、安裝質(zhì)量符合要求。

為保證施工安全，功能樓層樓蓋梁在工廠加工制作時，可考慮在工字梁上開設(shè)吊裝孔或在梁上焊吊耳。對于個別樓層梁安裝，當一端無操作空間時，可考慮在鋼梁上加設(shè)安全繩。為保證安裝進度，對于樓層梁可采用一鉤多吊的串吊作業(yè)方式，如圖6所示。

圖6 一鉤多吊現(xiàn)場圖

5.7 應(yīng)用BIM技術(shù)避免焊縫重疊問題

根據(jù)施工圖對重大節(jié)點進行分析，通過BIM三維模型核查焊縫位置，發(fā)現(xiàn)箱形構(gòu)件節(jié)點處牛腿與箱形構(gòu)件拼接焊縫發(fā)生重疊。經(jīng)與設(shè)計單位充分溝通，將原設(shè)計界面方形變更為平行四邊形，將牛腿鋼板與箱形柱鋼板合二為一，變更為1張100 mm厚鋼板，從而減少了1條焊縫，較好地解決了焊縫重疊的問題[11]。但此處采用1張鋼板，就需要對鋼板進行16°折彎處理，由于100 mm厚鋼板一次壓彎成型極易造成鋼板撕裂，國內(nèi)尚未見一次壓彎成型的相關(guān)記錄。結(jié)合鋼板性能進行分析、研討，最終確定采用1 000 t液壓機對100 mm厚鋼板分2次進行折彎，每次折彎8°，以滿足16°要求，如此不但保證了鋼板性能不被破壞，而且滿足了安裝要求，加快了施工進度。

5.8 超厚板焊接措施

根據(jù)本工程所選用鋼材的性能及其化學(xué)成分情況，依據(jù)國際焊接學(xué)會推薦的碳當量計算公式，計算確認在進行超厚板焊接作業(yè)前，是否需對其進行預(yù)熱。計算公式:

式中，元素符號均表示鋼材中該元素的含量。

隨著碳當量數(shù)值的不斷累積，一般情況下，當碳當量<0.4%時，不需要采取預(yù)熱措施。當碳當量值處于0.4%～0.6%之間時，冷裂紋的敏感性將增大，焊接時需要采取預(yù)熱措施[12]。

經(jīng)計算，本鋼材CE(IIW)＝0.439 9%>0.4%，焊接前需要對其進行預(yù)熱。

考慮碳當量和板厚兩個因素，采用Seferain法計算焊接預(yù)熱溫度:

式中，[C]c表示成分碳當量；[C]t表示板厚碳當量；[C]表示總碳當量；t為板厚(mm)；Tp為預(yù)熱溫度。

由于銀川市地處北方，氣溫相對較低，鋼材施焊后需及時進行后熱處理，所以，最終將預(yù)熱溫度確定為110～120℃之間。

桁架層鋼構(gòu)件的鋼板為超厚板，現(xiàn)場焊接難度大，工作量大，焊接時通過采取布設(shè)拘束板的臨時加固措施，較好地防止了焊接變形，保證了施工質(zhì)量，且有利于后期構(gòu)件拼裝，如圖7所示。為避免熱收縮，焊接過程中嚴格控制焊接層間溫度。溫度過高時及時停止焊接，待溫度下降后再繼續(xù)焊接。本工程單個焊縫節(jié)點最大收縮值在3～4 mm范圍內(nèi)。

圖7 超厚鋼板焊接增加拘束板支撐

鋼板墻焊接完成后采取后熱措施，通過計算并考慮板厚因素，確定后熱溫度為100℃。當構(gòu)件厚度t>50 mm時，最短保溫時間(150＋t)/100(經(jīng)驗公式)，經(jīng)計算確定最短保溫時間為2.5 h[13]。隨后緩慢冷卻，加溫測溫方法與預(yù)熱相同。

6 焊縫檢驗及返修

6.1 外觀及無損檢測

當構(gòu)件溫度自然冷卻至環(huán)境溫度后，開始對焊縫進行外觀檢查，待構(gòu)件焊接完成48 h后對構(gòu)件進行無損檢測。經(jīng)現(xiàn)場檢測，本工程焊縫無損檢測合格率達到99%以上，所有焊縫均未出現(xiàn)焊接裂紋。

6.2 焊縫返修

當焊縫存在內(nèi)部缺陷時，其返修工藝和檢驗程序?qū)栏癜凑赵附庸に嚭蜋z驗程序?qū)嵤?，同一位置的焊縫返修次數(shù)不應(yīng)超過2次。

7 結(jié)論

通過對超高層鋼結(jié)構(gòu)伸臂桁架梁柱安裝施工實踐與檢測證明，采用BIM技術(shù)進行碰撞檢查，能有效避免返工；利用三維模擬施工，能合理優(yōu)化梁柱節(jié)點位置與鋼筋連接方式、優(yōu)化作業(yè)環(huán)境并減少焊縫數(shù)量；利用可拆卸式平臺和串吊方式，可實現(xiàn)快捷便利施工。通過以上技術(shù)研究與應(yīng)用，確保了伸臂桁架鋼梁、鋼柱安裝質(zhì)量，同時降低了施工成本，縮短了工期，保證了施工安全，為公司其他類似鋼結(jié)構(gòu)工程施工提供了更好、更廣的參考借鑒作用，具有較大的推廣價值和較好的應(yīng)用前景。