超高層巨型轉(zhuǎn)換鋼梁超重吊裝技術(shù)研究

夏 睿，余正祥，秦天保，金潤國，韓文濤

（1.中建三局集團(tuán)有限公司 工程總承包公司，湖北 武漢 430064；2.武漢市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，湖北 武漢 430000）

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，高層建筑的建筑功能越來越多元化，建筑結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，為滿足不同的功能需求，轉(zhuǎn)換層便成了許多高層建筑中不可缺少的結(jié)構(gòu)。從超高層結(jié)構(gòu)受力體系上來看，轉(zhuǎn)換層起到承上啟下的作用，可以有效地將受力體系由標(biāo)準(zhǔn)層的框架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成非標(biāo)層結(jié)構(gòu)，改變結(jié)構(gòu)布置和使用功能。轉(zhuǎn)換鋼梁往往結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，截面尺寸較大，采用常規(guī)的吊裝方式難以直接進(jìn)行安裝，采用合理的分節(jié)方式和吊裝方法是進(jìn)行安裝方案策劃的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)一般可歸納為5 種：基本型式梁、桁架、空腹桁架、箱形梁、厚板。該項(xiàng)目采用箱型梁、梁上起柱的結(jié)構(gòu)形式，使轉(zhuǎn)換層充分利用了空間結(jié)構(gòu)的受力性能，在增加抗震性能、增加結(jié)構(gòu)承載力、優(yōu)化結(jié)構(gòu)用鋼量等方面有較大的優(yōu)勢。

1 工程概況

襄陽大廈項(xiàng)目位于武漢市武昌區(qū)繁華的中北路，北臨沙湖大道，南側(cè)為中北路，東側(cè)為碳匯大廈，西側(cè)為天風(fēng)大廈。塔樓地下4 層，地上58 層，結(jié)構(gòu)標(biāo)高為-21.9～+260.800m，塔樓結(jié)構(gòu)采用“矩形鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒”混合結(jié)構(gòu)體系。其中鋼結(jié)構(gòu)主要分布在塔樓外框鋼柱、鋼梁和核心筒剪力墻鋼骨柱，+252.300～+260.800m標(biāo)高范圍內(nèi)為屋頂鋼構(gòu)架，屋面構(gòu)架采用鋼桁架結(jié)構(gòu)形式。轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)位于塔樓54 層主體結(jié)構(gòu)與塔冠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換處，于巨型轉(zhuǎn)換鋼梁上另起圓形鋼管柱（圖1）。

圖1 襄陽大廈結(jié)構(gòu)示意圖

如 圖2～圖4 所示，根據(jù)塔樓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從54 層起，塔樓樓面由三角形突變?yōu)閳A形，外框柱由15 根矩形柱轉(zhuǎn)換為9 根圓管柱。轉(zhuǎn)換鋼梁連接核心筒和外框柱，為9 根新增的圓管柱提供受力點(diǎn)。轉(zhuǎn)換鋼梁為箱型梁，跨度為8.4～13.2m，截面尺寸包括1 500×700×32×45、1 900×700×36×45、1 900×700×40×45、1 900×400×36×40 四 種（表1），安裝標(biāo)高為+227.400，位于塔樓54 層。轉(zhuǎn)換鋼梁使用鋼板最大板厚為45mm，當(dāng)板厚t＜25mm 時(shí)，鋼板材質(zhì)為Q355B，當(dāng)t≥25mm 時(shí)，鋼板材質(zhì)為Q355GJC。

圖2 54層結(jié)構(gòu)布置圖

圖3 轉(zhuǎn)換鋼梁立體三維圖

圖4 轉(zhuǎn)換鋼梁連接節(jié)點(diǎn)

表1 轉(zhuǎn)換鋼梁信息統(tǒng)計(jì)

2 轉(zhuǎn)換鋼梁吊裝技術(shù)

2.1 垂直運(yùn)輸設(shè)備

本工程鋼結(jié)構(gòu)吊裝地上結(jié)構(gòu)主要采用2 臺STT553（45m）塔機(jī)進(jìn)行吊裝，在現(xiàn)場設(shè)置左右兩個(gè)堆場，1 號鋼結(jié)構(gòu)堆場設(shè)置在2#塔機(jī)西北側(cè)，距2#塔機(jī)12m，2 號鋼結(jié)構(gòu)堆場設(shè)置在3#塔機(jī)北側(cè)，距3#塔機(jī)20m。轉(zhuǎn)換鋼梁標(biāo)高為227.22m，由于STT553 塔機(jī)鋼絲繩長度限制，無法使用4 繩進(jìn)行吊裝，2 繩吊裝大大限制垂直運(yùn)輸?shù)牡踔啬芰Α？鄢摻z繩影響因素，現(xiàn)場吊重能力最大不超過11t。現(xiàn)場吊裝場平布置如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場吊裝場平布置圖

2.2 轉(zhuǎn)換鋼梁分節(jié)

依據(jù)加工廠到現(xiàn)場的運(yùn)輸路況以及現(xiàn)場塔機(jī)起重能力和布置情況，利用TEKLA 建立精細(xì)化鋼結(jié)構(gòu)模型，包含本轉(zhuǎn)換層所有轉(zhuǎn)換鋼梁的模型，準(zhǔn)確控制鋼構(gòu)尺寸信息及空間定位，現(xiàn)場塔機(jī)起重能力約12t。1#、2#、3#、8#、9#重量小于現(xiàn)場起重能力，可整體建模深化制作、分車運(yùn)輸和現(xiàn)場吊裝。4#、5#、6#、7#鋼梁重量超過塔機(jī)起重能力，需要在建模完成后，進(jìn)行合理的分段分節(jié)，現(xiàn)場布置胎架，分節(jié)吊運(yùn)安裝。轉(zhuǎn)換鋼梁具體分節(jié)情況如表2 所示。

表2 轉(zhuǎn)換鋼梁分節(jié)信息統(tǒng)計(jì)

考慮分節(jié)以后，轉(zhuǎn)換鋼梁最大長度為9.0m，最大吊裝重量為11.0t。

2.3 轉(zhuǎn)換鋼梁吊裝

1#、2#、3#、8#、9#轉(zhuǎn)換鋼梁由于其長度、重量滿足現(xiàn)場塔機(jī)吊裝要求，直接利用現(xiàn)場塔機(jī)進(jìn)行吊裝。鋼梁利用塔機(jī)吊裝就位以后，調(diào)整定位坐標(biāo)，復(fù)核定位標(biāo)高，利用臨時(shí)連接板將鋼梁一側(cè)與外框柱的牛腿臨時(shí)連接，另一側(cè)與核心筒預(yù)埋件臨時(shí)連接。然后進(jìn)行鋼梁兩側(cè)主焊縫焊接，焊接作業(yè)采用CO2氣保焊，打底焊完成以后松鉤解開鋼絲繩。鋼絲繩解開以后，需盡快完成主焊縫焊接。

4#、5#、6#、7#轉(zhuǎn)換鋼梁采用“臨時(shí)支撐+分節(jié)吊裝”的方式進(jìn)行安裝?！芭R時(shí)支撐+分節(jié)吊裝”是一種利用自身結(jié)構(gòu)提供受力支點(diǎn)的吊裝方法?，F(xiàn)場施工時(shí)，利用53 層鋼梁作為支撐體系為54 層轉(zhuǎn)換鋼梁安裝提供受力支點(diǎn)，臨時(shí)支撐采用?609×16mm 鋼管，鋼管頂部標(biāo)高以轉(zhuǎn)換鋼梁的梁底標(biāo)高為依據(jù)進(jìn)行控制，定位以后鋼管與53 層鋼梁焊接固定。臨時(shí)支撐鋼管吊裝就位以后，檢查定位坐標(biāo)和頂部標(biāo)高，確認(rèn)無誤以后進(jìn)行鋼梁分段吊裝。

為保證鋼梁小節(jié)段的穩(wěn)定性，吊裝時(shí)由核心筒往外框柱方向進(jìn)行吊裝。先吊裝內(nèi)側(cè)鋼梁小節(jié)段，鋼梁吊裝定位以后，立即進(jìn)行鋼梁與核心筒預(yù)埋件之間焊縫的焊接。焊縫打底焊焊接完成以后，可松開鋼絲繩，再進(jìn)行外側(cè)相鄰鋼梁小節(jié)段吊裝，鋼梁落位以后，調(diào)整定位，與兩側(cè)鋼梁或者牛腿焊接固定。為保證施工安全，鋼梁小節(jié)段與兩側(cè)結(jié)構(gòu)之間的焊縫必須打底焊焊接完成才能松開塔機(jī)鋼絲繩。

待鋼梁所有焊縫焊接完成以后，清除焊縫表面焊渣和飛濺，進(jìn)行焊縫無損檢測。焊縫無損檢測主要采用超聲波探傷的方式進(jìn)行，確保焊縫質(zhì)量滿足驗(yàn)收要求以后，再繼續(xù)進(jìn)行臨時(shí)支撐的卸載和拆除。當(dāng)焊縫超聲波檢測存在質(zhì)量缺陷時(shí)，須在臨時(shí)支撐卸載和拆除前完成焊縫返修，支撐胎架一旦拆除，焊縫嚴(yán)禁返修。

2.4 安裝精度控制

2.4.1 采用合理的焊接工藝防止焊接變形

轉(zhuǎn)換鋼梁所用鋼板最大板厚為45mm，鋼板材質(zhì)等級為Q345GJC，現(xiàn)場焊縫等級均為一級。任何不合理的焊縫作業(yè)必定會導(dǎo)致焊縫收縮不規(guī)律、結(jié)構(gòu)變形超出預(yù)警值、轉(zhuǎn)換鋼梁安裝精度達(dá)不到規(guī)范允許誤差，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全隱患。針對轉(zhuǎn)換鋼梁施工精度控制的重要性，現(xiàn)場焊接必須采取科學(xué)合理的焊接方法和控制措施。

遵循“對稱施焊、先立焊后平焊”的方法進(jìn)行作業(yè)。施工之前，進(jìn)行焊接工藝評定試驗(yàn)，確定各項(xiàng)焊接方法和作業(yè)參數(shù)。利用烘槍對焊縫區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，防止焊接溫度驟高引起焊縫質(zhì)量缺陷。施工過程中，嚴(yán)格按照焊接工藝評定的各項(xiàng)參數(shù)和要求，箱型截面鋼梁采用兩人對稱焊接的方式施焊，先焊接兩條立焊縫，后焊接平焊縫，每條焊縫按照打底、填充、蓋面的工序依次進(jìn)行焊接。針對雨天、大風(fēng)等惡劣天氣采取必要的防護(hù)措施，減少自然環(huán)境對焊接質(zhì)量的影響。焊接完成以后，利用石棉布對焊縫區(qū)域進(jìn)行覆蓋，讓其穩(wěn)定緩慢降至環(huán)境溫度，避免焊接裂紋的出現(xiàn)。

2.4.2 全過程進(jìn)行測量監(jiān)控

轉(zhuǎn)換鋼梁施工過程中，需對施工全過程進(jìn)行測量監(jiān)控。監(jiān)測內(nèi)容包括54 層轉(zhuǎn)換鋼梁以及為轉(zhuǎn)換鋼梁提供支撐作用的53 層鋼梁。監(jiān)測工作利用全站儀來進(jìn)行，監(jiān)測點(diǎn)分別布置在每根鋼梁兩側(cè)和跨中處，利用反光片進(jìn)行標(biāo)識。

每根鋼梁從吊裝時(shí)起開始進(jìn)行觀測，每日同一時(shí)刻觀測一次，記錄鋼梁的定位坐標(biāo)和標(biāo)高。每日將測量結(jié)果進(jìn)行分析，分析其變形規(guī)律，直至轉(zhuǎn)換層施工完成。必要時(shí)，在鋼梁吊裝、鋼梁焊接、臨時(shí)支撐鋼管卸載拆除等關(guān)鍵工序加密觀測頻次，確保轉(zhuǎn)換鋼梁在吊裝、焊接過程中結(jié)構(gòu)變形在控制范圍之內(nèi)。

3 仿真分析及結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測

3.1 仿真模擬分析

在箱型轉(zhuǎn)換鋼梁安裝前，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬分析，保證安裝的合理性。對構(gòu)件吊裝結(jié)構(gòu)安全有一定指導(dǎo)作用。工況分析：①轉(zhuǎn)換鋼梁上一節(jié)圓管柱吊裝完成；②塔冠其他構(gòu)件逐步加載完成。

從結(jié)構(gòu)變形趨勢來看，轉(zhuǎn)換梁最大絕對變形：從55mm（不加載上部樓層結(jié)構(gòu)）到65mm（加載上部樓層結(jié)構(gòu)），最大相對變形：從1.0mm（不加載上部樓層結(jié)構(gòu)）到3.0mm（加載上部樓層結(jié)構(gòu)）發(fā)生位移變形。

3.2 結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測

位移監(jiān)測布點(diǎn)的主要原則是各控制點(diǎn)空間三維坐標(biāo)（或豎向變形）的測量，對1～9#轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測布點(diǎn)如圖6 所示。

圖6 1～9#轉(zhuǎn)換鋼梁位移監(jiān)測點(diǎn)位布置圖

位移監(jiān)測在主體結(jié)構(gòu)觀測點(diǎn)上粘貼反光十字標(biāo)志點(diǎn)，設(shè)置觀測基準(zhǔn)點(diǎn)，組成位移觀測網(wǎng)。全站儀監(jiān)測不需考慮現(xiàn)場施工對觀測的影響，根據(jù)現(xiàn)場施工情況，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過測量位移監(jiān)測點(diǎn)的平面坐標(biāo)，分析觀測數(shù)據(jù)。通過對原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、聚類分析得到轉(zhuǎn)換鋼梁隨安裝荷載（結(jié)構(gòu)安裝樓層）變化圖。

據(jù)對塔冠鋼柱施工過程位移觀測點(diǎn)（9 個(gè)）的監(jiān)測，由觀測數(shù)據(jù)可知，轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)異常位移情況，無明顯變化。其中單次最大位移量為6 號點(diǎn)3mm；累計(jì)最大位移量為5mm。

以6 號測點(diǎn)為例，對仿真模擬及數(shù)據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，如圖7 所示。

圖7 6#測點(diǎn)變形數(shù)據(jù)分析圖表

對仿真模擬及數(shù)據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析結(jié)果如下：①隨著結(jié)構(gòu)荷載增加，巨型轉(zhuǎn)換梁位移變形逐漸增大，鋼桁架安裝后位移變形最大，達(dá)到5mm；②仿真模擬數(shù)據(jù)有較強(qiáng)說服力，變形與真實(shí)情況基本吻合，且都遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求變形值。

4 結(jié)語

綜上所述，巨型轉(zhuǎn)換鋼梁憑借其結(jié)構(gòu)簡單、受力良好的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代建筑中運(yùn)用越來越多，但其截面尺寸大，單重較重，對現(xiàn)場垂直運(yùn)輸要求極高。

結(jié)合現(xiàn)有的施工環(huán)境和垂直起重設(shè)備，采用“分節(jié)制作+臨時(shí)支撐+分段吊裝”的方式順利完成襄陽大廈項(xiàng)目巨型轉(zhuǎn)換鋼梁的吊裝。施工前對施工工況進(jìn)行仿真分析，施工過程中全程進(jìn)行位移監(jiān)測，施工完成以后，鋼梁的安裝精度和焊接質(zhì)量均滿足結(jié)構(gòu)安全和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

該吊裝方式利用常規(guī)起重設(shè)備，適當(dāng)增加少量的人工和工裝材料成本，順利完成施工任務(wù)，極具經(jīng)濟(jì)價(jià)值，值得在類似工程中推廣。