超高層鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù).doc

超高層鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù) 摘要：中國(guó)國(guó)際貿(mào)易中心三期工程主樓高330m，是目前北京最高的單體鋼結(jié)構(gòu)建筑，它獨(dú)特的伸臂桁架設(shè)計(jì)將核心筒和外框筒結(jié)構(gòu)牢固地連接成一個(gè)整體，結(jié)構(gòu)的四個(gè)外立面均向核心簡(jiǎn)內(nèi)傾斜。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，施工場(chǎng)地狹小，對(duì)構(gòu)件吊裝、測(cè)量定位、變形控制及施工管理的要求非常高，需要有先進(jìn)的管理水平以及施工技術(shù)和施工措施。 關(guān)鍵詞：超高層；鋼結(jié)構(gòu)；鋼柱；桁架；安裝 中國(guó)國(guó)際貿(mào)易中心三期A階段工程主樓建筑高330m，地下4層，地上74層，總建筑面積為28萬(wàn)，主樓建筑面積20萬(wàn)，用鋼量達(dá)5萬(wàn)t，鋼構(gòu)件數(shù)量約為27萬(wàn)件。在安裝過(guò)程中使用高強(qiáng)螺栓47萬(wàn)套，壓型鋼板17萬(wàn)栓釘241萬(wàn)套。 主樓地面平面外輪廓尺寸在地面層約為55-3 mx553 m，至73層時(shí)收到約44 mx44 m，塔樓從底部到頂部向內(nèi)傾斜113m。核心簡(jiǎn)與周邊框架柱的間距為1610m,外框柱間距56層以下辦公區(qū)為42m，56層以上旅館區(qū)為56m(表1)。 表l國(guó)貿(mào)三期主樓建筑概況 總建筑面積 28萬(wàn)主樓建筑面積 20萬(wàn)m。 基礎(chǔ)樁筏基礎(chǔ)厚筏基礎(chǔ)底標(biāo)高 一22.00m主樓地 B3停車(chē)場(chǎng)、設(shè)備房下室3層B2一B1設(shè)備房、商業(yè)用途 主樓高度主樓地14層大堂等多用途樓層 330 m上74層556層 辦公樓層57層以上 旅館層 屋面74層頂 停機(jī)平臺(tái)主樓結(jié)構(gòu)形式鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu) 外立面裝飾 玻璃幕墻 抗震設(shè)防烈度 8度 防火等級(jí) 一級(jí)主樓由外框筒和核心簡(jiǎn)兩部分組成。外框筒鋼柱 由中間腰桁架分三次調(diào)整斜率向內(nèi)側(cè)傾斜。外框筒與和核心筒之間除一般的平面連接外，還有分別在2829層、5456層兩道伸臂桁架連接，形成整體的鋼結(jié)構(gòu)體系(圖1)。圖l 國(guó)貿(mào)三期主樓結(jié)構(gòu)示意 國(guó)貿(mào)三期主樓鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件為重型鋼柱、超大異型鋼柱、巨型斜柱、直柱、單層鋼板墻、雙層鋼板墻、鋼梁、斜撐和巨型伸臂桁架。單節(jié)鋼柱最重達(dá)60t，有箱形、H形、異形等多種截面形式，核心筒鋼柱截面最大截面為3 710mmx2550mm，由多個(gè)H形、箱形等組成的復(fù)雜異型截面。 工程主要采用Q345C、Q345GJC和Q345GJD等鋼材，其中Q345GJ鋼材采用正火或控軋狀態(tài)交貨，除腰桁架和伸臂桁架外，所有鋼材均滿足0時(shí)的沖擊功不小于34j，腰桁架和伸臂桁架的鋼材需滿足-20時(shí)的沖擊功不小于34j。40 mm以上鋼板均有Z向性能要求?，F(xiàn)場(chǎng)焊接70為高強(qiáng)厚板焊接，焊接母材強(qiáng)度高，焊接量大，焊縫長(zhǎng)，焊接收縮變形大，焊接質(zhì)量要求高。如何控制變形和應(yīng)力消除，將直接影響結(jié)構(gòu)安裝成型，特別是雙向傾斜重型鋼柱的空間位置及雙鋼板墻的安裝焊接。1工程重點(diǎn)和難點(diǎn)11計(jì)算結(jié)構(gòu)安裝誤差預(yù)調(diào)正分析 國(guó)貿(mào)三期屬于超高層建筑，其構(gòu)件有著大型化、異型化的特點(diǎn)，導(dǎo)致其施工技術(shù)和施工精度要求都非常高，所以本工程的結(jié)構(gòu)施工計(jì)算分析和施工誤差調(diào)整分析尤為重要，這是本工程施工最關(guān)鍵的技術(shù)措施之一。因此首先要保證結(jié)構(gòu)施工計(jì)算的正確性，其次確保施工誤差調(diào)整的可控性。 本工程各項(xiàng)施工方案在實(shí)施前都運(yùn)用結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行了大量的結(jié)構(gòu)施工虛擬計(jì)算分析，為防止安裝過(guò)程中產(chǎn)生較大誤差而制定了行之有效的措施。12傾斜鋼柱安裝穩(wěn)定性控制 在吊裝過(guò)程中，傾斜鋼柱構(gòu)件本身帶有雙向傾斜角度，屬于非穩(wěn)定體系，安裝精度和安裝技術(shù)要求高。 為保證鋼柱開(kāi)始安裝時(shí)的穩(wěn)定性，采用多臺(tái)塔吊同時(shí)進(jìn)行協(xié)作吊裝。為了多塔近距離協(xié)作的安全施工，不僅聘用技術(shù)過(guò)硬經(jīng)驗(yàn)豐富的信號(hào)工進(jìn)行指揮，而且所有構(gòu)件的安裝角度位置、連接形式等都通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行預(yù)先計(jì)算，并通過(guò)專(zhuān)家論證。13大噸位異型柱吊裝就位 本安裝工程中最重的鋼柱達(dá)60 t，而且鋼柱截面復(fù)雜、不對(duì)稱(chēng)，這些都對(duì)構(gòu)件吊點(diǎn)重心的選擇、起吊、就位等造成困難，極易造成構(gòu)件起吊后，構(gòu)件的安裝面不在同一水平面，增加了施工過(guò)程中的安裝難度。 通過(guò)對(duì)核心筒非對(duì)稱(chēng)特重構(gòu)件分析計(jì)算，找出構(gòu)件中心，合理布置吊耳，并采用多繩多吊點(diǎn)滑輪組吊裝保證鋼柱準(zhǔn)確就位。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)布置塔吊的起重性能，部分重型鋼柱吊裝需要使用兩臺(tái)吊車(chē)進(jìn)行吊裝：一臺(tái)主吊，另一臺(tái)輔助吊裝。14鋼板剪力墻的吊裝與安裝 本工程在15層頂以下核心筒內(nèi)剪力墻放置鋼板剪力墻，但由于鋼板剪力墻長(zhǎng)細(xì)比較大，剛度較小，在構(gòu)件單體起吊時(shí)產(chǎn)生變形。同時(shí)，由于鋼板剪力墻與核心筒鋼柱連接形式有兩種：即超長(zhǎng)焊縫的焊接和高強(qiáng)螺栓連接。超長(zhǎng)焊縫易產(chǎn)生焊接變形，高強(qiáng)螺栓的一次穿孔率很難保證。 為避免吊裝時(shí)構(gòu)件產(chǎn)生吊裝變形，在吊裝時(shí)采用雙機(jī)抬吊遞送法。為保證螺栓的一次穿孔率，采用加工廠和現(xiàn)場(chǎng)各鉆一半的孔。15伸臂桁架高空拼裝精度的保證 本工程伸臂桁架整體重量大，現(xiàn)場(chǎng)塔吊無(wú)法進(jìn)行整體吊裝，同時(shí)伸臂桁架又直接受內(nèi)外簡(jiǎn)不均勻沉降影響，這要求現(xiàn)場(chǎng)安裝精度高。 為保證伸臂桁架的安裝精度，現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件起吊前，在地面上由專(zhuān)人對(duì)構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)的構(gòu)件檢查，與圖紙進(jìn)行仔細(xì)核對(duì)。同時(shí)為將日后伸臂桁架受內(nèi)外簡(jiǎn)不均勻沉降的影響降至最低，不僅由專(zhuān)家論證制定了行之有效的專(zhuān)項(xiàng)方案，而且在安裝過(guò)程中全程測(cè)量檢測(cè)，并在日后分階段復(fù)測(cè)起變化值。16腰桁架高空拼裝精度的保證 本工程中四道腰桁架均跨越多層，桁架支撐多。截面大。為保證腰桁架的安裝精度，除了加工廠對(duì)桁架全部進(jìn)行預(yù)拼裝以外，現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件起吊前，將構(gòu)件與圖紙仔細(xì)核對(duì)。同時(shí)制定行之有效的專(zhuān)項(xiàng)方案，并通過(guò)專(zhuān)家論證。腰桁架安裝以中心軸線對(duì)稱(chēng)向兩邊安裝，安裝過(guò)程全程進(jìn)行測(cè)量跟蹤。為保證結(jié)構(gòu)整體幾何尺寸的準(zhǔn)確，在最后一根鋼柱就位后，再次進(jìn)行復(fù)測(cè)，按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際尺寸對(duì)最后一根鋼梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量加工的方法安裝，保證桁架的安裝精度。17施工平面布置 由于本工程施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地狹窄，而鋼結(jié)構(gòu)安裝作業(yè)面廣，構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸和起吊區(qū)設(shè)置受場(chǎng)地限制。 根據(jù)國(guó)貿(mào)三期現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地的大小、主樓鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件重量分析以及吊裝設(shè)備回轉(zhuǎn)所需的空間，在主樓的頂部選擇了一臺(tái)澳大利亞生產(chǎn)的內(nèi)爬式M760D動(dòng)臂塔吊和一臺(tái)M440D動(dòng)臂塔吊，分別負(fù)責(zé)整個(gè)吊裝區(qū)域的吊裝，各塔吊隨主體鋼結(jié)構(gòu)的安裝上升而爬升。為解決構(gòu)件運(yùn)輸和臨時(shí)堆放，滿足現(xiàn)場(chǎng)最大塔吊的起重性能，在主樓的南側(cè)設(shè)置了一臺(tái)外附著中升ZSL750動(dòng)臂塔吊，在主樓西側(cè)料場(chǎng)設(shè)置一合K5050塔吊 圖2總體施工安裝流程22總體安裝順序221豎向施工順序 鋼結(jié)構(gòu)總體豎向施工順序?yàn)楹诵耐彩┕は刃芯o跟著的是外框筒施工，內(nèi)外筒始終保持相差3.6層高度；然后是焊接施工、壓型鋼板鋪設(shè)、混凝土澆筑等工序，形成流水施工，保持610層的施工節(jié)奏。222平面施工分區(qū) (1)標(biāo)準(zhǔn)層平面分區(qū) 標(biāo)準(zhǔn)層平面共分8個(gè)施工區(qū)，其中西北側(cè)為M440D塔吊施工區(qū)，東南側(cè)為M760D塔吊施工區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)兩臺(tái)塔吊同時(shí)吊裝，施工順序?yàn)榈谝皇┕^(qū)_第二施工區(qū)一第三施工區(qū)_+第四施工區(qū)(圖3)。 (2)核心筒平面分區(qū) 核心筒部分鋼結(jié)構(gòu)施工分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)域進(jìn)行吊裝，其中A、B兩個(gè)施工區(qū)為M440D塔吊施工區(qū)C、D兩個(gè)施工區(qū)為M760D塔吊施工區(qū)。 (3)腰桁架平面施工順序及分區(qū) 圖3標(biāo)準(zhǔn)層半面分區(qū)不恿 本工程腰桁架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且構(gòu)件立面方向帶有雙向角度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和構(gòu)件分段情況綜合分析，決定將腰桁架部分施工平面分為8個(gè)施工區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)兩臺(tái)塔吊各負(fù)責(zé)四個(gè)施工區(qū)域，同時(shí)吊裝，總體安裝順序?yàn)閺慕Y(jié)構(gòu)中部向兩側(cè)，施工區(qū)域順序?yàn)榈谝皇┕^(qū)一第二施工區(qū)一第三施工區(qū)一第四施工區(qū)。23主樓主要節(jié)點(diǎn)處理231外框筒 周邊框筒平面為削角的正方形，外輪廓尺寸在地面層約為553 m，至73層收到約44 m。周邊框簡(jiǎn)在旅館層(即57層以上)的柱距為56m，而在其他樓層(桁架層和底部巨型斜撐處除外)柱距均為42 m，盡量提高框筒結(jié)構(gòu)的整體剛度。 為使周邊框筒能更有效地承擔(dān)底部剪力，減輕核心筒底部的負(fù)擔(dān)，同時(shí)滿足塔樓地面入口處大開(kāi)間的需要，在1-5層設(shè)置巨型支撐外簡(jiǎn)。此支撐外簡(jiǎn)之上為6-7層的腰桁架與上部框筒連接，在地面層亦設(shè)置深1m的型鋼混凝土梁以提供聯(lián)系和約束。 考慮到建筑的曲線外形導(dǎo)致框架數(shù)目隨高度增加而減少，在6-7層、28-29層及54-56層的機(jī)電層處設(shè)置3個(gè)兩層高的腰桁架，以滿足不同柱網(wǎng)布置。同時(shí)腰桁架也增強(qiáng)了框筒的整體抗彎和抗剪剛度，提高了框筒的抗側(cè)性能。 框筒所有柱均采用型鋼混凝土截面。以增加延性及減少鋼材用量。腰桁架的斜桿及所有的框架梁均為H型鋼截面。在外筒鋼柱施工同時(shí)，考慮到外包混凝土中鋼筋到鋼柱節(jié)點(diǎn)處的處理，在節(jié)點(diǎn)處如鋼筋需穿過(guò)鋼梁翼緣時(shí)，為保證鋼筋在結(jié)構(gòu)上正常傳力，同時(shí)又保證鋼結(jié)構(gòu)受力不被削弱，在鋼梁的上翼緣加焊鋼筋連接板，大小由所需要連接鋼筋的長(zhǎng)度決定：在節(jié)點(diǎn)處如鋼筋需穿過(guò)鋼梁腹板時(shí)，若為箍筋就在腹板上開(kāi)孔，若為主筋則同樣在腹板處加焊鋼筋連接板，大小由所需要連接鋼筋的搭接長(zhǎng)度決定(圖4)。（a） (b) 圖4外框筒典型節(jié)點(diǎn)示意(a)827和30一53層頂單鋼骨外框組合柱；（b) 5668層頂雙鋼骨外框組合柱232核心筒 核心筒的外籠尺寸為268 mx207 m(B3-33層)、238 mx207 m(33-57層)禾N(yùn)20 mx20 m(57-73層)。核心筒周邊框架為型鋼混凝土(SRC)巨型柱和實(shí)腹式工字型鋼梁及支撐形成的支撐框架，16層以下墻體中還有鋼板剪力墻。SRC柱有L形和矩形，內(nèi)含25支型鋼截面。57層以上核心筒尺寸有所縮小，同時(shí)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度中外框架承擔(dān)的份額增大。為減小承臺(tái)厚度并改善承臺(tái)內(nèi)力分布，在B3-1層核心筒四角各有兩片鋼板翼墻，長(zhǎng)度由上至下逐層增加(圖5)。233腰桁架及伸臂桁架連接節(jié)點(diǎn) 腰桁架為H型鋼截面組合而成的立面桁架。根據(jù)腰桁架的設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)、工廠制作條件、構(gòu)件運(yùn)輸條件、施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件、現(xiàn)場(chǎng)其重機(jī)械性能等多方面對(duì)比。綜合分析，并與有關(guān)專(zhuān)家論證后，將腰桁架分段成多個(gè)散(b) 圖5核心筒典型節(jié)點(diǎn)示意(a)用于翼緣垂直的支撐斜桿；(b)鋼梁與鋼支撐連接節(jié)點(diǎn) (c)用于腹板垂直的支撐斜桿件進(jìn)行制作、運(yùn)輸、安裝。腰桁架的散件現(xiàn)場(chǎng)安裝采用腹板高強(qiáng)度螺栓連接和翼緣焊接連接的方式。伸臂桁架與該層的腰桁架相連，因而每個(gè)伸臂桁架可以將傾覆力同時(shí)傳于兩邊支柱。 在28-29層頂及54-56層頂之間均設(shè)有伸臂桁架。此伸臂桁架可以更好地發(fā)揮周邊框筒抵抗側(cè)向力的作用，減少核心筒整體受力(圖6)。 為避免伸臂桁架施工完成后被內(nèi)外不均勻沉降所產(chǎn)生的內(nèi)力拉壞，故在伸臂桁架兩端連接處做長(zhǎng)孔。先用銷(xiāo)軸連接，然后階段性觀測(cè)，待內(nèi)外筒沉降差變化很小，核查無(wú)誤后，再進(jìn)行最后的焊接。 腰桁架典型節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖7，伸臂桁架連接節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖8。24安裝方法241雙向傾斜巨型鋼柱 巨型鋼柱的安裝使用現(xiàn)場(chǎng)的兩臺(tái)動(dòng)臂塔吊和外附著動(dòng)臂塔吊輔助進(jìn)行安裝。由于巨型鋼柱雙向傾斜，而且大部分屬于超重構(gòu)件，傾斜角度較大，安裝開(kāi)始時(shí)采用三臺(tái)塔吊同時(shí)作業(yè)，當(dāng)安裝出一個(gè)節(jié)間后就可以根據(jù)巨型鋼柱所安裝的位置，采用一臺(tái)塔吊為主吊另一臺(tái)塔吊為輔吊，兩臺(tái)塔吊同時(shí)作業(yè)。(a) （b)圖6腰桁架及伸臂桁架示意 (a)28-29層；fb)5456層 圖7腰桁架典型節(jié)點(diǎn)示意(a)L1、L69層；Co)LS-L6層；(c)L8層；(d)L7層；(e)L30層-；(t)L28-L29層(g)L29,L55層；(h)L56層 總體安裝順序共劃分了8個(gè)流水段施工，平面施工順序?yàn)閺母鱾€(gè)立面中心向四周擴(kuò)散安裝，具體單元體安裝如下。 (1)先將側(cè)立面中間的鋼柱吊裝就位。同時(shí)安裝此鋼柱與核心筒支撐的鋼梁，以支撐外筒斜柱向內(nèi)側(cè)傾斜(圖9)。 (2)吊裝與已就位的鋼柱最近的一根鋼柱。因?yàn)?b)圖8伸臂桁架連接節(jié)點(diǎn)示意(a)28層伸臂桁架與外框架節(jié)點(diǎn)；(b)55層伸臂桁架與外框架節(jié)點(diǎn)；(c)伸臂桁架與核心筒連接圖9巨型柱安裝步驟一巨型斜柱在就位后為傾斜狀態(tài)，其重心在構(gòu)件外，為保持鋼柱吊裝時(shí)的平衡及就位后鋼柱的穩(wěn)定，所以安裝時(shí)將兩鋼柱間的鋼梁與鋼柱用安裝螺栓暫時(shí)連接并同時(shí)起吊。就位時(shí)，連接鋼柱柱腳的臨時(shí)連接耳板和隨鋼柱同時(shí)起吊的兩鋼柱之間的框架梁(圖10)。 (3)將第二根就位鋼柱與核心筒之間相連的鋼梁安裝完畢，以便形成框架，使已安裝的構(gòu)件穩(wěn)定。此時(shí)第一個(gè)節(jié)間安裝完畢。在安裝過(guò)程中兩鋼柱上的吊鉤一直未摘，此時(shí)可以進(jìn)行摘鉤(圖11)。 (4)向已安裝完成的節(jié)間左右逐漸擴(kuò)散安裝。一臺(tái)塔吊吊裝鋼柱，同時(shí)另一臺(tái)塔吊進(jìn)行此鋼柱與核心筒相連的鋼梁和與已安裝完成的節(jié)間相連的鋼梁安裝(圖12)。 (5)兩個(gè)相連側(cè)立面安裝完畢(圖13)。 (6)對(duì)兩個(gè)已安裝完畢相連側(cè)立面之間的角柱及角柱之間的鋼梁進(jìn)行安裝(圖14)。圖10巨型柱安裝步驟二圖11巨型柱安裝步驟三圖12巨型柱安裝步驟四 圖13巨型柱安裝步驟五242大噸位異型柱 核心筒內(nèi)的結(jié)構(gòu)柱由13種異型截面鋼柱組成。最重的單根單節(jié)達(dá)60t，截面為3 710mrnx2550ram。根據(jù)鋼柱重量采取不同的卸車(chē)、倒運(yùn)方法。圖14巨型柱安裝步驟六 這種大噸位異型柱的吊裝，鋼柱截面復(fù)雜不對(duì)稱(chēng)對(duì)構(gòu)件吊點(diǎn)重心的選擇、起吊、就位等都相當(dāng)困難。而且由于核心簡(jiǎn)鋼柱截面復(fù)雜多樣且不對(duì)稱(chēng)，鋼柱測(cè)量校正點(diǎn)較多，整體標(biāo)高軸線及垂直度調(diào)整難度大，極易造成構(gòu)件起吊后，構(gòu)件的安裝面不在同一水平面不但給構(gòu)件的高空安裝增加了極大的危險(xiǎn)系數(shù)，同時(shí)也增加了施工過(guò)程中的安裝難度。 為保證鋼柱在高空就位后的垂直調(diào)整，在吊裝前對(duì)每一根異型鋼柱都進(jìn)行認(rèn)真計(jì)算，放置吊耳，以確保構(gòu)件安裝精度。243鋼板墻 本工程在核心筒鋼柱之間設(shè)置單(雙)鋼板墻，單鋼板墻采用螺栓連接，在核心筒四個(gè)角位置設(shè)置了雙鋼板墻，雙鋼板墻采用焊接連接，其中單鋼板墻一塊連接板螺栓最多達(dá)100顆，施工難度大，而雙鋼板墻最長(zhǎng)一條焊縫為16m。 鋼板剪力墻的分段原則是：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、塔吊起重能力及構(gòu)件運(yùn)輸車(chē)的運(yùn)輸能力分段，經(jīng)過(guò)計(jì)算，鋼板剪力墻均不超重，故寬度不超過(guò)3 m的均可采取汽車(chē)公路運(yùn)輸。 寬度不超過(guò)3 m的鋼板剪力墻，制作時(shí)與鋼梁一體拼成三層一整體；寬度超過(guò)3 m的鋼板剪力墻，分段制作為高度方向不超過(guò)3 m的構(gòu)件。 所有鋼板剪力墻均在夜間進(jìn)行卸車(chē)，所有鋼板剪力墻構(gòu)件均可以單機(jī)卸車(chē)，卸車(chē)使用四個(gè)吊裝夾具均勻抬吊卸車(chē)，卸車(chē)后擺放在主樓西側(cè)料場(chǎng)。 鋼板剪力墻在起吊時(shí)，根據(jù)要起吊的鋼板墻所要安裝的位置選用相應(yīng)塔吊作為主吊進(jìn)行吊裝，為避免起吊時(shí)鋼板剪力墻因自重而變形，鋼板剪力墻以雙機(jī)遞送的方式起吊，后由主吊塔吊提升，直至鋼板剪力墻提升至垂直后將輔助遞送塔吊摘鉤，由主吊進(jìn)行安裝。 鋼板剪力墻吊裝就位后，先由提前焊好的防滑鐵固定在其安裝位置(圖15)。在核心