超高層建筑鋼結構安裝施工技術

鄭 洋,顏 冬

(中建鋼構有限公司,深圳 518000)

超高層建筑鋼結構安裝施工技術

鄭 洋,顏 冬

(中建鋼構有限公司,深圳 518000)

論文介紹了超高層酒店的結構特點和設計理念;避難層屈曲約束支撐的設計與施工;SRC折線形斜向柱的施工質量與精度控制以及超高層酒店文明施工與安全施工。

設計理念; 屈曲約束支撐; SRC; 超高層測量; 施工安全

1 工程概況

超高層酒店地下3層(不包含地下一層設置的夾層),地上54層,結構標高258.4 m,塔樓層高2.100～7.500 m,標準層層高為3.900 m和4.100 m。鋼構件類型主要有十字型和H型。核心筒外框均勻分布16根勁性十字柱,基礎底板至+10.700 m標高核心筒東南角設置有4根勁性十字柱,主體結構共設置三道環帶桁架,分別位于22、35、47層,桁架斜腹桿采用屈曲約束支撐。

本建筑鋼結構結構安裝施工主要有以下幾個要點:(1)超高層酒店整體造型從下往上先外擴后內收,致使鋼結構外框柱層層傾斜,增加了鋼結構施工的難度,施工風險大幅增加。(2)鋼結構外框鋼柱設計為勁性鋼骨柱,與鋼筋混凝土結構交叉節點數量多,形式較為復雜,且外框鋼柱全部帶有一定的傾斜角度,深化設計難度較高。(3)由于主體外框鋼柱全部單向傾斜,并在結構中部由外斜向內斜過度,隨著鋼結構安裝的進行,受結構自重、風荷載、日照和溫差等因素的影響,對測量控制的方法和測量精度提出了較高要求。(4)避難層屈曲約束支撐截面小,板材厚,精度控制與焊接控制不同于一般鋼結構施工。

2 超高層酒店結構設計理念

義烏世貿中心超高層酒店造型獨特,中間鼓突,上下收緊,流線型的樓體拔地而起,圓潤的身形向上漸變為花瓣形,簡潔大氣,一氣呵成,有著“盛世花開,龍騰義烏”的美好寓意,表達對義烏經濟持續騰飛、繁榮的隱喻。與此同時,超高層酒店中間樓層向外鼓突,在占地面積狹窄的情況下,借助結構優勢巧妙地增加了超高層酒店的建筑空間,增加了容積率,提高了資金的利用率。為滿足五星級超高層酒店高水準、高性能的建筑平面及立面設計要求,并滿足結構安全和施工便利的要求,核心筒外框設置16處SRC柱以增強整體穩定性,16根外框SRC柱內十字型鋼由地下3層至54層。

義烏世貿中心超高層酒店由核心筒和外框16根SRC柱形成核心筒-框架結構體系,如圖1所示,16根SRC柱對稱布置,結構體系抗側能力雙向平衡。利用避難層設置3道加強桁架,桁架腹桿采用屈曲約束支撐,桁架位于22F、35F、47F。進一步提高建筑物整體抗側能力,增加結構的整體剛度,有效地減小了建筑在風壓工況下變形和變形加速度,滿足了建筑舒適度要求,同時也提高了結構的抗震能力[2]。

梁柱連接節點設計方面,鋼梁與核芯筒采用鉸接連接。鋼梁與外圍框架柱為剛接連接,且在節點區域鋼梁腹板通過長圓孔穿鋼筋,以加強節點區域的抗震能力。

3 鋼結構深化設計

與一般建筑施工不同,鋼結構施工依照的主要是專業的鋼結構深化設計圖而非結構圖,鋼結構深化設計是鋼結構工程流程的基礎。本工程的深化設計包括鋼柱、鋼梁及鋼桁架的深化設計。

針對義烏世貿中心鋼結構的特點和重要性,深化設計首先根據施工方案進行合理的分段,既保證構件的加工及運輸,又有利于現場吊裝。其次深化設計針對構件的連接形式、坡口和焊縫進行細化,便于工廠的制作和現場的焊接。義烏世貿中心超高層酒店特殊的結構形式決定了每個樓層均與其他樓層不同,均需要單獨進行深化設計。為保證深化進度同時增加后期結構調整的靈活性,以6層為一個深化節點深化設計。

義烏世貿中心超高層酒店深化設計工作量大、難度較高,為最大限度地確保深化設計的準確性,本工程通過鋼結構生產車間工藝以及現場實測數據進行信息反饋處理。當生產車間在放樣階段被發現設計疑問時,及時通知深化設計部,深化設計部會立即組織人員對問題進行分析,判斷問題類型,并有針對性地進行圖紙局部修改或再深化。施工階段定期將標高實測數據反饋深化設計院,深化設計根據實測的數據對部分鋼構件的尺寸進行微調。尤其是在桁架層施工前,將現場安裝后的實測數據報送設計單位與廠區,在規范與設計允許的范圍內,通過合理的調整分段長度來保證穿孔精度。

雖說是小手術，又是段主任親自給我做，我還是感到有點兒緊張，護士連著給我測了兩回血壓，都是有點兒高。好在氣管鏡允許家屬在現場，尤其是王姐也在，兩人不停地安慰我，才終于讓我平靜下來。

義烏世貿中心超高層酒店涉及大量勁性鋼骨結構,涉及大量土建與鋼結構的協同作業。經過與土建單位的密切溝通,深化設計重點解決了交叉作業過程中鋼骨柱與梁鋼筋搭接節點問題。節點設計時,盡量使型鋼混凝土梁、柱中鋼筋避開型鋼,無法避開時可采用鋼筋穿孔,但盡量避免在型鋼的翼緣穿孔。當必須在柱內型鋼腹板上預留貫穿孔時,型鋼腹板截面損失率宜不大于腹板面積20%。鋼筋穿孔造成鋼截面損失不能滿足承載力要求時,可采取型鋼截面局部加厚的辦法補強。型鋼混凝土框架柱和框架梁的縱向受力鋼筋在框架節點區的錨固和搭接應符合相關規范要求。

4 折線形斜向型鋼柱的施工

義烏世貿中心超高層酒店外框共有16根勁性十字鋼骨柱,鋼骨柱從下到上先外向傾斜,后內向傾斜,我們稱之為折線形斜向型鋼柱。為提高安裝效率,減小鋼骨柱制作誤差,以2層1節的形式對鋼骨柱進行分段,每根鋼骨柱長約8 m,重約7噸,自帶傾角0～3°不等。吊裝施工難度大,是超高層鋼結構安裝作業的典型代表。

折線形斜向型鋼柱的安裝流程為:鋼柱吊裝→纜風繩固定→鋼柱垂直度檢測→鋼梁安裝形成框架→焊前鋼柱坐標精校→焊接施工→超聲波探傷→焊后鋼柱坐標復驗對比→工序移交。

核心筒施工始終領先鋼結構施工5～6層的進度,鋼結構施工嚴格執行“先柱后梁、先主后次、對稱施工、流水作業”的原則,從西北角和東南角同時順時針方向進行施工。折線形斜向型鋼柱比一般鋼柱的精度控制要求更高,鋼柱就位后測量校正措施是否有效決定了整個鋼結構工程質量的高低。鋼柱測量校正順序:調整標高→調整位移→調整垂直度。

調整標高:當鋼柱穩固后,進行垂直度初校并利用墊鐵進行柱標高精校。在鋼柱底用墊鐵校正鋼柱標高。每根柱的底板下設1～4組墊鐵,每組不多于5塊。標高校正完后,每組墊鐵塊間及墊鐵與柱底間點焊固定;調整位移:柱腳的位移調整以基面中線與柱身中線對齊為標準,如有偏差,可用千斤頂往反方向調整,千斤頂的反作用受力點可作用在勁性柱腳插筋的根部(鋼柱的垂直偏差也可以采用控制柱底位移來調整,利用千斤頂調整柱底中心線的就位偏差來調整柱子的垂直精度);調整垂直度:使用全站儀對鋼柱頂部四邊及中心點共計5個點進行數據采樣,對比設計值進行垂直度調整,通過纜風繩或者支撐進行校正。校正時先先校正偏差較大的方向,后校正偏差小的(如兩方向偏差相近,先校正小面,后校正大面)。

5 鋼結構的測量施工

鋼結構測量不同于一般土建測量,精度要求高,專業性強。鋼結構測量屬于過程控制,是鋼結構質量控制的重要保障。對于超高層鋼結構施工,必須將誤差嚴格控制在規范要求的精度內,以保證構件自由就位和結構精度。因超高層酒店土建與鋼結構交叉作業多,為保證雙方溝通方便,鋼結構應同土建建立相同的平面控制網,即鋼結構使用土建建立的三級控制網,但使用前需進行復測校正。

鋼結構測量施工最關鍵步驟是控制網的平面引測和垂直引測。平面引測是將首層的測量控制網通過激光鉛垂儀在相應樓層重新建立,主要通過激光鉛垂儀和激光接受靶進行4個測量控制點的垂直傳遞與接收。激光鉛垂儀對準首層建立的測量控制點,通過每層預留的200×200 mm的孔洞將激光向上傳遞。每個測量控制點激光鉛垂儀將進行0°、90°、180°、270°的旋轉,激光接受靶將產生4個激光點,如圖2所示,取4次激光點的幾何中心即為本次投測的真正點位位置。待4個測量控制點在目標樓層全部建立以后,即可在目標樓層重新建立同首層完全一致的平面控制網。

垂直引測主要是高程的傳遞,考慮到超高層結構施工的特殊性及激光鉛直儀的高精度施工能力,超高層酒店主軸線的垂直引測總共布置六次循環。分別架設激光鉛直儀于首層油漆標示的主軸線控制點上,將主軸線點逐一垂直引測至同一目標高度,使用50 m鋼卷尺垂直向上引測基準標高,引測點以墻面+1.000 m位置作為標高起始基準點。每次引測到目標高度后的四個點均需再次閉合,閉合差≤2 mm,位置為其所在樓層結構面上+1.000 m處。閉合的四個點作為本層上一節鋼柱及其它構件安裝與校正的高程控制點。

6 避難層桁架的施工

超高層建筑對結構抗震性能和風荷載作用下的結構變形要求更高。普通支撐受壓會產生屈曲現象,當支撐受壓屈曲后,剛度和承載力急劇降低。在地震或風的作用下,支撐的內力在受壓和受拉兩種狀態下往復變化。當支撐由壓曲狀態逐漸變至受拉狀態時,支撐的內力以及剛度接近為零。因而普通支撐在反復荷載作用下滯回性能較差。而屈曲約束支撐一方面可以避免普通支撐拉壓承載力差異顯著的缺陷,另一方面具有金屬阻尼器的耗能能力,使得主體結構基本處于彈性范圍內。

義烏世貿中心超高層酒店共采用96根屈曲約束支撐,分布在F22～F23、F35～F36、F47～F48之間。主樓外框柱每層16根,在相應樓層,每兩根外框柱之間設計有2根屈曲約束支撐,如圖3所示,故每層有屈曲約束支撐32根。屈曲約束支撐外觀為正方形,外觀尺寸為400×400 mm,芯板厚度為50 mm,屈服承載力最大為12 850 k N。本工程所用屈曲約束支撐為承載力屈曲約束支撐,故而屈曲約束支撐的安裝不宜滯后于次節結構施工,以便屈曲約束支撐更好地發揮承載力,達到設計性能要求。

義烏世貿中心超高層酒店屈曲約束支撐施工步驟由①～④,其中①為下弦梁,②為鋼柱,③為上弦梁,④為BRB即屈曲約束支撐。因屈曲約束支撐(BRB)空間呈一定傾角且滯后上弦梁安裝,屈曲約束支撐現場通過塔吊進行起吊,通過倒鏈進行BRB角度調整和BRB就位。

屈曲約束支撐芯板厚度達50 mm,超過現場一般構件厚度,按照規范要求需要做焊接工藝評定[3]。因前期焊接工藝評定已經考慮到工程最大板材厚度,焊接工藝評定板材允許適用范圍涵蓋了屈曲約束支撐芯板板厚50 mm,故而此次不需要另做評定。依照設計要求,BRB現場焊接焊縫等級為二級,超聲波探傷比例為20%[4]。

7 下掛水平安全網和外挑防護網

安全施工是建設工程的第一要務。義烏世貿中心超高層酒店鋼結構面臨著大量安全風險較大高空作業、臨邊作業等。隨著建筑高度日益增加,保障施工安全需求越來越迫切。除了安全帽、安全帶、安全鋼絲繩等一般性的安全防護措施外,特別針對義烏世貿中心超高層酒店設計安裝了下掛水平安全網和外挑防護網。

下掛水平安全網主要用于鋼筋桁架板鋪設前的高空墜落防護,采用經過驗收合格的標準3×6 m小眼水平兜網。在一般工程中,安全網是鋪設在鋼梁上翼緣表面,但在樓層壓型鋼板鋪設、鋼梁焊接、高強螺栓終擰時,安全網必須移除,為后續專業施工提供工作界面,此時,施工人員的安全問題就無法得到有效保障。義烏世貿中心超高層酒店鋼結構工程采用下掛式水平安全網,不僅可以有效進行高空墜落防護,還不影響樓層壓型鋼板鋪設、鋼梁焊接、高強螺栓終擰,對現場安全施工起到了極大的保障作用。

外挑防護網主要針對超高層酒店鋼結構臨邊施工作業。外挑防護網主要由腳手管、小眼水平兜網、鋼絲網和鋼絲繩組成。外挑防護網在地面拼接完畢,通過塔吊進行轉運安裝,并在本層結構完成后向上轉移。外挑防護網的規格為6×6 m,中間通過腳手管呈“田”字加強布置。小眼水平兜網滿鋪于腳手管形成的框架上,邊部與腳手管通過鋼筋進行牢固綁扎。小眼水平兜網上部再鋪設一層密目鋼絲網,以增加整體承載力和安全性。

8 結 論

a.造型是超高層建筑的靈魂,結構體系是超高層建筑的關鍵,對關鍵部位、關鍵工序的把控是保證超高層建筑結構質量的核心。本工程加強對折線形SRC柱施工、超高層測量以及屈曲約束支撐安裝的管理,為結構設計的多樣化提供了詳盡的工程實例。

b.避難層桁架的安裝精度和焊接質量,可通過選用恰當的測量、校正和焊接方案來實現,避免焊縫收縮產生的不利影響。同時,加強現場施工和深化設計的溝通交流,通過現場反饋機制,將前期深化設計的盲點、誤差進行改進,對后期的施工有重大幫助。

c.安全第一,預防為主,綜合治理。超高層建筑施工要時刻把安全作為首要考慮因素,結合工程結構特點,有針對性地就安全突出問題提出合理有效的解決方案。

[1] GB 50011—2001,建筑抗震設計規范[S].

[2] JGJ 297—2013,建筑消能減震技術規程[S].

[3] GB 50661—2011,鋼結構焊接規范[S].

[4] GB 50205—2001,鋼結構工程施工質量驗收規范[S].

Steel Construction's Installation Technology of Super High-rise Building

ZHENG Yang,YAN Dong
(China Construction Steels Structure Corp Ltd,Shenzhen 518000,China)

This paper introduced the structural feature and the design concept of super high-rise hotel.The design and construction of BRB in refuge floor,the construction quality and accuracy control of broken-line SRC and civilized and safe construction of super high-rise hotel were introduced.

design concept; BRB; SRC; high-rise building measurement;safe construction

2014-08-25.

鄭 洋(1987-),肋理工程師.E-mail:zheng8yang@126.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.024