大型鋼結構人字形框架柱施工技術的研究與應用

浙江省建工集團有限責任公司 杭州 310012

1 工程概況

杭政儲出[2007]55#地塊辦公、商業金融用房鋼結構工程坐落于杭州市錢江新城，地上20 層，地下3 層。地上部分為外筒內框巨型支撐鋼結構體系，地下部分為鋼結構框架，局部鋼筋混凝土結構（圖1）。上部結構按建筑平面劃分為后廳、中廳及前廳。

圖1 鋼結構軸測示意

上部結構7 層以下采用斜向柱及大型人字形框架柱組成前廳，跨度72 m，跨中高度30 m，框架柱截面尺寸□1 200 mm×1 600 mm×80 mm，頂部采用鑄鋼件節點連接（鑄鋼件 ZG-12 26.74 t）。人字形框架結構跨度大、質量大，無法進行整體吊裝，因此需要搭設臨時支撐體系進行穩定（圖2）。

圖2 人字形框架柱安裝軸測示意

2 施工重點難點分析

（a）由于人字形框架柱為結構內傾斜鋼柱，傾斜角度大，結構自重大，因此吊裝過程中維持結構穩定性困難，需要采用外部臨時支撐體系加以穩定。

（b）人字形框架柱同時結合了梁與柱的受力形式，因此吊裝施工過程中整個結構體系的變形處于一個動態變化的過程，需要不斷進行變形觀測及計算以確保吊裝施工的精確及安全。

（c）人字形框架柱結構跨度大，自重較重，無法進行整體吊裝，只能進行分段吊裝，因此吊裝設備的選型及分段吊裝時的焊接質量要求較高。

3 臨時支撐體系的計算及設計

3.1 有限元模擬分析施工工況

采用MIDAS/Gen V 795對人字形框架柱在施工過程中的剛度和荷載進行三維有限元模擬[1-5]。由于構件自重產生的內力占比例較大，鋼結構安裝方法和順序對結構構件在重力荷載下的內力將產生明顯影響，因此荷載取為結構構件自重。

在模擬過程中，根據鋼結構吊裝情況將施工過程劃分為6 個主要工況階段，即：1～3 層人字形斜向柱吊裝、4～5 層人字形斜向柱吊裝、5 層柱間鋼梁吊裝、5～7 層結構鋼梁吊裝、6～7 層人字形斜向柱吊裝及7 層人字形斜向柱鑄鋼件吊裝，隨著工程進展，對有限元模型單元逐層激活并對此階段下的結構在重力荷載下的受力進行分析，計算此工況下臨時支撐的變形及桿件應力。

3.2 臨時支撐體系的設計與加工

根據模擬計算，臨時支撐體系采用獨立鋼管柱及格構柱，截面尺寸為P450 mm×20 mm，P400 mm×14 mm，P325 mm×10 mm，P180 mm×10 mm，P351 mm×16 mm，P219 mm×10 mm，P600 mm×16 mm，P140 mm×5 mm，支撐鋼方框截面為H400 mm×400 mm×13 mm×21 mm，搭設在首層箱型鋼梁上，通過千斤頂固定于框架柱定位牛腿上，并采用橫向連接桿組成穩定單元，隨人字形框架柱吊裝同步搭設（圖3）。

圖3 臨時支撐體系軸測示意

4 人字形框架柱吊裝施工

通過對施工現場的整體部署及人字形框架柱的分段優化，選擇2 臺ZSJ100動臂式塔吊（最大起吊質量64 t）進行吊裝，充分考慮鋼梁的結構受力特點，將每側框架柱鋼梁分為5 段，連接處采用連接耳板及卡碼進行臨時固定，同時在定位牛腿處搭設操作平臺進行焊接作業。

同時根據模擬計算的結構受力變形結果，將吊裝施工按照框架柱分段劃分為6 個步驟[6]，先進行臨時支撐體系的搭設，支撐體系基礎設置于結構首層的箱型鋼梁上；每個步驟首先進行各層后廳、中廳鋼結構施工，然后吊裝相應樓層的人字形框架柱，框架柱安裝于支撐體系上，并于相鄰結構進行臨時連接。重復上述步驟直至人字形框架柱頂部鑄鋼件吊裝完成，各構件進行焊接固定，形成穩定單元后，臨時支撐拆除。

4.1 吊裝準備工作

大型構件起吊前，按有關要求進行檢查，確認無誤后應試吊[7]；試吊時，必須檢查整個吊裝系統的設備和被吊物是否全部符合起吊要求，起吊時必須由起重指揮統一指揮，配合人員聽從信號，服從指揮。被吊物不可長時間懸吊、停滯等[8]。

4.2 主要吊裝流程

第1步：完成上部結構1～3層后廳、中廳庭柱、鋼梁吊裝，搭設首層臨時支撐后開始吊裝第1 段框架斜柱。

臨時支撐體系采用現場拼接、分段吊裝。支撐體系底座采用H400 mm×400 mm×13 mm型鋼制作，安裝于首層箱型鋼梁上。吊裝首層立柱安放于底座上，進行豎直校準，先吊裝主立柱，后吊裝次立柱，接著吊裝連系橫桿組成穩定的結構體系，最后在立柱頂端搭設操作平臺。

第2步：吊裝第2段框架斜柱。吊裝框架斜柱間連接鋼梁。

第3步：完成4～5層后廳、中廳鋼梁及斜柱吊裝，搭設第2層臨時支撐后，吊裝第3 段框架斜柱。

第4步：吊裝4～5層中前廳間連系鋼梁后吊裝第4段框架斜柱。

第5步：完成6～7層后廳、中廳鋼柱、梁吊裝后，吊裝第4段框架斜柱。

第6步：完成6～7層柱間連系鋼梁吊裝后，吊裝鑄鋼件ZG-12，形成穩定結構。

5 結語

由于人字形框架柱吊裝前采用三維有限元技術對結構進行受力分析，在充分利用數據的基礎上，進而模擬施工工況，計算出安全可靠的臨時支撐體系，對施工過程所發現的問題進行預判預斷，確保了施工過程安全高效地進行，為類似項目的施工積累了寶貴的經驗。