超高層建筑鋼結構施工關鍵技術研究

杜建江 潘寧濤 何央素 沈 燕

1. 寧波高專建設監理有限公司 寧波 315100；2. 杭州恒鼎園林建設集團有限公司 杭州 310052；3. 保億置業集團有限公司 杭州 310052；4. 浙江省二建建設集團有限公司 寧波 315000

1 工程概況

寧波財富中心是寧波三江口建筑群中單體規模最大、建筑高度最高的地標性建筑，地處甬江東岸，南鄰驚駕路，東銜江東北路，西接濱江大道，與寧波書城比鄰，與老外灘、美術館隔水相望。

項目總用地面積約2.5萬 m2，總建筑面積138 632 m2，地下2 層，地上38 層，建筑高度188 m。外立面設計新穎表現在外立面為曲面、塔樓頂部為“花瓣”造型，整個建筑外形宛如“含苞待放的郁金香”（圖1），是寧波市高層建筑中施工難度較大，單體體量最大的鋼結構項目，具有“高、重、曲”的特點，其施工難度大，技術復雜。

本工程為超高層鋼-混凝土結構，塔樓采用混合框架-鋼筋混凝土核心筒結構。核心筒采用暗埋鋼柱、鋼梁的鋼筋混凝土結構，自地下室底板起，至28層的核心筒剪力墻內暗埋鋼柱和鋼梁。

外圍框架由鋼管混凝土柱、H型鋼梁以及鋼筋桁架樓承板組成。鋼管柱自地下室底板起，至37層結束。地下室鋼管柱呈垂直狀態，出地面后先向外傾斜，至12層后逐漸向內傾斜，自下而上，斜率多變。內灌混凝土鋼管柱底部最大直徑達1.1 m，隨結構高度的增加，縮減至600 mm。在27層至28層，設有1 道桁架層，由4 組連系核心筒角部與外圍鋼柱的徑向桁架以及外圍的環形桁架組成。頂部“花瓣”造型鋼結構起始于173.87 m，頂標高為187.7 m，由箱形柱、環梁及放射狀支撐等組成。

圖1 鋼結構三維實體模型

2 工程關鍵技術和措施[1,2]

2.1 施工部署

由于高層主體施工過程中鋼柱的吊裝與混凝土核心筒施工是本工程垂直施工的2 條主線，存在多工種、多工序穿插配合、交替作業等情況，為保障各工種之間銜接配合、有序施工， 合理統籌主體鋼結構的施工與混凝土核心筒結構的施工是關鍵所在，也是保證項目工期、施工質量的關鍵所在。

核心筒內勁性鋼柱起始于底板至28層結束，有焊接H型截面和位于角部的焊接異型十字截面2 種形式。勁性鋼柱之間設置1 100 mm×200 mm×18 mm×25 mm勁性H型鋼梁連接。

2.1.1 深化設計階段

針對鋼骨混合結構設計，混凝土結構鋼筋與鋼構件之間的矛盾，需要在鋼結構深化設計階段協調解決，是確保順利施工的基礎。

2.1.2 施工階段

由于鋼結構與混凝土結構之間存在大量的交叉施工，核心筒內勁性鋼柱鋼梁、外圍鋼管柱內灌混凝土和鋼結構安裝搭接穿插，相互間亦有影響，桁架層施工更是復雜。處理好鋼結構與混凝土結構施工的合理搭接，亦是本有序施工進行的關鍵。

2.1.3 施工段劃分與施工工藝

主體施工在垂直方向上分為3 個階段：地下室施工階段，地上標準層施工階段，屋頂層以上施工階段。

1）結構整體工藝流程：筒體內墻板鋼勁性柱就位→勁性柱初始校正→鋼梁骨架安裝→鋼骨架整體校正→焊接→焊縫檢測→核心筒鋼筋綁扎→模板工程→核心筒混凝土澆筑、養護→核心筒上節鋼骨的安裝。

核心筒結構高于鋼結構框架6 層→鋼結構框架安裝、調整、校正、焊接與驗收→樓層板安裝→鋼柱灌心混凝土→樓層混凝土施工。

2）核心筒工藝流程。核心筒鋼骨施工應領先于核心筒土建結構施工1 節（3 層），核心筒土建結構需要高出鋼結構框架6 層，同時考慮塔吊的自由端懸臂高度的限制。核心筒施工采用鋼框竹膠合板大模板、整體電動爬架施工工藝，泵送混凝土，噴淋法養護。

3）核心筒內勁性柱與鋼梁骨架吊裝與加固。首節鋼柱柱腳錨固于基礎底板結構上，塔吊采用一點法吊裝勁性柱。先吊裝4 個拐角處的8 個勁性柱，然后再依次吊裝就位中間部位的勁性柱；臨時固定勁性柱后對勁性柱初步校正。為了保證核心筒內勁性柱骨架的穩定和安裝精度采取加固措施，即在勁性柱和鋼梁鋼骨整體校正后，通過中間帶有調節螺栓的鋼管來連接整體、增加整體剛度、形成穩定結構。

2.1.4 外筒鋼柱與核心筒施工的銜接協調

1）地下室施工階段。在基礎底板結構施工完成后，先安裝核心筒內鋼柱鋼梁，之后進行筒體混凝土的結構施工、鋼構安裝等流水作業；其次待核心筒施工至地上1層時開始外圍第1段鋼柱安裝，安裝好后用纜風繩臨時固定，待土建施工地下室頂板后，再開始外圍第2段鋼柱的安裝。

2）地上標準層施工階段。核心筒施工高于鋼管柱吊裝作業面6 層后，開始安裝地上標準層鋼柱、鋼梁。為了保證結構單元的幾何穩定，每節鋼柱吊裝時要用臨時連接系統連接于核心筒。首層鋼柱高度10.4 m，用纜風繩臨時固定，并采用鋼管與核心筒臨時固定，吊裝相鄰鋼管柱時，與第1根鋼管柱相連接，形成穩定體系。

2.2 鋼結構吊裝

選用TC7035B-16內爬塔吊作為起重設備，當塔吊自由懸臂獨立工況不能滿足吊裝高度需要時，采用隨結構升高而自升內爬工況，直至塔樓結構封頂。按塔吊起重能力和樓層鋼梁布置狀況劃分吊裝單元。

2.2.1 鋼柱吊裝

鋼柱（勁性鋼柱及外圍框架柱）基本以2 層或3 層為1 節來劃分吊裝單元。

1層鋼柱以1層高度（10.4 m）為1 個吊裝單元；在2～8層鋼柱吊裝時，以每2 層（高9 m）為1 個吊裝單元；8層至屋頂層，以每3 層（高13.5 m）為1 個吊裝單元。

外圍鋼管柱最長分段為13.5 m，最重分段質量為10.53 t，鋼梁最大截面質量約0.2 t/m，最長16 m，質量3.6 t。

地上部分鋼管柱呈傾斜姿態，為確保施工階段穩定，以4 個角部為起始吊裝，及時安裝連系鋼梁，增設輔助支撐，形成穩定體系。然后對稱安裝其余鋼框架。

傾斜鋼柱采用全站儀坐標法定位，依據施工模擬分析及工程經驗確定預調值。斜柱通過柱頂精確定位，柱底接縫處調整變形，利用千斤頂逐節調整，防止變形累積。鋼柱安裝后在頂部鋼管口設置封蓋，以有效阻止垃圾、雨水等進入鋼管內部，影響后續混凝土灌注施工。

2.2.2 塔樓頂部的“花瓣”造型鋼結構吊裝

采用高空散裝法安裝。搭設滿堂腳手輔助安裝，以解決構件的穩定性、臨時支承及操作腳手架搭設難題。吊裝機械利用TC7035B-16內配塔吊，吊裝順序遵循自下而上、逐段逐層吊裝的原則，相鄰豎向構件吊裝完后及時補缺其間的連系桿件，以便形成穩定結構。

2.2.3 鋼桁架吊裝

塔樓27～28層為桁架層，桁架高1 層樓，由4 組連系核心筒角部與外圍鋼柱的徑向桁架以及外圍的環形桁架組成。桁架層分兩階段安裝，核心筒內部分與勁性鋼柱同步安裝，核心筒外部分與外框架一起施工，先安裝4 個角部的徑向和環向桁架，以形成穩定結構。整榀吊裝的桁架最大質量約8.4 t。

2.3 鋼結構安裝預調值計算分析及施工控制

考慮海邊大風、臺風、暴雨、雷電、結構溫差等構成的不利氣候環境條件，除了選擇合理的焊接手段、工藝參數外，合理的焊接順序對結構變形的控制亦不容忽視。不同材質的內外筒，因變形性能的微小差別引起的變形差及由于結構形式（環閉狀）特殊，焊接收縮引起的結構變形也不可忽視。

在結構自重荷載、溫度荷載、風荷載作用下的結構變形和安全問題、在施工荷載（如起重機械、混凝土施工等）作用下結構整體或局部可靠度問題，均必須進行各施工過程的結構驗算和分析，之后才可用以指導和控制施工。

根據多種載荷條件及不同施工工況，采用有限元分析軟件進行施工階段結構計算，并結合工程經驗，確定施工預調值，通過施工控制指導鋼結構安裝。

2.3.1 鋼構件的施工預調值

建筑結構的施工是一個建筑物逐漸成型的時變過程，包括建筑物幾何形狀、參數和荷載條件等均在變化，結構在各種荷載的動態變化下變形非常復雜，成型結構經歷了一個逐漸增長、依次加載和分步變形的復雜力學成型過程。

對于一般的鋼結構建筑，基于結構的設計位形進行構件加工和安裝， 施工成型結構的位形將達不到結構的設計位形，對于結構形式簡單的結構這種偏差非常小，然而對于復雜的鋼結構這種偏差將非常大，甚至使結構無法按照預定的施工方案成型，或成型結構不滿足設計允許誤差的要求。

鋼結構構件施工預調值計算的綜合迭代算法具有較好收斂性和穩定性，通過采用大型分析軟件ANSYS的單元“生死”技術和坐標更新功能，可以準確地實現該算法。

正裝迭代法確定結構各安裝位形的基本思路為：按照結構實際施工方案和順序來進行結構變形和受力分析，得到結構施工成型的位形，把該位形反號疊加到結構的設計位形上，即得出結構的施工階段初始位形。

主樓施工預調值計算綜合迭代法方法：根據設計狀態通過迭代得到施工的初始位形，獲得初始狀態的同時就得到了結構施工的各分步位形以及構件的加工預調值和安裝預調值。

2.3.2 結構構件施工預調值計算的條件

為簡化計算對實際施工步驟進行調整：2層作為1 個施工步；樓面梁和外框筒同時施工；樓面混凝土和壓形鋼板同時施工；機電和裝飾等同時施工。

整個結構分38 步進行，在施工模擬計算過程中，荷載的取值根據施工階段實際的荷載確定。荷載工況如下：

1）鋼框架分項工程按自重取值；

2）樓板混凝土分項工程完成時樓面荷載：樓板自重+施工活荷載；

3）幕墻分項工程；

4）裝飾及機電工程施工完成時樓面荷載：樓板自重+附加恒載+施工活荷載；

5）塔吊荷載按塔吊說明書提供的荷載考慮。各樓層施工成型總恒載按照荷載值等效成樓面荷載。

2.3.3 安裝預調值分析

對本工程塔樓進行有限元建模，依據施工過程進行施工階段結構分析，得出理論的鋼構件（主要是鋼柱）預調值，實際施工采用的預調值應在計算分析結果的基礎上，結合工程經驗取值。如此，有針對性地對各構件采取安裝施工預調，從而滿足設計允許誤差的要求。

3 鋼結構施工控制技術[3-5]

3.1 閉環控制方法

鋼結構工程施工采用閉環控制方法進行結構施工控制，包括分析預測（計劃）、實施、監測、反饋和調整。

3.2 施工監測

施工監測主要有結構變形監測、應力監測。在實施監測前，根據國家規范的要求以及結構分析預測結果來確定監測閾值。

3.2.1 施工過程結構變形監測

結構變形監測包括結構形體監測和結構標高監測。結構形體監測是觀測已施工結構的中心相對于預定軸線位置的偏位，使用全站儀結合測距棱鏡進行測量；結構標高監測是觀測樓層結構是否達到設計標高。

3.2.2 施工過程應力監測

鋼結構施工過程是一個從下部逐級而上到逐步成型、從不完整到完整的過程，施工過程中伴有結構形態的變化，不同施工階段有不同的結構形態和不同的受力特性，且每個施工階段的內、外部荷載條件也不盡相同。

故根據結構受力特點以及施工方案建立專門的施工應力監測系統，在核心受力構件及受力情況復雜的部位設置應力監測點，在結構關鍵位置布置變形監測點，在結構施工過程中實時監測其應力、位移參數的變化情況，以此來判斷設計計算的準確性與施工過程的安全性，從而掌握施工過程關鍵構件關鍵截面的應變（應力）的變化歷程，分析實測應變數據，與施工階段計算的理論數據進行分析、比較，保證施工安全和工程質量。

4 結語

通過對寧波財富中心鋼結構施工關鍵技術的研究和實踐，實現了預期的目標、掌握了超高層鋼結構工程的施工技術，對今后同類工程的施工提供了寶貴的經驗。