大跨度穹頂及中筒花籃鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

李彬彬，張彬，王為

（中建八局第一建設(shè)有限公司，濟(jì)南250000）

1 工程概況

寧波太平鳥男裝辦公樓項目總建筑面積摘要m2，總占地面積摘要m2，建筑總高度25.28m，由地下3 層勁性柱框架結(jié)構(gòu)和地上5 層鋼框架剪力墻時尚創(chuàng)意中心組成的綜合性辦公樓。

2 鋼結(jié)構(gòu)工程概況

鋼結(jié)構(gòu)工程主要包含地下室勁性框架結(jié)構(gòu)，地上全鋼結(jié)構(gòu)，中筒花籃鋼結(jié)構(gòu)，大跨度穹頂鋼結(jié)構(gòu)及屋面光伏鋼結(jié)構(gòu)5部分組成，總用鋼量約摘要t（其中含結(jié)構(gòu)鑄鋼件約摘要t）。

工程上部鋼結(jié)構(gòu)為多筒體框架結(jié)構(gòu)，共設(shè)置了A、B、C、D、E、F 6 個勁性核心筒，通過樓層鋼梁將地上部分的鋼結(jié)構(gòu)與核心筒進(jìn)行連接，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系。因建筑造型需要地上5 層每一層鋼結(jié)構(gòu)定位軸心均不一致，鋼管柱圍繞核心筒呈螺旋盤繞狀態(tài)，螺旋角度從0°～15°不等。另外，工程中還大量采用了鑄鋼件、弧形鋼梁、變截面箱梁、椎管等特殊材料。設(shè)計造型精致，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，如圖1 所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)樓層平面概況圖

3 鋼結(jié)構(gòu)施工重難點

1）大跨度中心穹頂鋼結(jié)構(gòu)的吊裝及施工仿真技術(shù)應(yīng)用；

2）大型鑄鋼件節(jié)點設(shè)計及焊接技術(shù)；

3）折線形斜管柱加工及現(xiàn)場安裝定位[1]。

4 重難點的解決措施

4.1 大跨度中心穹頂鋼結(jié)構(gòu)的吊裝及施工仿真技術(shù)應(yīng)用

本工程中庭首層位置為一大跨度穹頂鋼結(jié)構(gòu)，穹頂結(jié)構(gòu)跨度48m，矢高5.1m。穹頂徑向由24 根變截面箱型鋼梁向圓心均勻分布，環(huán)向由4 道箱型梁沿環(huán)向均勻分布，組成一個封閉的圓環(huán)結(jié)構(gòu)。箱型鋼梁一端截面為□900mm×300mm×30mm×30mm，另一端截面為□500mm×300mm×30mm×30mm，中間段采用變截面圓滑處理，總用鋼量約600t。24 根徑向梁交匯于穹頂中心，為解決中心處多構(gòu)件交匯，中心處采用鑄鋼件（約10t）。

為了解決這一難題，結(jié)合施工方案對穹頂結(jié)構(gòu)的施工全過程進(jìn)行了虛擬仿真模擬，考慮到可能存在的工況條件，分析相應(yīng)工況應(yīng)力、變形及其動力特性，及時發(fā)現(xiàn)了施工中存在的問題，從而為現(xiàn)場施工安全及工程質(zhì)量提供了可靠的基礎(chǔ)[2]。現(xiàn)場通過對地下室頂板逐層進(jìn)行加固，利用土建棧橋，將汽車吊開到穹頂區(qū)域進(jìn)行吊裝,鑄鋼件與徑向箱型梁共分為3 段吊裝，吊裝前先行施工3 圈直徑為609mm 的鋼管支撐，分為外圈（24 個）、中圈（24 個）、內(nèi)圈（鑄鋼件區(qū)域：13 個），臨時支撐施工完成后，吊裝外圈環(huán)向箱型梁與中心鑄鋼件，依次安裝24根徑向梁，環(huán)向梁安裝完成后，穹頂閉合。如圖2 所示。

圖2 地下室汽車吊行走平面位置圖

4.2 大型鑄鋼件節(jié)點設(shè)計及焊接技術(shù)

本工程在中筒花籃鋼結(jié)構(gòu)的水平環(huán)梁與豎向斜管交匯處、南入口門廳處及穹頂中心大量使用了鑄鋼節(jié)點，這些節(jié)點位置桿件截面多樣，空間位置錯綜復(fù)雜，采用常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點無法解決加工和焊接工藝問題，故原設(shè)計單位在綜合分析后采用了鑄鋼節(jié)點代替了常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點。

在和原設(shè)計單位確認(rèn)鑄鋼節(jié)點位置后，結(jié)合設(shè)計初步意見逐一建立鑄鋼節(jié)點模型，根據(jù)鑄鋼件鑄造工藝和受力性能要求，反復(fù)優(yōu)化鑄鋼件的構(gòu)造形式、控制鑄鋼件壁厚及外形尺寸，從而達(dá)到控制鑄鋼節(jié)點重量的目的；同時采用有限元軟件Ansys 對典型鑄鋼節(jié)點進(jìn)行承載力分析，最終保證鑄鋼節(jié)點設(shè)計的合理性、經(jīng)濟(jì)性[3]。

工程中最大鑄鋼件的外包尺寸達(dá)到摘要mm（長）×摘要mm（寬）×摘要mm（高），重達(dá)200kN（20t）。最大鑄鋼件壁厚達(dá)到100mm，與之連接的鋼管柱壁厚達(dá)50mm。根據(jù)設(shè)計要求“鋼管柱與鑄鋼節(jié)點的焊縫需滿足一級焊縫要求”，如何保證大壁厚鑄鋼件與鋼板的現(xiàn)場焊縫質(zhì)量給現(xiàn)場施工帶來了一定挑戰(zhàn)。如圖3、圖4 所示。

圖3 鑄鋼件四連體（用于穹頂與中筒連接處）

圖4 南入口大型鑄鋼件

針對大壁厚鑄鋼件與超厚鋼板的焊縫連接，為保證焊接質(zhì)量，公司聘請焊接高級技師現(xiàn)場指點，通過焊接工藝評定，焊工考核，專人施焊等措施，有效解決了厚板及鑄鋼件焊接質(zhì)量問題。

4.3 折線形斜管柱加工及現(xiàn)場安裝定位

本工程地上鋼結(jié)構(gòu)共五層，中庭花籃位置為螺旋上升的傾斜結(jié)構(gòu)，分為外圈和內(nèi)圈。外圈由24 根傾斜鋼管柱和6 道逆向管支撐組成，內(nèi)圈由24 根傾斜鋼管柱組成，每層結(jié)構(gòu)平面呈圓形網(wǎng)狀形式，因建筑造型需要，地上每一層鋼結(jié)構(gòu)定位軸心均不一致，整個建筑呈傾斜螺旋上升狀態(tài)。鋼管柱圍繞核心筒呈螺旋盤繞狀態(tài)，螺旋角度從0°～15°不等。另外鋼管柱均為空間傾斜狀態(tài)，且同一柱位的鋼管柱每層的傾斜角度也不一樣，導(dǎo)致同一柱位的鋼管柱從正負(fù)零到屋面呈空間折線形狀態(tài)，給工廠加工和現(xiàn)場安裝定位帶來了極大難度。

工廠加工采用全坐標(biāo)控制法，將鋼管柱通過十字正交關(guān)系在柱身上畫出四條棱線做為主控制線，以柱底平面為基準(zhǔn)平面，將四條棱線交柱底平面的四個點中的任一點定義為基準(zhǔn)平面原點，設(shè)為O 點，O 點對面的交點為基準(zhǔn)平面X向，深化設(shè)計時根據(jù)相對坐標(biāo)關(guān)系對柱底、柱頭及牛腿的根部和端頭各關(guān)鍵點給出相對坐標(biāo)，形成構(gòu)件的相對坐標(biāo)控制表，構(gòu)件出廠前由質(zhì)檢部門對每根構(gòu)件的各個控制點位進(jìn)行復(fù)測，確保構(gòu)件加工精度符合規(guī)范要求。

現(xiàn)場傾斜鋼柱的安裝主要分為安裝前準(zhǔn)備，臨時支撐設(shè)置、鋼柱定位、鋼柱固定及攬風(fēng)拉設(shè)等幾個步驟。安裝前準(zhǔn)備工作主要是鋼爬梯固定和柱頂操作平臺安裝，臨時支撐采用325 鋼管，支撐鋼管頂部標(biāo)高在斜柱安裝前先調(diào)整好，斜柱安裝時柱身水平牛腿擱置在支撐鋼管上，保證鋼枉的斜率。采用全站儀進(jìn)行測量定位，定位出柱腳中點位置控制鋼柱下點坐標(biāo)，定位鋼柱柱頭中心點坐標(biāo)控制柱子上點坐標(biāo)，定位鋼牛腿端部中心點坐標(biāo)控制鋼牛腿端部坐標(biāo)，從而控制整個折線形斜管柱的空間定位精準(zhǔn)。

5 結(jié)語

本工程造型復(fù)雜別致，異形結(jié)構(gòu)多，鋼結(jié)構(gòu)施工難度大。在鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，對鋼構(gòu)件加工、組裝、焊接進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，制定質(zhì)量保證方案，并通過三維掃描儀應(yīng)用，BIM 深化設(shè)計及QC 活動開展，多措施、全方位進(jìn)行監(jiān)督檢查，在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，有效地提高了現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。