巨型多腔體多邊形鋼管柱現場定位及安裝施工

孫燾 倪衡 鮑宏春

昆明建設咨詢管理有限公司 云南 昆明 650031

引言

昆明春之眼商業中心主塔樓工程每層分布6根角部多腔體多邊形超大巨型鋼管柱（圖1），截面形式為五邊形，最大截面尺寸4811mm×2722mm×2880mm×4489mm×707mm×100mm（圖2），主要材質為Q345C，Q390GJCo首節多腔體多邊形巨型鋼管柱的連接形式為栓接，由91根高強錨桿與柱底板連接。綜合考慮交通運輸等因素，對巨柱分段設計，每段分9個腔3片拼裝而成（圖3），單片構件重達34t。最大單層巨柱焊縫長度為215m，所需焊絲重量為7.3t。

圖1 根角部多腔體多邊形超大巨型鋼管柱

圖2 巨柱截面尺寸

圖3 超大巨型鋼管柱截面示意

1 重難點分析

多腔體多邊形巨柱現場定位施工控制網是整個測量工作得以開展的基礎。其合理與否直接關系到施工定位的成敗。如何按設計要求將構件定位至設計位置，安裝軸線定位與標高控制是測量作業的重點和難點；如何消除構件吊裝過程中因自重產生的變形，因溫差造成的縮脹變形，因焊接產生的收縮變形等造成的誤差累積，使構件的空間位置符合設計要求，也是需重點考慮的問題；巨柱安裝量大，精度要求高。錨栓群密集復雜，一次穿孔率精度要求高。構件出廠前先預拼裝（圖4），焊接順序按先里后外、先主后次原則，即先焊接巨柱內筋板橫焊縫，后焊縫巨柱內部筋板立焊縫，再焊接翼板對接橫焊，最后焊接翼板拼裝立焊縫。實施前采用有限元計算分析（圖5）焊接前變形采取預控措施；在焊接過程中使用3D掃描技術，對過程動態變形量進行監控[1]。

圖4

圖5

2 施工工藝

根據現場的實際操作，總結出了巨柱焊接的施工工藝，就是一句話：“預埋準、柱分段、強預控、重驗收”。現場的施工和管理也是圍繞此句話進行，最終使得巨柱的安裝成功落地。

2.1 “預埋準”

針對預埋件的定位測量控制，是巨柱成功焊接和安裝的基礎，只有定位準了，才能有效控制超高層建筑結構的定位偏差。

2.1.1 根據基準點位置用全站儀在鋼柱處混凝土的相應位置確定各鋼柱、型鋼柱定位軸線的準確位置，并在每個混凝土面上做出標記。

2.1.2 將高強錨桿定位鋼支架上的定位軸線與混凝土面上的定位軸線對正，使高強錨桿精確定位。在混凝土澆筑前，將柱定位鋼板的基準線反測到基坑周圍的固定位置并做紅色標記作為長期的測量點，以備 混凝土澆筑完畢后復核高強錨桿的位置。

2.1.3 高強錨桿固定后，為避免混凝土澆搗時發生偏移，須設置實時監控點進行實時監控，若發現錨 桿偏位，應改變澆搗方向或用倒鏈拉拽進行補救。

2.1.4 筏板澆筑完成后，依據控制點再次測放柱腳螺栓的軸線和標高，調整巨柱柱腳螺栓孔位置。確定柱腳螺栓位置后，將其坐標反映到圖紙上，工廠根據現場實際坐標位置在巨柱柱底板上開孔。按地腳錨栓的偏差數值，反向要求巨柱柱底板開孔的允許偏差，以提高安裝速率，減少安裝誤差。

地腳錨栓預埋允許偏差見表1

表1 地腳錨栓預埋允許偏差

2.2 “柱分段”

巨柱分段主要考慮，主塔樓巨柱內部結構復雜，重量較重，為滿足運輸、吊裝和焊接要求，并滿足GB 50755-2017《鋼結構工程施工規范》第11.2.4條強制性標準，吊裝作業必須在起重設備的額定起重量范圍內，故對巨柱進行分段和分片，使其截面尺寸和重量符合要求。

2.2.1 首節巨柱吊裝。首節巨柱采用四點吊裝，為使巨柱精準就位，利用Tekla找出巨柱重心點并做標記（圖6），在巨柱重心上方綁扎1根固定繩和3根調節繩，使用倒鏈調平巨柱后起吊。

圖6 巨柱重心點位置示意

2.2.2 首節巨柱安裝。巨柱測量控制點在外壁對角點上（圖7），用油漆做記號并根據圖紙算出柱控制點的三維平面坐標。柱吊裝到位后使用全站儀根據三維平面坐標核正鋼柱。將小棱鏡置于控制點上逐一測設，直至柱的設計坐標與儀器所測坐標吻合。

圖7 巨柱主要測量控制點

待筏板混凝土強度符合要求后，根據實際情況分片安裝巨型鋼管柱。將安裝部位混凝土表面鑿毛，以利于灌漿料結合，在高強錨桿上安裝定位螺母，用于控制標高及垂直度。

由重到輕分片依次安裝，整體考慮到操作方便，有效控制以及吊運合理，采取的方式為：“由內而外，自下而上”。具體步驟如圖8所示。

圖8 首節巨柱安裝步驟

2.2.3 首節巨柱焊接。巨柱焊接由于巨柱內部結構復雜，鋼板最厚達 100mm，焊接量大，焊縫長度長，易發生應力集中，收縮拉裂等情況。根據分段、安裝順序和施焊難度，盡量減少焊接殘余應力對巨柱的變形影響，制訂焊接順序，故現場具體的實施過程中采取了“先加熱、再焊接、由內而外、先主后次、先橫后豎，內隔板對稱焊”訣竅來指導實施，最終焊接質量得到了有效保證，通過了全國專家的評估，順利完成了驗收。

2.2.3.1 “先加熱、再焊接”。巨柱拼裝完成，焊接前用電或火焰加熱進行預熱，以減少焊接殘余應力對巨柱的變形影響。

2.2.3.2 “由內而外、先主后次”。經設計單位核實，本工程橫焊縫為主要焊縫，故整體遵循由內向外、先焊主焊縫后焊次焊縫的原則，即先焊內隔板與內壁板，后焊外壁板。

2.2.3.3 “先橫后豎”。外壁板焊接引弧與收弧處應避開對接口，在同時存在橫、立 縫的情況下先焊接橫焊縫。

2.2.3.4 “內隔板對稱焊”。內隔板橫焊由中間向兩側對稱焊接，以減少焊接變形收縮量。立縫采用自下向上，多層多道焊的焊接方法。

2.2.3.5 首段巨柱底板焊接順序如下（如圖9所示）：圖9中①為焊接巨柱內部立焊縫（從底板往上焊接）；②為焊接巨柱內部中間底板焊縫；③為焊接巨柱外壁立焊縫；④為焊接底板外側的橫焊縫。同一焊接步驟均為對稱施焊[2]。

圖9 焊接順序

2.3 核心焊接工藝

超高層結構的核心焊接工藝就在于厚板焊接，巨型鋼管柱鋼板厚，焊接接頭形式復雜，現場焊接難度大，厚鋼板一旦發生變形，矯正變形也較困難， 因此，對厚板焊接制訂了工藝，“先約束、再控溫、多層多道焊、熱處理消氫”。

2.3.1 “先約束”，焊接時增加約束板。焊前進行預熱，加熱片設在焊縫兩側或采用火焰加熱，預熱溫度80～120°。

2.3.2 “再控溫”，焊接層間溫度控制在120～250°。每焊完一道即對焊縫進行層間清理打磨錘擊，以減少焊接應力。用紅外線測溫儀測量焊接溫度，嚴格控制層間溫度（紅外線測溫點應測量距離焊縫100mm處）。

2.3.3 “多層多道焊”，先焊接主縫，在焊縫厚度達到40mm時，進行清根和打磨，焊接時道與道之間的起弧點和收弧點不應出現在同一位置。所有焊縫均采用多層多道焊，層間起弧點應錯開30mm以上。最后一道焊縫避免靠近母材兩側，焊接應連續進行，不得間斷。

2.3.4 “熱處理消氫”，焊后立即采用局部熱處理進行消氫處理，用保溫棉保溫3h后自然冷卻。

3 “強預控”

本工程鋼結構施工難度大、質量要求高，得以成功實施的關鍵就在于質量的預控必須加強，質量控制措施必須嚴格執行規范、標準，按設計要求進行施工。根據鋼結構關鍵工序作業指導書，進行交底和施工操作，保證施工過程和質量監控檢查有序開展。

4 “重驗收”

由于本工程的鋼結構超高層巨柱焊接在全國范圍內沒有可控參考的現行規范，導致了完成實施后，驗收成了一大難題。故本項目針對巨柱焊接及驗收組織兩次全國專家會，邀請清華大學王元清教授、中國鋼結構協會耿樹江等五位專家前來指導（圖10），確定本工程巨柱驗收標準，即“垂直度偏差能控制形心偏差和扭轉偏差，建議取消形心偏差及扭轉偏差控制要求”，提出垂直度偏差、錯邊控制參數[3]。

圖10 專家研討會

5 結束語

目前，在多腔體多邊形超大巨型鋼管柱安裝焊接方面相關可參考的文獻較少，本項目為保證首節巨型鋼管柱和基礎錨栓群定位連接精度，在現場定位、鋼管樁拼裝、吊裝焊接等工序制訂了正確的施工工藝和質量保證措施，取得了良好效果。此實例提供了一種巨型多腔體多邊形鋼管柱現場定位及安裝施工的思路，望能為此領域研究有所借鑒與幫助。也希望通過此篇文章收獲大家的優秀建議，為接下來類似項目的實施提供思路與素材。