超高聳雷達塔外框鋼管斜弧柱的吊裝與拼接研究

文＿李州平（廣西建工第一建筑工程集團有限公司，高級工程師）

蒙運強（廣西建工第一建筑工程集團有限公司，高級工程師）

韋海彬（通訊作者）（廣西大學土木建筑工程學院，土木工程專業碩士研究生）

施芷榆（廣西大學土木建筑工程學院）

自20世紀90年代以來，我國高層建筑進入了快速發展的階段。高層建筑的一大受力特點在于其承受的水平荷載（風荷載、地震作用）隨結構高度增加而急劇增大，甚至成為高層結構設計中的主要控制因素。

本項目超高聳雷達塔的結構體系為框架—核心筒結構，其外部框架采用各節鋼管混凝土柱拼裝而成的斜弧柱，整體外形呈現兩端舒展、中部收緊的形態，類似直立的拱形。因此，該形態能使得各節鋼管混凝土柱以軸力的形式承擔巨大的水平荷載，充分發揮鋼管混凝土柱的受壓承載力高的優勢。斜弧柱這一特別的設計效果能如期實現的根本保證在于斜弧柱在高空中順利完成吊裝與拼接。目前，已有不少學者和設計師們針對異形鋼管混凝土斜柱的施工方案開展了相關研究。

梁秋瑩等探討了南寧吳圩國際機場新航站樓樹形鋼管混凝土斜柱的吊裝問題，以就近吊裝為原則，遴選并論證樹形鋼管混凝土斜柱的最優吊裝方案。茍金瑞等分析了北京日出東方凱賓斯基酒店弧形圓鋼管混凝土斜柱的安裝難點，提出由吊繩上的導鏈控制弧形柱在空中傾角的方法。陳杰等針對某技術中心大樓多段高空中結構的不規則和大跨度等特點，提出并從理論和數值模擬方面驗證了采用工字鋼桁架平臺懸空主梁支撐體系。文良波等以珠海橫琴國際金融中心大廈為例，詳細分析了斜柱、復雜節點、桁架的測量控制和安裝精度測量校正的關鍵技術。

各類關于鋼管混凝土斜柱吊裝的研究為同類工程提供了參考，但在多數工程實例中，鋼管混凝土斜柱經常只有一種安裝傾角，且起吊高度較低。本項目中各節鋼管混凝土斜柱的安裝傾角迥異，吊裝—拼接就位均在高空操作，難度較大。因此，本文將借助Midas Gen軟件研究超高聳建筑大口徑鋼管斜弧柱吊裝—拼接技術，以解決上述施工難題。

一、工程概況

某新一代氣象雷達塔的主體結構采用鋼管混凝土斜弧柱框架—鋼筋混凝土核心筒體系。其中，外框架的鋼管混凝土斜弧柱共有12根，沿核心筒的周圍均勻布置。鋼管混凝土斜柱沿高度方向有5次變截面，截面尺寸依次減小。同時，鋼管混凝土斜柱的傾角沿高度呈先減后增的規律。首層斜弧柱的傾角19.22°，隨后傾角沿高度逐漸遞減，至結構中上部接近0°。再往上，傾角又逐漸遞增，頂層斜弧柱的傾角達36.89°。斜弧柱整體上先內傾后外傾，外形呈現為中部收緊，兩端伸展的優美曲線，見圖1。

圖1 超高聳異型雷達塔及外框斜

據現有研究得知，斜柱的傾角、管徑、長度均為影響吊裝的重要因素。傾角、管徑、長度越大，吊裝難度越大。本文選擇底層柱做標準模型進行吊點選擇分析，其傾角、管徑、長度均較大，具有代表性。

二、斜弧柱吊裝模型建立

（一）荷載工況

斜柱吊裝中僅考慮鋼管自重，不考慮地震作用和風荷載的影響。又因起吊輸運是一個動態過程，需要考慮對斜弧柱構件荷載進行放大，取放大系數為30%。在軟件中設置構件x，y，z方向的自重系數分別為0，0，1.30。

（二）邊界條件

Midas Gen軟件對節點的約束分為D（約束位移）和R（約束轉動）。在不考慮風荷載的情況下，只需約束吊點的位移Dx，Dy，Dz即可。

（三）單元設定

在Midas Gen中對模型做合理簡化，由于耳板較小，建模時不予考慮。模型中的鋼管混凝土斜柱采用實體單元，將其劃分為120個網格單元，計算時可兼顧計算精度和效率。鋼管混凝土斜柱的標準模型參數統一為：材料強度等級Q235，管徑1450×16，中軸線長度6323mm，傾角17.85°。

鋼絲繩采用索單元，設定索單元的初拉力為0，材料取Q235，截面直徑取0.02m。吊裝提升點距鋼管混凝土斜柱最高點垂直距離為5m。建立的模型如圖2。

圖2 鋼管混凝土斜柱吊裝模型示意圖

三、吊裝方案比選

（一）柱身彎矩

為了保證吊裝安全，吊點布置應盡量保證吊裝過程中柱身的變形與彎矩分布均勻，且數值較小。已有文獻建議采用兩點或三點起吊，以便達成在斜柱吊裝過程中調整角度的目標，且盡量使斜柱在吊裝狀態下的自然傾角與安裝時所需傾角相近。為確定合理的吊裝方案，本文設計了8種不同吊點數目、布置間距的吊裝方案，計算結果見表1。吊點布置遵循對稱原則，如圖3所示。其中“2吊點L/5”表示上下2個吊點分別距離鋼管混凝土斜柱上下端L/5長度；“3吊點L/5”則表示將其中一個吊點設置于L/2處，余下兩個吊點分別設于距上下端L/5處。

表1 不同方案柱身彎矩的對比（kN·m）

圖3 吊點布置及柱身彎矩

兩點起吊的方案中，L/5與L/4方案的彎矩差均較小，與端部起吊的最大彎矩相比依次減小了63.50%、75.30%。三點起吊時的最大彎矩差明顯減小，相比兩點起吊平均減小了68%。相似地，L/5與L/4方案比端部起吊分別減小72.40%、75.90%。因此，可以初步篩選出彎矩較小的4種方案，即：2吊點L/5、L/4；3吊點L/5、L/4。接下來就上述方案進一步分析其豎向位移和應力，從而確定最優的吊裝方案。

（二）吊裝位移、應力

依次設上述4種方案為模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，計算其吊裝位移及應力的結果詳見表2。為了控制斜柱安裝，起吊時盡量保持斜柱在自然狀態下的傾角與柱本身設計傾角相近。

表2 各模型位移、應力對比

由表2可見，吊裝過程中的柱頂位移x1為正，而柱底位移x2為負，表明柱端向上移動，柱底向下移動。故鋼管混凝土斜柱在吊裝過程中的角度會逆時針增大，偏離預定的傾斜角度。吊裝位移的示意圖見圖4（a）。由幾何關系可知，吊裝狀態的附加轉角Δθ為：

圖4 吊裝狀態的位移、應力

由表2可知，模型Ⅱ的附加轉角最小，但吊點處有明顯的應力集中現象。模型Ⅲ的吊裝應力最小，其最大應力較模型Ⅱ減小了89.19%，大幅度減輕了吊點處的受荷。同時，模型Ⅲ的附加轉角僅比模型Ⅱ增大了46.41%。綜合四種吊裝方案，模型Ⅲ（3吊點L/5）的柱身彎矩、應力都顯著低于其余方案，模型Ⅲ吊裝應力見圖4（b），表明其在吊裝過程中的受力均勻，應力集中現象相對輕微，可最大限度削減結構服役前的承載力損耗。

雖然模型Ⅲ的Δθ并非最小，但一方面其數值上與最小值相差不遠；另一方面，Δθ稍大僅代表吊裝狀態下偏離預定安裝的角度稍大，僅在拼接時稍增難度，而對長久的結構受力無影響。綜上，吊裝的受力指標應比位移指標權重更大，故最優的吊裝方案選定為3吊點L/5。

四、定位—拼接技術

（一）構件進場后復測尺寸

針對模型Ⅲ附加轉角較大的問題，可通過定位拼接技術解決，如圖5所示。斜柱定位包括自身標高定位與傾斜角度定位。其中，自身標高定位很大程度上取決于每節鋼管混凝土斜柱的實際下料長度和實際截面尺寸。在工廠預制鋼管混凝土斜柱時應控制制作誤差，其容許值由《鋼結構工程施工質量驗收標準》（GB 50205—2020）確定，見表3。尺寸檢驗合格后，在構件上端口周圍制作測量的控制線并標注其相對標高。經文獻調研并參考類似工程經驗發現，由于建筑高度較高，鋼柱長度較長，手持棱鏡進行測量定位的方法既低效又不準確，建議在柱頂用于定位的位置預先貼上反光片，以便安裝過程中實時監測柱頂坐標。斜柱進場后，需對構件的長度與截面尺寸進行復核，保證構件尺寸誤差在合理范圍內。

表3 鋼管混凝土斜柱外形尺寸允許偏差

圖5 鋼管混凝土斜柱定位—拼接過程

（二）測量定位技術

傾斜角度定位主要通過放縮塔吊吊索實現。吊裝前，先對已裝好的鋼管混凝土斜柱頂面和待安裝柱的底面進行清理，保證接觸面清潔平整。按上文選定的最優方案“3吊點L/5”吊裝至高空預定位置，隨后將纜風繩的一端固定在已建好的核心筒外側，另一端連接在柱頂的耳板上。利用纜風繩和手拉葫蘆，配合塔吊調整鋼管斜柱的傾角。調整過程中用全站儀監測柱頂坐標，保證鋼管混凝土斜柱的傾角達到預定值。以此解決高空拼接時的附加轉角較大的問題。

1.平面控制網點

定位過程還與測量精度息息相關，可從確保控制網點位精度與采取合理測量放樣方法這兩方面，提高鋼管混凝土柱施工過程中的測量精度。選擇施工控制網時應依照結構施工的要求進行選擇，平面控制網按照一級導線的精度要求布設，在合理范圍內增多控制網點以提高測量精度。高精度的測量工作離不開精密的測量儀器，施工過程中需配置與施工要求相適宜的施工測量儀器。為避免誤差累積，每次柱吊裝定位均應以校核后的當前施工層標高為基準。測量距離較長時，使用分段測量法，通過控制各小段的測量精度來確保長距離的測量精度。測量定位時需將結果進行嚴密平差，控制相對誤差。

2.吊裝繩索預偏移

在鋼管混凝土斜柱自重作用下，隨著施工階段的推進，吊裝繩索會發生變形，因各個吊點處受力不同，繩索變形也不相同，導致斜柱吊裝定位時會發生一定程度的偏移。此種情況無法避免，可在施工前對吊裝繩索變形進行相關的計算，算出后期可能發生偏移的距離和方向，再進行吊裝繩索的預偏移處理，即令鋼管混凝土柱在定位時沿預測偏移的反方向預偏。

3.避免大風天氣施工

大風天氣對吊裝影響較大，當風力較強時，空中吊裝不僅無法準確定位，也無法保證施工的安全性。因此，施工過程中應避免在大風天氣施工，以確保柱定位準確。

4.控制鋼管混凝土斜柱安裝標高

由現場勘測可知，施工過程中鋼管混凝土框架會發生豎向位移，即鋼管混凝土柱的自身標高定位會受施工過程影響，因此施工過程中應注重鋼管混凝土柱標高的校正工作，及時對其采取措施進行控制、調整，保證施工質量。當某一層的鋼管混凝土柱安裝后，對該層柱柱頂作一次絕對標高實測，而后根據實測值對下一節鋼管混凝土的標高進行控制。鋼管混凝土柱標高校正工作詳見《超高聳異型雷達塔結構的施工變形研究》，依據該層柱柱頂標高實測值與其偏差值，在吊裝下一節鋼管混凝土柱時，結合鋼管混凝土柱的實際長度與模擬計算值，可通過增大或減小柱接頭處焊縫間隙來調整鋼管混凝土柱的標高。

該天氣雷達塔鋼管混凝土框架中所用柱傾斜角度多樣，為保證工程質量，測量控制必不可少。每次吊裝均應使用全站儀、鋼尺等工具對斜柱進行傾斜度與水平距離的定位，并進行實時監測，以便及時協調鋼管混凝土斜柱安裝的相對位移與相對位置。在下一節柱吊裝前，應對此層斜柱進行復測，保證該層斜柱的位置在誤差允許范圍內。施工過程中，鋼管混凝土斜柱允許最大偏差同樣依照《鋼結構工程施工質量驗收標準》（GB 50205—2020）設置，見表4。

表4 鋼管混凝土斜柱定位允許最大偏差

根據本項目施工進度和現場作業面情況，目前施工進度為外部框架標高14.40m處，實際吊裝方案暫時采用垂直起吊，見圖5、圖6，這是基于以下三方面考慮的：（1）塔樓底部有已建成的附屬建筑，暫不宜采用所占空間較大的就位起吊；（2）施工人員在標高±0標高處容易完成首節鋼管的定位、拼接、焊接等操作；（3）施工高度低時，風載還相對較小，尚無須架設纜風繩。

圖6 鋼管混凝土斜柱吊裝現場

為提高鋼管混凝土斜柱拼接工作的效率與質量，選擇對相鄰柱接頭處先進行臨時固定，進行調平后再進行焊接固定的方法。在鋼管混凝土斜柱對接處設置方便拼接的臨時耳板，完成定位后即用高強螺栓連接上下柱的耳板，初步固定鋼管混凝土斜柱位置，此時塔吊可松勾。再用千斤頂等工具對鋼管混凝土柱進行扭轉偏移、局部接口的進一步調整，控制上下柱連接處的錯口誤差在規定范圍內。確定鋼管混凝土斜柱的傾斜角、位置均符合要求后，對其進行焊接固定。用以臨時定位的臨時耳板在焊接完成后可去除，對結構整體不造成影響。最后經全站儀復核該節鋼管混凝土斜柱的位置無誤后，焊接上下柱的接觸面?，F場校正圖見圖7。

圖7 千斤頂微調校正

五、結語

本文采用Midas Gen軟件對比了雷達塔外框鋼管混凝土斜弧柱的各類吊裝方案，斜柱吊裝的原則為盡量保證斜柱在吊裝狀態下的自然傾角與安裝時所需傾角相近。

確定的最優方案為三吊點：即一個吊點設置于L/2處，余下兩個吊點分別設于距上下端L/5處。此時能夠保證自然傾角與安裝傾角接近的同時，盡量減小吊裝應力。鋼管斜柱吊裝過程中，會出現柱端、柱底位移反向的情況，即吊裝角度逆時針增大，平均轉角9.91°，且在吊點處的應力集中現象明顯，最大值達56.54MPa。優吊裝方案的附加轉角仍有10.58°。在吊裝就位時懸掛纜風繩，配合塔吊、手拉葫蘆、千斤頂調整構件傾角至預定值，全程使用全站儀監測柱頂坐標，精確完成鋼管斜柱定位。