技术创新

超高层建筑钢结构施工关键技术研究

日期：2015-5-26 14:15:09　来源：互联网　浏览数：
　

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1 ·工程概况
    宁波财富中心是宁波三江口建筑群中单体规模最大、建筑高度最高的地标性建筑，地处甬江东岸，南邻惊驾路，东衔江东北路，西接滨江大道，与宁波书城比邻，与老外滩、美术馆隔水相望。
    项目总用地面积约2.5万 m2，总建筑面积138 632 m2，地下2 层，地上38 层，建筑高度188 m。外立面设计新颖表现在外立面为曲面、塔楼顶部为“花瓣”造型，整个建筑外形宛如“含苞待放的郁金香”（图1），是宁波市高层建筑中施工难度较大，单体体量最大的钢结构项目，具有“高、重、曲”的特点，其施工难度大，技术复杂。

    本工程为超高层钢-混凝土结构，塔楼采用混合框架-钢筋混凝土核心筒结构。核心筒采用暗埋钢柱、钢梁的钢筋混凝土结构，自地下室底板起，至28层的核心筒剪力墙内暗埋钢柱和钢梁。
    外围框架由钢管混凝土柱、H型钢梁以及钢筋桁架楼承板组成。钢管柱自地下室底板起，至37层结束。地下室钢管柱呈垂直状态，出地面后先向外倾斜，至12层后逐渐向内倾斜，自下而上，斜率多变。内灌混凝土钢管柱底部最大直径达1.1 m，随结构高度的增加，缩减至600 mm。在27层至28层，设有1 道桁架层，由4 组连系核心筒角部与外围钢柱的径向桁架以及外围的环形桁架组成。顶部“花瓣”造型钢结构起始于173.87 m，顶标高为187.7 m，由箱形柱、环梁及放射状支撑等组成。
    2· 工程关键技术和措施[1,2]
    2.1 施工部署
    由于高层主体施工过程中钢柱的吊装与混凝土核心筒施工是本工程垂直施工的2 条主线，存在多工种、多工序穿插配合、交替作业等情况，为保障各工种之间衔接配合、有序施工，合理统筹主体钢结构的施工与混凝土核心筒结构的施工是关键所在，也是保证项目工期、施工质量的关键所在。
    核心筒内劲性钢柱起始于底板至28层结束，有焊接H型截面和位于角部的焊接异型十字截面2 种形式。劲性钢柱之间设置1 100 mm×200 mm×18 mm×25 mm劲性H型钢梁连接。
    2.1.1 深化设计阶段
    针对钢骨混合结构设计，混凝土结构钢筋与钢构件之间的矛盾，需要在钢结构深化设计阶段协调解决，是确保顺利施工的基础。
    2.1.2 施工阶段
    由于钢结构与混凝土结构之间存在大量的交叉施工，核心筒内劲性钢柱钢梁、外围钢管柱内灌混凝土和钢结构安装搭接穿插，相互间亦有影响，桁架层施工更是复杂。处理好钢结构与混凝土结构施工的合理搭接，亦是本有序施工进行的关键。
    2.1.3 施工段划分与施工工艺
    主体施工在垂直方向上分为3 个阶段：地下室施工阶段，地上标准层施工阶段，屋顶层以上施工阶段。
    1）结构整体工艺流程：筒体内墙板钢劲性柱就位→劲性柱初始校正→钢梁骨架安装→钢骨架整体校正→焊接→焊缝检测→核心筒钢筋绑扎→模板工程→核心筒混凝土浇筑、养护→核心筒上节钢骨的安装。
    核心筒结构高于钢结构框架6 层→钢结构框架安装、调整、校正、焊接与验收→楼层板安装→钢柱灌心混凝土→楼层混凝土施工。
    2）核心筒工艺流程。核心筒钢骨施工应领先于核心筒土建结构施工1 节（3 层），核心筒土建结构需要高出钢结构框架6 层，同时考虑塔吊的自由端悬臂高度的限制。核心筒施工采用钢框竹胶合板大模板、整体电动爬架施工工艺，泵送混凝土，喷淋法养护。
    3）核心筒内劲性柱与钢梁骨架吊装与加固。首节钢柱柱脚锚固于基础底板结构上，塔吊采用一点法吊装劲性柱。先吊装4 个拐角处的8 个劲性柱，然后再依次吊装就位中间部位的劲性柱；临时固定劲性柱后对劲性柱初步校正。为了保证核心筒内劲性柱骨架的稳定和安装精度采取加固措施，即在劲性柱和钢梁钢骨整体校正后，通过中间带有调节螺栓的钢管来连接整体、增加整体刚度、形成稳定结构。
    2.1.4 外筒钢柱与核心筒施工的衔接协调
    1）地下室施工阶段。在基础底板结构施工完成后，先安装核心筒内钢柱钢梁，之后进行筒体混凝土的结构施工、钢构安装等流水作业；其次待核心筒施工至地上1层时开始外围第1段钢柱安装，安装好后用缆风绳临时固定，待土建施工地下室顶板后，再开始外围第2段钢柱的安装。
    2）地上标准层施工阶段。核心筒施工高于钢管柱吊装作业面6 层后，开始安装地上标准层钢柱、钢梁。为了保证结构单元的几何稳定，每节钢柱吊装时要用临时连接系统连接于核心筒。首层钢柱高度10.4 m，用缆风绳临时固定，并采用钢管与核心筒临时固定，吊装相邻钢管柱时，与第1根钢管柱相连接，形成稳定体系。
    2.2 钢结构吊装
    选用TC7035B-16内爬塔吊作为起重设备，当塔吊自由悬臂独立工况不能满足吊装高度需要时，采用随结构升高而自升内爬工况，直至塔楼结构封顶。按塔吊起重能力和楼层钢梁布置状况划分吊装单元。
    2.2.1 钢柱吊装
    钢柱（劲性钢柱及外围框架柱）基本以2 层或3 层为1 节来划分吊装单元。
    1层钢柱以1层高度（10.4 m）为1 个吊装单元；在2~8层钢柱吊装时，以每2 层（高9 m）为1 个吊装单元；8层至屋顶层，以每3 层（高13.5 m）为1 个吊装单元。外围钢管柱最长分段为13.5 m，最重分段质量为10.53 t，钢梁最大截面质量约0.2 t/m，最长16 m，质量3.6 t。
    地上部分钢管柱呈倾斜姿态，为确保施工阶段稳定，以4 个角部为起始吊装，及时安装连系钢梁，增设辅助支撑，形成稳定体系。然后对称安装其余钢框架。
    倾斜钢柱采用全站仪坐标法定位，依据施工模拟分析及工程经验确定预调值。斜柱通过柱顶精确定位，柱底接缝处调整变形，利用千斤顶逐节调整，防止变形累积。钢柱安装后在顶部钢管口设置封盖，以有效阻止垃圾、雨水等进入钢管内部，影响后续混凝土灌注施工。
    2.2.2 塔楼顶部的“花瓣”造型钢结构吊装
    采用高空散装法安装。搭设满堂脚手辅助安装，以解决构件的稳定性、临时支承及操作脚手架搭设难题。吊装机械利用TC7035B-16内配塔吊，吊装顺序遵循自下而上、逐段逐层吊装的原则，相邻竖向构件吊装完后及时补缺其间的连系杆件，以便形成稳定结构。
    2.2.3 钢桁架吊装
    塔楼27～28层为桁架层，桁架高1 层楼，由4 组连系核心筒角部与外围钢柱的径向桁架以及外围的环形桁架组成。桁架层分两阶段安装，核心筒内部分与劲性钢柱同步安装，核心筒外部分与外框架一起施工，先安装4 个角部的径向和环向桁架，以形成稳定结构。整榀吊装的桁架最大质量约8.4 t。
    2.3 钢结构安装预调值计算分析及施工控制
    考虑海边大风、台风、暴雨、雷电、结构温差等构成的不利气候环境条件，除了选择合理的焊接手段、工艺参数外，合理的焊接顺序对结构变形的控制亦不容忽视。不同材质的内外筒，因变形性能的微小差别引起的变形差及由于结构形式（环闭状）特殊，焊接收缩引起的结构变形也不可忽视。
    在结构自重荷载、温度荷载、风荷载作用下的结构变形和安全问题、在施工荷载（如起重机械、混凝土施工等）作用下结构整体或局部可靠度问题，均必须进行各施工过程的结构验算和分析，之后才可用以指导和控制施工。
    根据多种载荷条件及不同施工工况，采用有限元分析软件进行施工阶段结构计算，并结合工程经验，确定施工预调值，通过施工控制指导钢结构安装。
    2.3.1 钢构件的施工预调值
    建筑结构的施工是一个建筑物逐渐成型的时变过程，包括建筑物几何形状、参数和荷载条件等均在变化，结构在各种荷载的动态变化下变形非常复杂，成型结构经历了一个逐渐增长、依次加载和分步变形的复杂力学成型过程。
    对于一般的钢结构建筑，基于结构的设计位形进行构件加工和安装，施工成型结构的位形将达不到结构的设计位形，对于结构形式简单的结构这种偏差非常小，然而对于复杂的钢结构这种偏差将非常大，甚至使结构无法按照预定的施工方案成型，或成型结构不满足设计允许误差的要求。
    钢结构构件施工预调值计算的综合迭代算法具有较好收敛性和稳定性，通过采用大型分析软件ANSYS的单元“生死”技术和坐标更新功能，可以准确地实现该算法。
    正装迭代法确定结构各安装位形的基本思路为：按照结构实际施工方案和顺序来进行结构变形和受力分析，得到结构施工成型的位形，把该位形反号叠加到结构的设计位形上，即得出结构的施工阶段初始位形。
    主楼施工预调值计算综合迭代法方法：根据设计状态通过迭代得到施工的初始位形，获得初始状态的同时就得到了结构施工的各分步位形以及构件的加工预调值和安装预调值。
    2.3.2 结构构件施工预调值计算的条件
    为简化计算对实际施工步骤进行调整：2层作为1 个施工步；楼面梁和外框筒同时施工；楼面混凝土和压形钢板同时施工；机电和装饰等同时施工。
    整个结构分38 步进行，在施工模拟计算过程中，荷载的取值根据施工阶段实际的荷载确定。荷载工况如下：
    1）钢框架分项工程按自重取值；
    2）楼板混凝土分项工程完成时楼面荷载：楼板自重+施工活荷载；
    3）幕墙分项工程；
    4）装饰及机电工程施工完成时楼面荷载：楼板自重+附加恒载+施工活荷载；
    5）塔吊荷载按塔吊说明书提供的荷载考虑。各楼层施工成型总恒载按照荷载值等效成楼面荷载。
    2.3.3 安装预调值分析
    对本工程塔楼进行有限元建模，依据施工过程进行施工阶段结构分析，得出理论的钢构件（主要是钢柱）预调值，实际施工采用的预调值应在计算分析结果的基础上，结合工程经验取值。如此，有针对性地对各构件采取安装施工预调，从而满足设计允许误差的要求。
    3· 钢结构施工控制技术[3-5]
    3.1 闭环控制方法
    钢结构工程施工采用闭环控制方法进行结构施工控制，包括分析预测（计划）、实施、监测、反馈和调整。
    3.2 施工监测
    施工监测主要有结构变形监测、应力监测。在实施监测前，根据国家规范的要求以及结构分析预测结果来确定监测阈值。
    3.2.1 施工过程结构变形监测
    结构变形监测包括结构形体监测和结构标高监测。结构形体监测是观测已施工结构的中心相对于预定轴线位置的偏位，使用全站仪结合测距棱镜进行测量；结构标高监测是观测楼层结构是否达到设计标高。
    3.2.2 施工过程应力监测
    钢结构施工过程是一个从下部逐级而上到逐步成型、从不完整到完整的过程，施工过程中伴有结构形态的变化，不同施工阶段有不同的结构形态和不同的受力特性，且每个施工阶段的内、外部荷载条件也不尽相同。
    故根据结构受力特点以及施工方案建立专门的施工应力监测系统，在核心受力构件及受力情况复杂的部位设置应力监测点，在结构关键位置布置变形监测点，在结构施工过程中实时监测其应力、位移参数的变化情况，以此来判断设计计算的准确性与施工过程的安全性，从而掌握施工过程关键构件关键截面的应变（应力）的变化历程，分析实测应变数据，与施工阶段计算的理论数据进行分析、比较，保证施工安全和工程质量。
    4 ·结语
    通过对宁波财富中心钢结构施工关键技术的研究和实践，实现了预期的目标、掌握了超高层钢结构工程的施工技术，对今后同类工程的施工提供了宝贵的经验。