超高层建筑钢结构安装施工技术

郑 洋,颜 冬

(中建钢构有限公司,深圳 518000)

超高层建筑钢结构安装施工技术

郑 洋,颜 冬

(中建钢构有限公司,深圳 518000)

论文介绍了超高层酒店的结构特点和设计理念;避难层屈曲约束支撑的设计与施工;SRC折线形斜向柱的施工质量与精度控制以及超高层酒店文明施工与安全施工。

设计理念; 屈曲约束支撑; SRC; 超高层测量; 施工安全

1 工程概况

超高层酒店地下3层(不包含地下一层设置的夹层),地上54层,结构标高258.4 m,塔楼层高2.100～7.500 m,标准层层高为3.900 m和4.100 m。钢构件类型主要有十字型和H型。核心筒外框均匀分布16根劲性十字柱,基础底板至+10.700 m标高核心筒东南角设置有4根劲性十字柱,主体结构共设置三道环带桁架,分别位于22、35、47层,桁架斜腹杆采用屈曲约束支撑。

本建筑钢结构结构安装施工主要有以下几个要点:(1)超高层酒店整体造型从下往上先外扩后内收,致使钢结构外框柱层层倾斜,增加了钢结构施工的难度,施工风险大幅增加。(2)钢结构外框钢柱设计为劲性钢骨柱,与钢筋混凝土结构交叉节点数量多,形式较为复杂,且外框钢柱全部带有一定的倾斜角度,深化设计难度较高。(3)由于主体外框钢柱全部单向倾斜,并在结构中部由外斜向内斜过度,随着钢结构安装的进行,受结构自重、风荷载、日照和温差等因素的影响,对测量控制的方法和测量精度提出了较高要求。(4)避难层屈曲约束支撑截面小,板材厚,精度控制与焊接控制不同于一般钢结构施工。

2 超高层酒店结构设计理念

义乌世贸中心超高层酒店造型独特,中间鼓突,上下收紧,流线型的楼体拔地而起,圆润的身形向上渐变为花瓣形,简洁大气,一气呵成,有着“盛世花开,龙腾义乌”的美好寓意,表达对义乌经济持续腾飞、繁荣的隐喻。与此同时,超高层酒店中间楼层向外鼓突,在占地面积狭窄的情况下,借助结构优势巧妙地增加了超高层酒店的建筑空间,增加了容积率,提高了资金的利用率。为满足五星级超高层酒店高水准、高性能的建筑平面及立面设计要求,并满足结构安全和施工便利的要求,核心筒外框设置16处SRC柱以增强整体稳定性,16根外框SRC柱内十字型钢由地下3层至54层。

义乌世贸中心超高层酒店由核心筒和外框16根SRC柱形成核心筒-框架结构体系,如图1所示,16根SRC柱对称布置,结构体系抗侧能力双向平衡。利用避难层设置3道加强桁架,桁架腹杆采用屈曲约束支撑,桁架位于22F、35F、47F。进一步提高建筑物整体抗侧能力,增加结构的整体刚度,有效地减小了建筑在风压工况下变形和变形加速度,满足了建筑舒适度要求,同时也提高了结构的抗震能力[2]。

梁柱连接节点设计方面,钢梁与核芯筒采用铰接连接。钢梁与外围框架柱为刚接连接,且在节点区域钢梁腹板通过长圆孔穿钢筋,以加强节点区域的抗震能力。

3 钢结构深化设计

与一般建筑施工不同,钢结构施工依照的主要是专业的钢结构深化设计图而非结构图,钢结构深化设计是钢结构工程流程的基础。本工程的深化设计包括钢柱、钢梁及钢桁架的深化设计。

针对义乌世贸中心钢结构的特点和重要性,深化设计首先根据施工方案进行合理的分段,既保证构件的加工及运输,又有利于现场吊装。其次深化设计针对构件的连接形式、坡口和焊缝进行细化,便于工厂的制作和现场的焊接。义乌世贸中心超高层酒店特殊的结构形式决定了每个楼层均与其他楼层不同,均需要单独进行深化设计。为保证深化进度同时增加后期结构调整的灵活性,以6层为一个深化节点深化设计。

义乌世贸中心超高层酒店深化设计工作量大、难度较高,为最大限度地确保深化设计的准确性,本工程通过钢结构生产车间工艺以及现场实测数据进行信息反馈处理。当生产车间在放样阶段被发现设计疑问时,及时通知深化设计部,深化设计部会立即组织人员对问题进行分析,判断问题类型,并有针对性地进行图纸局部修改或再深化。施工阶段定期将标高实测数据反馈深化设计院,深化设计根据实测的数据对部分钢构件的尺寸进行微调。尤其是在桁架层施工前,将现场安装后的实测数据报送设计单位与厂区,在规范与设计允许的范围内,通过合理的调整分段长度来保证穿孔精度。

虽说是小手术，又是段主任亲自给我做，我还是感到有点儿紧张，护士连着给我测了两回血压，都是有点儿高。好在气管镜允许家属在现场，尤其是王姐也在，两人不停地安慰我，才终于让我平静下来。

义乌世贸中心超高层酒店涉及大量劲性钢骨结构,涉及大量土建与钢结构的协同作业。经过与土建单位的密切沟通,深化设计重点解决了交叉作业过程中钢骨柱与梁钢筋搭接节点问题。节点设计时,尽量使型钢混凝土梁、柱中钢筋避开型钢,无法避开时可采用钢筋穿孔,但尽量避免在型钢的翼缘穿孔。当必须在柱内型钢腹板上预留贯穿孔时,型钢腹板截面损失率宜不大于腹板面积20%。钢筋穿孔造成钢截面损失不能满足承载力要求时,可采取型钢截面局部加厚的办法补强。型钢混凝土框架柱和框架梁的纵向受力钢筋在框架节点区的锚固和搭接应符合相关规范要求。

4 折线形斜向型钢柱的施工

义乌世贸中心超高层酒店外框共有16根劲性十字钢骨柱,钢骨柱从下到上先外向倾斜,后内向倾斜,我们称之为折线形斜向型钢柱。为提高安装效率,减小钢骨柱制作误差,以2层1节的形式对钢骨柱进行分段,每根钢骨柱长约8 m,重约7吨,自带倾角0～3°不等。吊装施工难度大,是超高层钢结构安装作业的典型代表。

折线形斜向型钢柱的安装流程为:钢柱吊装→缆风绳固定→钢柱垂直度检测→钢梁安装形成框架→焊前钢柱坐标精校→焊接施工→超声波探伤→焊后钢柱坐标复验对比→工序移交。

核心筒施工始终领先钢结构施工5～6层的进度,钢结构施工严格执行“先柱后梁、先主后次、对称施工、流水作业”的原则,从西北角和东南角同时顺时针方向进行施工。折线形斜向型钢柱比一般钢柱的精度控制要求更高,钢柱就位后测量校正措施是否有效决定了整个钢结构工程质量的高低。钢柱测量校正顺序:调整标高→调整位移→调整垂直度。

调整标高:当钢柱稳固后,进行垂直度初校并利用垫铁进行柱标高精校。在钢柱底用垫铁校正钢柱标高。每根柱的底板下设1～4组垫铁,每组不多于5块。标高校正完后,每组垫铁块间及垫铁与柱底间点焊固定;调整位移:柱脚的位移调整以基面中线与柱身中线对齐为标准,如有偏差,可用千斤顶往反方向调整,千斤顶的反作用受力点可作用在劲性柱脚插筋的根部(钢柱的垂直偏差也可以采用控制柱底位移来调整,利用千斤顶调整柱底中心线的就位偏差来调整柱子的垂直精度);调整垂直度:使用全站仪对钢柱顶部四边及中心点共计5个点进行数据采样,对比设计值进行垂直度调整,通过缆风绳或者支撑进行校正。校正时先先校正偏差较大的方向,后校正偏差小的(如两方向偏差相近,先校正小面,后校正大面)。

5 钢结构的测量施工

钢结构测量不同于一般土建测量,精度要求高,专业性强。钢结构测量属于过程控制,是钢结构质量控制的重要保障。对于超高层钢结构施工,必须将误差严格控制在规范要求的精度内,以保证构件自由就位和结构精度。因超高层酒店土建与钢结构交叉作业多,为保证双方沟通方便,钢结构应同土建建立相同的平面控制网,即钢结构使用土建建立的三级控制网,但使用前需进行复测校正。

钢结构测量施工最关键步骤是控制网的平面引测和垂直引测。平面引测是将首层的测量控制网通过激光铅垂仪在相应楼层重新建立,主要通过激光铅垂仪和激光接受靶进行4个测量控制点的垂直传递与接收。激光铅垂仪对准首层建立的测量控制点,通过每层预留的200×200 mm的孔洞将激光向上传递。每个测量控制点激光铅垂仪将进行0°、90°、180°、270°的旋转,激光接受靶将产生4个激光点,如图2所示,取4次激光点的几何中心即为本次投测的真正点位位置。待4个测量控制点在目标楼层全部建立以后,即可在目标楼层重新建立同首层完全一致的平面控制网。

垂直引测主要是高程的传递,考虑到超高层结构施工的特殊性及激光铅直仪的高精度施工能力,超高层酒店主轴线的垂直引测总共布置六次循环。分别架设激光铅直仪于首层油漆标示的主轴线控制点上,将主轴线点逐一垂直引测至同一目标高度,使用50 m钢卷尺垂直向上引测基准标高,引测点以墙面+1.000 m位置作为标高起始基准点。每次引测到目标高度后的四个点均需再次闭合,闭合差≤2 mm,位置为其所在楼层结构面上+1.000 m处。闭合的四个点作为本层上一节钢柱及其它构件安装与校正的高程控制点。

6 避难层桁架的施工

超高层建筑对结构抗震性能和风荷载作用下的结构变形要求更高。普通支撑受压会产生屈曲现象,当支撑受压屈曲后,刚度和承载力急剧降低。在地震或风的作用下,支撑的内力在受压和受拉两种状态下往复变化。当支撑由压曲状态逐渐变至受拉状态时,支撑的内力以及刚度接近为零。因而普通支撑在反复荷载作用下滞回性能较差。而屈曲约束支撑一方面可以避免普通支撑拉压承载力差异显著的缺陷,另一方面具有金属阻尼器的耗能能力,使得主体结构基本处于弹性范围内。

义乌世贸中心超高层酒店共采用96根屈曲约束支撑,分布在F22～F23、F35～F36、F47～F48之间。主楼外框柱每层16根,在相应楼层,每两根外框柱之间设计有2根屈曲约束支撑,如图3所示,故每层有屈曲约束支撑32根。屈曲约束支撑外观为正方形,外观尺寸为400×400 mm,芯板厚度为50 mm,屈服承载力最大为12 850 k N。本工程所用屈曲约束支撑为承载力屈曲约束支撑,故而屈曲约束支撑的安装不宜滞后于次节结构施工,以便屈曲约束支撑更好地发挥承载力,达到设计性能要求。

义乌世贸中心超高层酒店屈曲约束支撑施工步骤由①～④,其中①为下弦梁,②为钢柱,③为上弦梁,④为BRB即屈曲约束支撑。因屈曲约束支撑(BRB)空间呈一定倾角且滞后上弦梁安装,屈曲约束支撑现场通过塔吊进行起吊,通过倒链进行BRB角度调整和BRB就位。

屈曲约束支撑芯板厚度达50 mm,超过现场一般构件厚度,按照规范要求需要做焊接工艺评定[3]。因前期焊接工艺评定已经考虑到工程最大板材厚度,焊接工艺评定板材允许适用范围涵盖了屈曲约束支撑芯板板厚50 mm,故而此次不需要另做评定。依照设计要求,BRB现场焊接焊缝等级为二级,超声波探伤比例为20%[4]。

7 下挂水平安全网和外挑防护网

安全施工是建设工程的第一要务。义乌世贸中心超高层酒店钢结构面临着大量安全风险较大高空作业、临边作业等。随着建筑高度日益增加,保障施工安全需求越来越迫切。除了安全帽、安全带、安全钢丝绳等一般性的安全防护措施外,特别针对义乌世贸中心超高层酒店设计安装了下挂水平安全网和外挑防护网。

下挂水平安全网主要用于钢筋桁架板铺设前的高空坠落防护,采用经过验收合格的标准3×6 m小眼水平兜网。在一般工程中,安全网是铺设在钢梁上翼缘表面,但在楼层压型钢板铺设、钢梁焊接、高强螺栓终拧时,安全网必须移除,为后续专业施工提供工作界面,此时,施工人员的安全问题就无法得到有效保障。义乌世贸中心超高层酒店钢结构工程采用下挂式水平安全网,不仅可以有效进行高空坠落防护,还不影响楼层压型钢板铺设、钢梁焊接、高强螺栓终拧,对现场安全施工起到了极大的保障作用。

外挑防护网主要针对超高层酒店钢结构临边施工作业。外挑防护网主要由脚手管、小眼水平兜网、钢丝网和钢丝绳组成。外挑防护网在地面拼接完毕,通过塔吊进行转运安装,并在本层结构完成后向上转移。外挑防护网的规格为6×6 m,中间通过脚手管呈“田”字加强布置。小眼水平兜网满铺于脚手管形成的框架上,边部与脚手管通过钢筋进行牢固绑扎。小眼水平兜网上部再铺设一层密目钢丝网,以增加整体承载力和安全性。

8 结 论

a.造型是超高层建筑的灵魂,结构体系是超高层建筑的关键,对关键部位、关键工序的把控是保证超高层建筑结构质量的核心。本工程加强对折线形SRC柱施工、超高层测量以及屈曲约束支撑安装的管理,为结构设计的多样化提供了详尽的工程实例。

b.避难层桁架的安装精度和焊接质量,可通过选用恰当的测量、校正和焊接方案来实现,避免焊缝收缩产生的不利影响。同时,加强现场施工和深化设计的沟通交流,通过现场反馈机制,将前期深化设计的盲点、误差进行改进,对后期的施工有重大帮助。

c.安全第一,预防为主,综合治理。超高层建筑施工要时刻把安全作为首要考虑因素,结合工程结构特点,有针对性地就安全突出问题提出合理有效的解决方案。

[1] GB 50011—2001,建筑抗震设计规范[S].

[2] JGJ 297—2013,建筑消能减震技术规程[S].

[3] GB 50661—2011,钢结构焊接规范[S].

[4] GB 50205—2001,钢结构工程施工质量验收规范[S].

Steel Construction's Installation Technology of Super High-rise Building

ZHENG Yang,YAN Dong
(China Construction Steels Structure Corp Ltd,Shenzhen 518000,China)

This paper introduced the structural feature and the design concept of super high-rise hotel.The design and construction of BRB in refuge floor,the construction quality and accuracy control of broken-line SRC and civilized and safe construction of super high-rise hotel were introduced.

design concept; BRB; SRC; high-rise building measurement;safe construction

2014-08-25.

郑 洋(1987-),肋理工程师.E-mail:zheng8yang@126.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.024