闹市中心狭小场地大跨度超厚板钢结构施工技术

李世民，余自强，李举辉，孟召虎，何 路，汉光昭，黎建宁，李 艳，王志刚

(中建三局集团有限公司，湖北 武汉 430040)

1 工程概况

1.1 项目概况

兰州市城关区清华小学综合楼建设项目位于兰州市城关区酒泉路，地处闹市区。项目规划为1栋综合性教学楼，地下3层(含隔震层)，地上6层，框架结构，基坑设计开挖深度为-14.85m，地下水位为-2.100m。项目效果如图1所示。

图1 清华小学综合楼效果

1.2 周围环境概况

项目南、北两侧各为1栋5层建筑物，距基坑边缘平均距离为3m；东侧为夜市一条街，距拟建建筑最近距离为1.8m,东侧沿拟建建筑基坑边为一条10kV高压电线；西侧紧邻酒泉路主干道，酒泉路人行道距拟建建筑平均距离仅1.5m，且顺酒泉路人行道靠基坑一侧为军用电缆沟和通信电缆沟，现场场地狭小，施工环境复杂(见图2)。

图2 清华小学综合楼周围环境

1.3 篮球场和会议室建筑概况

地下1层为篮球场，上部为隔震层，6层为大跨度会议室。3根104t箱形钢梁为转换梁，位于地下1层篮球场顶板，隔震层下部，由9根33t箱形柱支撑。6层局部为25m×22m大跨度钢结构井字梁屋面板，单构件最重8.5t。

2 结构设计

2.1 受力分析

箱形梁承受上部整栋楼近一半荷载，梁变形过大直接影响上部结构安全，要求箱形梁在满足使用功能的前提下截面小、刚度大。教学楼侧立面结构模型如图3所示。

图3 侧立面结构模型

2.2 设计方案确定

结构选择考虑2个方案：①钢筋混凝土现浇结构梁自重大、截面大、抗震性能较差，但受场地影响较小，施工方便，技术难度较低；②采用特种钢材Q390GJ钢，工厂加工箱形转换梁，自重小、截面小、刚度大、抗震性能好，但受场地影响，加工、运输、吊装困难，技术难度较高。根据以上分析，最终选择钢箱梁和箱形钢柱为转换梁柱。

3 施工整体思路

3.1 施工重难点分析

1)闹市中心，场地狭小 该项目位于兰州市闹市中心，东侧与夜市一条街仅一围墙之隔，建筑物四周外轮廓线与用地红线多处重合，基坑开挖后，坑顶距四周施工围墙平均只有2m，北侧紧邻大清真寺，南侧紧邻原有建筑明德宫，场地非常狭小，所有材料和人员只能从西侧酒泉路出入，钢结构主要在地下和屋面结构涉及，现场无法设置材料、构件堆场，钢结构吊装起重机无站位，酒泉路主干道车流量大，交通疏导困难。

2)钢结构构件截面大、钢梁跨度大、对构件挠度变形要求高 本项目钢结构施工重难点主要为地下部分9根箱形柱和3根箱形梁。箱形柱截面为1 500×1 300×60×60，单根钢柱长11.5m、重32t；箱形梁截面为2 000×1 100×90×100，单根钢箱梁长20.75m、重104t。3根钢箱梁为转换梁，承受整栋建筑近一半的荷载，由于6层为20m×25m大跨度会议室，对钢箱梁的刚度要求非常高，所有荷载施加完成后钢箱梁挠度变形不得超过15mm。单根钢箱梁质量大、跨度长，整体运输、吊装难度非常大。

3)超厚板焊接质量要求高 箱形梁钢板厚100mm，箱形柱钢板厚60mm，焊缝质量均要求全熔透一级焊缝。焊接变形后矫正非常困难。

4)梁柱节点复杂 为保证钢箱梁整体刚度，控制挠度变形，采用梁穿柱的节点形式，柱截面为1 300mm×1 500mm，梁截面为1 100mm×2 000mm，梁穿柱非常困难；大钢箱梁穿柱节点中心有垂直于钢箱梁的H形次梁穿过柱与大箱梁焊接，无焊接空间，焊接非常困难；大箱梁跨中及柱顶部位为隔震支座XZD,由于钢箱梁板厚100mm，XZD板厚60mm，XZD与钢箱梁现场焊接工作量大，焊接质量不易保证。

3.2 施工方案确定

合理安排构件、机械进场计划，做到构件随到随吊，连续作业。起重机站位借用人行道和机动车辅车道。由于起重机在坑顶作业，钢结构吊装前，需对基坑进行验算、加固军缆管沟、编制专项施工方案并进行专家论证。加强基坑监测，合理规划安排吊装时间和交通疏导路线。

综合考虑场地起重机站位、构件质量、起重机货源，选择400t汽车式起重机，根据起重机起重量、结构受力要求、现场焊接量和焊接质量、运输等进行合理分段，将每根钢箱梁分为52.5，32.5，19t 3段，同时对每段吊点进行设计。

通过深化设计，合理分段，厚钢板焊接最大限度在工厂完成，以减少现场厚板焊接量；施焊前需进行现场焊接工艺评定，确定焊接方法；严格控制厚板焊缝焊接速度，焊接过程中进行应力消除，做好过程检查；焊接完成后100%进行结构外观尺寸检查和探伤检查；做好钢箱梁施焊前后及施焊过程中的挠度检测，发现偏差及时纠偏。

钢构件加工前进行深化设计，在柱顶留主、次梁吊装豁口(见图4)，主梁带次梁整体加工，次梁随主梁整体运输、整体安装。待主梁安装后，次梁在箱形柱外与另一段次梁连接，解决次梁穿箱形柱与主梁焊接困难问题；准确深化XZD与钢箱梁的相对位置，将隔震支座XZD与钢箱梁在工厂整体加工、运输、安装，减少现场焊接量，确保施工质量。

图4 箱形柱柱顶预留吊装豁口

3.3 施工方法

3.3.1现场布置及交通组织

吊装施工前，将占道方案报交通主管部门和市政道路主管部门批准，根据批准的方案确定起重机站位，在地面上标出每次站位每个支腿的准确位置，确定占道区域，用硬质围挡封闭管理，提前加固占道区域内所有管线，对基坑侧壁进行安全验算，并通过专家论证，起重机站位区域满铺20mm厚钢板。吊装时占道区域两端张贴占道区域及非机动车和行人绕行图，设专人疏导交通。由于此路段为主干道，车流量大，封闭交通前申请交通管理部门调整疏导区域交通。所有钢构件0:00后进场，白天吊装，连续进行。

3.3.2吊装方法

起重机3次站位，每次吊装同轴线3根箱形柱和1根钢箱梁，距起重机最远的箱形柱分2段加工、运输、吊装，较近2根整体运输、吊装。每根钢箱梁吊装前先吊装箱形柱胎架，第1段一端放在箱形柱上，一端放在胎架横梁上，靠胎架一端钢箱梁端部在工厂加工成码板；第2段钢箱梁吊装时一端搁置在第1段钢箱梁码板上，另一端安装在第2根箱形柱上；第3段与第2段安装方法相同。钢箱梁吊装完成后，移动起重机站位，依次吊装第2，3排箱形柱、钢箱梁，如图5所示。

图5 起重机站位及钢箱梁分段位置示意

钢箱梁吊装过程中及时定位、校准、固定，安装工人和焊工配合安装，确保一次安装准确。

通过深化设计，在箱形柱上一次加工混凝土顶升孔，外墙箱形柱顶升孔朝室内，其余箱形柱顶升孔朝起重机站位，方便后期混凝土顶升。

3.3.3质量控制

焊接前，须进行相应焊接环境下的工艺评定试验，评定合格后进行焊接。考核焊工水平，检查焊接工具是否正常。

焊接时，严格按焊接方案施焊，先除锈、打磨和清除坡口两侧油污及水分，焊接过程中及时清除层间焊渣、飞溅、毛刺等，采用设计焊条型号施焊，严格控制焊接速度，检查焊接设备是否正常运行。加大焊接能量密度，减少热输入；采取小电流、快速度、多层、多道焊接工艺措施，采取火焰加热的方式对构件进行去应力回火处理、电加热设备进行焊接后热处理等措施消除焊接应力。

焊接后，检查焊接外形尺寸和缺陷，对所有焊接接头进行质量探伤检验。上部荷载施加过程中做好钢箱梁挠度变形监测。

3.4 安全管理

箱形柱吊装前，在柱顶安装防坠器，柱身安装爬梯，与箱形柱连接牢固。在钢箱梁上部焊防护栏，挂φ8钢绞线，用于挂安全带。施焊部位四周和下部铺挂防火布，每个焊接点配置≥2个灭火器。严格落实动火审批手续，设专职看火人。

起重机严禁超载起吊，设置吊装区域，配置专职安全员全程旁站，设专人疏散道路行人及非机动车，道路封闭两端挂扬声器，持续宣传安全警示及疏散线路。

4 结语

在闹市中心狭小场地进行超大、超重、超厚板钢结构施工，不仅要综合考虑加工、运输、堆放、吊装场地，吊装机械、吊装方式、交通疏导等多方面因素，还要考虑经济性、可靠性和可操作性。兰州市城关区清华小学综合楼建设项目钢结构的成功实施极大地降低了施工成本，在保证施工质量的同时提高了施工效率，也为类似工程积累了经验。