上下连体钢结构工程施工工艺及进度保证措施

施 欣

（中交四航局江门航通船业有限公司，广东 江门 529145）

0 引言

经济快速发展背景下，我国钢材产量近年来提升迅猛，大型公共建筑领域中钢结构的应用趋于广泛，其结构形式复杂性不断提升，有关钢结构施工周期、质量及经济效益的要求也在不断提升。侯振清等[1]在研究中发现以往高空连体钢结构施工中，通常都是在完成起止地面或空中模板支撑架的搭设后，通过起重设备逐一吊装构件并对位、焊接、组装从而成型，不仅工程量大，且空中对接面临较大的难度，很难保证焊接质量，安全系数不高。在本研究中采取了上、下连体钢结构工程施工方案，该方案合理地利用空间高差，交错施工，可保证连廊安装按期完成，空间利用效率更高，能够有效保障施工安全系数及质量并减少成本支出对施工效果产生哪些影响，具有哪些作用。

1 工程概况

中交集团南方总部基地C 区项目工程，采用框架—多核心筒结构体系，主要包括两栋塔楼（东塔和西塔），地下3 层，地上31 层，楼高约146.2m；建筑长度为175m，宽度为26m。东塔和西塔上下部通过钢结构连廊（下连体连廊和上连体连廊）连接，上、下连廊钢结构采用钢桁架+钢框架结构，其中下连廊位于L2～L5 层（11.9～25.4m），上连廊位于L23～顶层（106.40～146.20m）。

上、下连体钢结构相对混凝土主体是相对独立的两个钢结构单体，构成东、西塔楼上下两个连接部分，形成“口”字的上下两个横线。C 区的上、下连体跨度为46.5m，下连体桁架间距15.5m，上连体桁架间距15.4m，重量合计约3 360t，占了整个C 区钢结构总量的一大半，上、下连体钢结构大量采用了材质为Q420GJC 的钢板，且很多都是40mm、50mm、60mm的厚板，核心筒箱型柱和上连体上弦端箱型的板厚甚至达到80mm。

2 工程施工工艺技术

2.1 上、下连体钢结构施工顺序和计算

下连体是采用临时胎架安装的方法，上连体桁架是在下连体上拼装，主要采用220t 和200t 汽车吊吊装。上连体桁架就位采用提升工艺，上连体桁架就位后，上面的框架采用塔吊散装的，如表所示1。

为了确保施工方案的安全，从下连廊吊装开始，一直到上连廊提升，钢框架吊装，最终混凝土楼板浇筑，对每一施工步骤，上、下连廊桁架产生的应力和应变进行了计算。本计算采用Midas/GEN 有限元分析软件，采用根据设计图纸搭设的连廊和塔楼模型进行整体计算。对计算过程中出现的提升端杆件和框架首节柱脚等几个应力较大的情况，分别采取提升桁架节点加固、提升点加固和对超标柱脚进行先铰后刚的不同的处理办法。

2.2 下连体施工方案

下连廊距地面12m，采用原位拼装的方式。难点是大吊车要上地下室顶板，临时支架沉降和卸载。此外下连廊还要满足上连廊桁架段的拼装承重需要，拼装后提升受力转化变化大等。

（1）安装顺序：地下室反顶—支架安装—二层构件—三层构件—四层构件—五层构件—二～五层悬挑构件—浇筑五层混凝土—下连廊支架卸载。

（2）吊车：大吊车沿连廊纵向行进，每台设4 个固定站位，吊车中心线和桁架中心线的距离为16.7m，最重节点吊装半径为18.32m，由于上连廊节点重量大，上弦端部节点单个重20t，高度为29.3m，最终选用220t 汽车吊。吊车行进路线可保证50t 消防车行走，地下室采用定点钢管加固，将吊车支腿反力传到地下室底板上，经计算确认满足施工要求。

（3）支架：每榀桁架中间设4 个支架，位于下连廊层间钢柱的正下方。采用钢管格构柱，做成完整的二层平台，以此保证二层施工人员的安全。支架顶部采用砂筒的形式，用来支撑桁架和保证同步卸载。为防止桁架的不断加载导致混凝土楼板和临时支架下沉，造成桁架预拱度不足，还对支架的下部也做了钢管反顶。

表1 施工顺序及主要内容

（4）桁架分段：通常桁架分段为二层以上为柱梁分开施工，但下连廊分段小不能充分发挥吊车作用。下连体桁架采用各层桁架梁为主的分段方式，将钢柱分在各个桁架梁分段上，可以保证正常运输（分段高度控制在3.5～3.7m），还可大大减少现场的拼装节点。

（5）桁架焊接：本工程采用Q420GJ 的钢板，编制了加工和施工的焊接工艺评定。焊工持证进场，考试合格上岗施焊。采用对称焊和厚板焊接工艺，确保焊缝质量。

（6）现场施工情况：加工厂为确保桁架的完整性，桁架出厂前进行了预拼装，效果好。现场安装按计划进行，误差小，预起拱值符合要求。熔透焊缝无损检测一次合格率为99.2%。

2.3 上连廊桁架段拼装提升

下连廊五层混凝土浇筑完毕后，在其顶部进行上连廊桁架的拼装。

（1）施工顺序：拼装下弦—下弦平台梁、楼承板—拼装斜腹杆—拼装上弦—上弦平台梁、楼承板—提升—补杆—上弦平台混凝土浇筑。

（2）吊车：吊车的选型和站位和下连廊安装一致。

（3）桁架分段：上连廊桁架截面大，钢板厚（最厚80mm），只能按照节点和主梁分开，斜腹杆也是单独构件。

（4）预起拱值：上连廊桁架的预起拱值按照规范要求计算，桁架最大值为45mm。具体由三部分组成：桁架在下连廊顶部拼装，下连廊的下沉值；桁架提升的受力转换导致的桁架下沉值；桁架提升到位后，不断加载到完成后的下沉值[2]。

（5）桁架提升：桁架位于塔楼的23～25 层，提升高度为80m。桁架段拼装后重量约820t，加上防火涂料、提升器轨道和连廊下吊顶的重量，提升重量约1 020t。本工程选用4 个提升点，上提升点设在桁架上弦牛腿上，下提升点设在桁架下弦的端头。通过计算，对桁架和牛腿薄弱位置进行加固[3]。每个提升点选用两台285t 提升器，每个提升器配19mm 钢绞线13根。经验收，提升器的安全系数在2.14，钢绞线的安全系数为3.07，均在规范范围之内。

提升过程坚持气象监测，应力、应变监测，同步监测，桁架偏移监测等，确保桁架提升一次就位。为防止提升过程风载造成桁架摆幅过大，对桁架摆幅进行了计算，还利用塔楼进行了拉索等防风措施。

（6）桁架精度控制：采用全站仪精准测量牛腿端口坐标，根据结果拼装桁架，确保桁架端头坐标和牛腿端口坐标一一对应。提升前、试提升稳定后均用三维扫描仪对牛腿端口和桁架端头坐标进行二次测量，测量结果将对接精度控制在4mm 以内。

2.4 上连廊框架安装

（1）施工顺序：26 层柱安装—26 层平台梁、楼承板安装—27、28 层柱安装—27、28 层平台梁、楼承板安装—29、30 层柱安装—29、30 层平台梁、楼承板安装—31、天面层柱安装—31、天面层平台梁、楼承板安装。

（2）吊机：由于上连廊框架在塔楼的26 层（+121m）以上，只能用塔吊（T600，R70）安装。此时塔楼已封顶，可保证塔吊的使用时间。

（3）分段：由于塔吊吊装性能的限制，左右塔吊离最远钢柱的距离为50m，框架柱的分段重量必须控制在8t 以内。

（4）先铰后刚：经计算，在施工过程不断加载，框架首层四角的钢柱根部的应力超过设计应力，为了避免可能的变形和破坏，必须对这几根钢柱的柱脚采用先铰后刚的形式。把钢柱柱脚设计成上下套管的形式，下管为小锥管，方便安装，以确保铰接要求，待全部受力完成后再对该根柱脚进行烧焊，达到最终刚接目标。

2.5 现场焊接工艺

2.5.1 焊前准备

现场焊接主要采用CO2气体保护焊，现场经常出现突风或下雨，对焊接影响极大，必须在焊接前采取保护措施。现场主要采用焊接防风防雨棚，把焊口包起来，在棚里面焊接，不受恶劣天气影响。为保证焊接质量，尽量也要给焊工创造好的施焊条件，钢柱对接、斜撑对接采用所有焊接位置为焊工都要设置作业平台。

2.5.2 现场厚板焊接操作工艺

厚板焊接包含盖面层、填充层与打底层，各自焊接工艺要求不同。

对接接头根部焊接中，从焊口中线最低处10mm 处向构件口中心线最高处起弧约10mm，封半个焊口的底焊后，用角向磨光机对前半部始焊与收尾处修磨，确认为缓坡状且没有熔合现象后焊另一半，从前一半焊缝进行始焊起弧并向结束处焊缝，封底焊接整个箱型管口[4]。焊接根部时，应对方钢管坡口及衬板部分熔合予以密切关注，并控制在3～3.5mm 范围的焊肉。

填充焊接前，需将坡壁上粘连的粉尘和首层焊后焊道凸起部分剔除，细致查验坡口边沿是否存在凹陷夹角或未熔合的情况，若有则结合角向磨光机处理，切忌对坡口边沿构成损伤。时刻维持焊缝层间温度为120℃～150℃，焊接过程需要着重突出连续性，针对施焊中开展清洁焊道或修理缺陷等作业时必须进行停焊从而降低层间温度的情况，应当结合加热工具加热，确保与规定值相符合后方可继续焊接。与盖面临近时，应预留1.5～2mm 的均匀深度，方便盖面时可对两侧熔合情况观察。

采取小直径适中焊条的电压和电流值，坡口两边需要维持稍长的熔合时间，垂直与斜固定口应实施多层多道焊，水平固定口无需进行多道面缝，贯彻落实多道焊接原则的实施，严格管控焊缝超宽的情况，保持余高0.5～3.0mm。焊接面层时，要想规避焊道过后引起过大的焊缝余高情况，焊接所用的焊接电压应适当偏大。为避免焊缝内金属增加含碳量，清理焊道时尽可能规避碳弧气刨的使用，防止刨后有无法清除的高碳晶粒附着在焊道表面从而增加焊缝含碳量并引起裂纹的情况。

2.5.3 高强螺栓安装

吊装前清除干净摩擦面的浮锈、油污和尘土，保持整洁、干燥，切忌有污垢、焊疤、毛刺、飞边、氧化铁皮或焊接飞溅物等存在。若有，需借助钢丝刷清理干净，促进其抗滑移系数的提高。作业不得在雨天进行，雨后作业需提前利用压缩空气吹净，确保干燥后才可开展。

初拧螺栓：选择经标定合格的扭力扳手紧固高强螺栓，紧固时拧紧螺母即可。为促进紧固工作开展有序性的提升，并确保能够螺栓应力分布均匀且正确，需要按照规定的顺序施拧。建议从螺栓群中央顺序出发向外拧紧，且终拧也需要在当日完成。调整扳手扭矩值为70%的终拧扭矩。将螺栓紧固至初始扭矩值，标记完成初拧的高强度螺栓。

终拧螺栓：调整扭力扳手扭矩值为规定值，将螺母紧固至最终扭矩。高强度螺栓经终拧后，需量初拧标记清除，并标记好终拧。

检查扭矩：标记待检查的螺栓头和螺母，调整扭力扳手为平均后对扭矩检查。最终拧紧螺帽的状态下，结合平均对扭矩检查并继续将螺母拧紧。

3 工程施工进度保证措施

（1）细化保障施工进度的技术、设备、材料、劳动力及内外部关系协调等措施；（2）加强宣传教育、明确工期目标[5]。设备操作人员和起重工等特殊工种必须持证上岗；（3）施工方案一定要提前编制，审核批准后方可实施，杜绝无方案施工；（4）施工进度采用网络计划技术，编制施工进度网络计划，对施工进度实施动态管理，及时根据实际情况调整和控制进度；（5）主要设备要采取招标方式采购服务，必须严格按照方案中明确的设备型号选取，提前签订协议，设备进场要严格按规定检查设备文件和实物，确保设备能安全使用；（6）钢结构主要钢构件都是由公司下属的制造中心加工，必须提前开工，严格按检验流程进行检查和验收，确保到场构件都能符合图纸要求。其他采购材料由公司采购，严格按照中交采购流程，材料到现场及时按要求取样送检；（7）和劳务单位签订劳务合同，确定各阶段时间和工种数量，尽快做好准备工作，确保特殊工种人员持证上岗，对主焊缝焊接的焊工要进行同位置焊接考试，考试通过人员发放确认合格单，将来持合格单上岗焊接；（8）严格管理现场。畅通场内道路，保证正常的水电供应，确保物资准时到场、机械维持良好状况，避免物资机械出现异常导致停工待料、待机从而对进度构成影响；（9）科学组织施工，针对出现在施工中的问题需要及时协调，优化组合资源，突出施工均衡性，保证施工不间断人工连续施工，促进劳动生产效率的提升，确保工期目标按时完成。通过施工顺序的科学安排，合力展开工作面，突出重难点，以配合安装工期为宗旨严格开展技术管理等工作。

4 结论

本工程通过对上、下连体钢结构工程施工顺序与方案及工程施工进度保证措施等关键技术分析。在明确上、下连体钢结构施工顺序并完成相关计算的基础上，拟定下连体施工和上连廊桁架段拼装提升方案，研究包含焊前准备、现场厚板焊接操作工艺和高强螺栓安装的现场焊接工艺，并提及工程施工进度保证措施。通过本文研究，可在保证施工安全，技术可靠的基础上，满足工期进度要求，提高综合经济效益，能为连体复杂钢结构工程施工提供一定的借鉴意义。