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超高層鋼結構安裝技術

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]
中國國際貿易中心三期工程主樓高330m，是目前北京最高的單體鋼結構建筑，它獨特的伸臂桁架設計將核心筒和外框筒結構牢固地連接成一個整體，結構的四個外立面均向核心簡內傾斜。
    關鍵詞：超高層鋼結構安裝技術
    摘要：中國國際貿易中心三期工程主樓高330m，是目前北京最高的單體鋼結構建筑，它獨特的伸臂桁架設計將核心筒和外框筒結構牢固地連接成一個整體，結構的四個外立面均向核心簡內傾斜。節點構造復雜，施工場地狹小，對構件吊裝、測量定位、變形控制及施工管理的要求非常高，需要有先進的管理水平以及施工技術和施工措施。
    關鍵詞：超高層；鋼結構；鋼柱；桁架；安裝
    中國國際貿易中心三期A階段工程主樓建筑高330m，地下4層，地上74層，總建筑面積為28萬?，主樓建筑面積20萬?，用鋼量達5萬t，鋼構件數量約為2．7萬件。在安裝過程中使用高強螺栓47萬套，壓型鋼板17萬?．栓釘241萬套。
    主樓地面平面外輪廓尺寸在地面層約為55-3 mx55．3 m，至73層時收到約44 mx44 m，塔樓從底部到頂部向內傾斜11．3m。核心簡與周邊框架柱的間距為16～10m,外框柱間距56層以下辦公區為4．2m，56層以上旅館區為5．6m(表1)。

    主樓由外框筒和核心簡兩部分組成。外框筒鋼柱
    由中間腰桁架分三次調整斜率向內側傾斜。外框筒與和核心筒之間除一般的平面連接外，還有分別在28—29層、54—56層兩道伸臂桁架連接，形成整體的鋼結構體系(圖1)。

    國貿三期主樓鋼結構主要構件為重型鋼柱、超大異型鋼柱、巨型斜柱、直柱、單層鋼板墻、雙層鋼板墻、鋼梁、斜撐和巨型伸臂桁架。單節鋼柱最重達60t，有箱形、H形、異形等多種截面形式，核心筒鋼柱截面最大截面為3 710mmx2550mm，由多個H形、箱形等組成的復雜異型截面。
    工程主要采用Q345C、Q345GJC和Q345GJD等鋼材，其中Q345GJ鋼材采用正火或控軋狀態交貨，除腰桁架和伸臂桁架外，所有鋼材均滿足0℃時的沖擊功不小于34j，腰桁架和伸臂桁架的鋼材需滿足-20％時的沖擊功不小于34j。40 mm以上鋼板均有Z向性能要求。現場焊接70％為高強厚板焊接，焊接母材強度高，焊接量大，焊縫長，焊接收縮變形大，焊接質量要求高。如何控制變形和應力消除，將直接影響結構安裝成型，特別是雙向傾斜重型鋼柱的空間位置及雙鋼板墻的安裝焊接。
    1工程重點和難點
    1．1計算結構安裝誤差預調正分析
    國貿三期屬于超高層建筑，其構件有著大型化、異型化的特點，導致其施工技術和施工精度要求都非常高，所以本工程的結構施工計算分析和施工誤差調整分析尤為重要，這是本工程施工最關鍵的技術措施之一。因此首先要保證結構施工計算的正確性，其次確保施工誤差調整的可控性。
    本工程各項施工方案在實施前都運用結構分析軟件進行了大量的結構施工虛擬計算分析，為防止安裝過程中產生較大誤差而制定了行之有效的措施。
    1．2傾斜鋼柱安裝穩定性控制
    在吊裝過程中，傾斜鋼柱構件本身帶有雙向傾斜角度，屬于非穩定體系，安裝精度和安裝技術要求高。
    為保證鋼柱開始安裝時的穩定性，采用多臺塔吊同時進行協作吊裝。為了多塔近距離協作的安全施工，不僅聘用技術過硬經驗豐富的信號工進行指揮，而且所有構件的安裝角度位置、連接形式等都通過計算機進行預先計算，并通過專家論證。
    1．3大噸位異型柱吊裝就位
    本安裝工程中最重的鋼柱達60 t，而且鋼柱截面復雜、不對稱，這些都對構件吊點重心的選擇、起吊、就位等造成困難，極易造成構件起吊后，構件的安裝面不在同一水平面，增加了施工過程中的安裝難度。
    通過對核心筒非對稱特重構件分析計算，找出構件中心，合理布置吊耳，并采用多繩多吊點滑輪組吊裝．保證鋼柱準確就位。根據現場布置塔吊的起重性能，部分重型鋼柱吊裝需要使用兩臺吊車進行吊裝：一臺主吊，另一臺輔助吊裝。
    1．4鋼板剪力墻的吊裝與安裝
    本工程在15層頂以下核心筒內剪力墻放置鋼板剪力墻，但由于鋼板剪力墻長細比較大，剛度較小，在構件單體起吊時產生變形。同時，由于鋼板剪力墻與核心筒鋼柱連接形式有兩種：即超長焊縫的焊接和高強螺栓連接。超長焊縫易產生焊接變形，高強螺栓的一次穿孔率很難保證。
    為避免吊裝時構件產生吊裝變形，在吊裝時采用雙機抬吊遞送法。為保證螺栓的一次穿孔率，采用加工廠和現場各鉆一半的孔。
    1．5伸臂桁架高空拼裝精度的保證
    本工程伸臂桁架整體重量大，現場塔吊無法進行整體吊裝，同時伸臂桁架又直接受內外簡不均勻沉降影響，這要求現場安裝精度高。
    為保證伸臂桁架的安裝精度，現場構件起吊前，在地面上由專人對構件進行詳細的構件檢查，與圖紙進行仔細核對。同時為將日后伸臂桁架受內外簡不均勻沉降的影響降至最低，不僅由專家論證制定了行之有效的專項方案，而且在安裝過程中全程測量檢測，并在日后分階段復測起變化值。
    1．6腰桁架高空拼裝精度的保證
    本工程中四道腰桁架均跨越多層，桁架支撐多。截面大。為保證腰桁架的安裝精度，除了加工廠對桁架全部進行預拼裝以外，現場構件起吊前，將構件與圖紙仔細核對。同時制定行之有效的專項方案，并通過專家論證。腰桁架安裝以中心軸線對稱向兩邊安裝，安裝過程全程進行測量跟蹤。為保證結構整體幾何尺寸的準確，在最后一根鋼柱就位后，再次進行復測，按現場實際尺寸對最后一根鋼梁進行現場測量加工的方法安裝，保證桁架的安裝精度。
    1．7施工平面布置
    由于本工程施工現場場地狹窄，而鋼結構安裝作業面廣，構件的現場運輸和起吊區設置受場地限制。
    根據國貿三期現場場地的大小、主樓鋼結構的構件重量分析以及吊裝設備回轉所需的空間，在主樓的頂部選擇了一臺澳大利亞生產的內爬式M760D動臂塔吊和一臺M440D動臂塔吊，分別負責整個吊裝區域的吊裝，各塔吊隨主體鋼結構的安裝上升而爬升。
    為解決構件運輸和臨時堆放，滿足現場最大塔吊的起重性能，在主樓的南側設置了一臺外附著中升ZSL750動臂塔吊，在主樓西側料場設置一合K50／50塔吊．


    2．2總體安裝順序
    2．2．1豎向施工順序
    鋼結構總體豎向施工順序為核心筒施工先行．緊跟著的是外框筒施工，內外筒始終保持相差3.6層高度；然后是焊接施工、壓型鋼板鋪設、混凝土澆筑等工序，形成流水施工，保持6—10層的施工節奏。
    2．2．2平面施工分區
    (1)標準層平面分區
    標準層平面共分8個施工區，其中西北側為M440D塔吊施工區，東南側為M760D塔吊施工區，現場兩臺塔吊同時吊裝，施工順序為第一施工區_第二施工區一第三施工區_+第四施工區(圖3)。
    (2)核心筒平面分區 ．
    核心筒部分鋼結構施工分為A、B、C、D四個區域進行吊裝，其中A、B兩個施工區為M440D塔吊施工區．C、D兩個施工區為M760D塔吊施工區。
    (3)腰桁架平面施工順序及分區


    本工程腰桁架結構復雜，而且構件立面方向帶有雙向角度，根據現場實際情況和構件分段情況綜合分析，決定將腰桁架部分施工平面分為8個施工區，現場兩臺塔吊各負責四個施工區域，同時吊裝，總體安裝順序為從結構中部向兩側，施工區域順序為第一施工區一第二施工區一第三施工區一第四施工區。
    2．3主樓主要節點處理
    2．3．1外框筒
    周邊框筒平面為削角的正方形，外輪廓尺寸在地面層約為55．3 m，至73層收到約44 m。周邊框簡在旅館層(即57層以上)的柱距為5．6m，而在其他樓層(桁架層和底部巨型斜撐處除外)柱距均為4．2 m，盡量提高框筒結構的整體剛度。
    為使周邊框筒能更有效地承擔底部剪力，減輕核心筒底部的負擔，同時滿足塔樓地面入口處大開間的需要，在1-5層設置巨型支撐外簡。此支撐外簡之上為6-7層的腰桁架與上部框筒連接，在地面層亦設置深1m的型鋼混凝土梁以提供聯系和約束。
    考慮到建筑的曲線外形導致框架數目隨高度增加而減少，在6-7層、28-29層及54-56層的機電層處設置3個兩層高的腰桁架，以滿足不同柱網布置。同時腰桁架也增強了框筒的整體抗彎和抗剪剛度，提高了框筒的抗側性能。
    框筒所有柱均采用型鋼混凝土截面。以增加延性及減少鋼材用量。腰桁架的斜桿及所有的框架梁均為H型鋼截面。在外筒鋼柱施工同時，考慮到外包混凝土中鋼筋到鋼柱節點處的處理，在節點處如鋼筋需穿過鋼梁翼緣時，為保證鋼筋在結構上正常傳力，同時又保證鋼結構受力不被削弱，在鋼梁的上翼緣加焊鋼筋連接板，大小由所需要連接鋼筋的長度決定：在節點處如鋼筋需穿過鋼梁腹板時，若為箍筋就在腹板上開孔，若為主筋則同樣在腹板處加焊鋼筋連接板，大小由所需要連接鋼筋的搭接長度決定(圖4)。

    (a)8—27和30一53層頂單鋼骨外框組合柱；（b)
    56—68層頂雙鋼骨外框組合柱
    2．3．2核心筒
    核心筒的外籠尺寸為26．8 mx20．7 m(B3-33層)、23．8 mx20．7 m(33-57層)禾N20 mx20 m(57-73層)。核心筒周邊框架為型鋼混凝土(SRC)巨型柱和實腹式工字型鋼梁及支撐形成的支撐框架，16層以下墻體中還有鋼板剪力墻。SRC柱有L形和矩形，內含2～5支型鋼截面。57層以上核心筒尺寸有所縮小，同時結構的側向剛度中外框架承擔的份額增大。為減小承臺厚度并改善承臺內力分布，在B3-1層核心筒四角各有兩片鋼板翼墻，長度由上至下逐層增加(圖5)。
    2．3．3腰桁架及伸臂桁架連接節點
    腰桁架為H型鋼截面組合而成的立面桁架。根據腰桁架的設計節點、工廠制作條件、構件運輸條件、施工現場場地條件、現場其重機械性能等多方面對比。綜合分析，并與有關專家論證后，將腰桁架分段成多個散

    (b)
    圖5核心筒典型節點示意
    (a)用于翼緣垂直的支撐斜桿；(b)鋼梁與鋼支撐連接節點
    (c)用于腹板垂直的支撐斜桿件進行制作、運輸、安裝。腰桁架的散件現場安裝采用腹板高強度螺栓連接和翼緣焊接連接的方式。伸臂桁架與該層的腰桁架相連，因而每個伸臂桁架可以將傾覆力同時傳于兩邊支柱。
    在28-29層頂及54-56層頂之間均設有伸臂桁架。此伸臂桁架可以更好地發揮周邊框筒抵抗側向力的作用，減少核心筒整體受力(圖6)。
    為避免伸臂桁架施工完成后被內外不均勻沉降所產生的內力拉壞，故在伸臂桁架兩端連接處做長孔。先用銷軸連接，然后階段性觀測，待內外筒沉降差變化很小，核查無誤后，再進行最后的焊接。
    腰桁架典型節點見圖7，伸臂桁架連接節點見圖8。
    2．4安裝方法
    2．4．1雙向傾斜巨型鋼柱
    巨型鋼柱的安裝使用現場的兩臺動臂塔吊和外附著動臂塔吊輔助進行安裝。由于巨型鋼柱雙向傾斜，而且大部分屬于超重構件，傾斜角度較大，安裝開始時采用三臺塔吊同時作業，當安裝出一個節間后就可以根據巨型鋼柱所安裝的位置，采用一臺塔吊為主吊．另一臺塔吊為輔吊，兩臺塔吊同時作業。

    圖6腰桁架及伸臂桁架示意
    (a)28-29層；fb)54—56層

    圖7腰桁架典型節點示意
    (a)L1、L69層；Co)LS-L6層；(c)L8層；(d)L7層；(e)L30層-；(t)L28-L29層
    (g)L29,L55層；(h)L56層
    總體安裝順序共劃分了8個流水段施工，平面施工順序為從各個立面中心向四周擴散安裝，具體單元體安裝如下。
    (1)先將側立面中間的鋼柱吊裝就位。同時安裝
    此鋼柱與核心筒支撐的鋼梁，以支撐外筒斜柱向內側傾斜(圖9)。
    (2)吊裝與已就位的鋼柱最近的一根鋼柱。因為

    巨型斜柱在就位后為傾斜狀態，其重心在構件外，為保持鋼柱吊裝時的平衡及就位后鋼柱的穩定，所以安裝時將兩鋼柱間的鋼梁與鋼柱用安裝螺栓暫時連接并同時起吊。就位時，連接鋼柱柱腳的臨時連接耳板和隨鋼柱同時起吊的兩鋼柱之間的框架梁(圖10)。
    (3)將第二根就位鋼柱與核心筒之間相連的鋼梁安裝完畢，以便形成框架，使已安裝的構件穩定。此時第一個節間安裝完畢。在安裝過程中兩鋼柱上的吊鉤一直未摘，此時可以進行摘鉤(圖11)。
    (4)向已安裝完成的節間左右逐漸擴散安裝。一臺塔吊吊裝鋼柱，同時另一臺塔吊進行此鋼柱與核心筒相連的鋼梁和與已安裝完成的節間相連的鋼梁安裝(圖12)。 ’
    (5)兩個相連側立面安裝完畢(圖13)。
    (6)對兩個已安裝完畢相連側立面之間的角柱及角柱之間的鋼梁進行安裝(圖14)。



    圖13巨型柱安裝步驟五
    2．4．2大噸位異型柱
    核心筒內的結構柱由13種異型截面鋼柱組成。最重的單根單節達60t，截面為3 710mrnx2550ram。根據鋼柱重量采取不同的卸車、倒運方法。

    這種大噸位異型柱的吊裝，鋼柱截面復雜不對稱．對構件吊點重心的選擇、起吊、就位等都相當困難。而且由于核心簡鋼柱截面復雜多樣且不對稱，鋼柱測量校正點較多，整體標高軸線及垂直度調整難度大，極易造成構件起吊后，構件的安裝面不在同一水平面．不但給構件的高空安裝增加了極大的危險系數，同時也增加了施工過程中的安裝難度。
    為保證鋼柱在高空就位后的垂直調整，在吊裝前對每一根異型鋼柱都進行認真計算，放置吊耳，以確保構件安裝精度。
    2．4．3鋼板墻
    本工程在核心筒鋼柱之間設置單(雙)鋼板墻，單鋼板墻采用螺栓連接，在核心筒四個角位置設置了雙鋼板墻，雙鋼板墻采用焊接連接，其中單鋼板墻一塊連接板螺栓最多達100顆，施工難度大，而雙鋼板墻最長一條焊縫為16m。
    鋼板剪力墻的分段原則是：根據現場實際情況、塔吊起重能力及構件運輸車的運輸能力分段，經過計算，鋼板剪力墻均不超重，故寬度不超過3 m的均可采取汽車公路運輸。
    寬度不超過3 m的鋼板剪力墻，制作時與鋼梁一體拼成三層一整體；寬度超過3 m的鋼板剪力墻，分段制作為高度方向不超過3 m的構件。
    所有鋼板剪力墻均在夜間進行卸車，所有鋼板剪力墻構件均可以單機卸車，卸車使用四個吊裝夾具均勻抬吊卸車，卸車后擺放在主樓西側料場。
    鋼板剪力墻在起吊時，根據要起吊的鋼板墻所要安裝的位置選用相應塔吊作為主吊進行吊裝，為避免起吊時鋼板剪力墻因自重而變形，鋼板剪力墻以雙機遞送的方式起吊，后由主吊塔吊提升，直至鋼板剪力墻提升至垂直后將輔助遞送塔吊摘鉤，由主吊進行安裝。
    鋼板剪力墻吊裝就位后，先由提前焊好的防滑鐵固定在其安裝位置(圖15)。在核心簡鋼柱之間的單(雙)鋼板墻采用螺栓連接，在核心筒四個角位置的雙鋼板墻采用焊接連接。為保證高強螺栓的一次穿過，在加工廠只鉆一側連接板的孔，另一側根據現場鋼板剪力墻安裝就位后將兩側孔眼的實際數據在鋼板剪力墻的連接板上放樣，由現場的鉆孔設備進行現場鉆孔(圖16、17)。

    2．4．4腰桁架
    腰桁架的吊裝采用雙塔同時配合作業，一臺塔吊吊裝鋼柱，同時另一臺塔吊輔助吊裝鋼柱與核心筒連接的鋼梁，保證鋼柱在結構內外方向有固定的支撐，保持穩定。另外使用纜風繩將鋼柱框架方向拉住，保持鋼柱雙向傾斜穩定。然后繼續向兩側依次安裝鋼柱，直至安裝完畢。具體安裝順序如下。
    (1)首先安裝中間的蝶形桁架構件，同時連接其與核心簡的連接鋼梁(圖18)。
    (2)繼續向兩側擴散安裝蝶形桁架柱，同時連接其與核心筒的連接鋼梁(圖19)。


    (4)當兩個立面的桁架安裝完畢后，進行這兩個面之間的角部桁架安裝。用此方法直至桁架全部安裝完畢(圖21)。

    3結束語
    在國貿三期工程的施工中，遇到并解決了許多普通超高層鋼結構施工中沒有出現過的問題，尤其是針對傾斜結構的安裝、鋼板墻的安裝、腰桁架的安裝等一系列施工技術。將是對我國復雜高層鋼結構施工技術的有力補充，同時對國內建筑鋼結構行業的持續發展具有相當積極的作用。

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