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俄羅斯聯邦大廈轉換層鋼結構施工技術

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:20 [收藏]
摘 要：本文著重從轉換層鋼結構的預拼裝、吊裝、高強螺栓施工、測量等方面來闡述俄羅斯聯邦大廈工程鋼結構施工工藝，并通過圖文來記述實際施工過程。
    關鍵詞：
    一、工程概況
    俄羅斯聯邦大廈A塔為93層鋼筋混凝土結構（340m），該工程為歐洲第一高樓（448m），世界第一高的混凝土為主體結構的高樓（創造了吉尼斯世界記錄）。為了側面承重和結構墻分壓，在32～36，46～50和60～64增加技術轉換層（加強層）采用嵌入式鋼結構，將核心筒與周邊柱子相連（外伸臂桁架），并將周邊的柱子也連接起來（帶型桁架）。32-36層轉換層鋼結構外圍帶狀桁架3榀，外伸臂桁架6榀，傳遞桁架2榀，共計11榀桁架，核心筒內外伸臂桁架有4根。鋼結構總重約為11000噸。結構連接：生根于混凝土樓板上的30根落地立柱，采用將支撐板與地腳螺栓連接整體預埋于混凝土中，轉換層安裝時立柱與支撐板焊接的方法；其余所有構件全部為12.9級高強度螺栓連接。高強螺栓總數為62020顆。本工程第一道轉換層鋼結構位于32-36層之間 ，轉換層鋼結構分為外圍帶狀桁架和核心外伸臂桁架兩部分，轉換層鋼結構安裝使用一臺FAVCO M600D、一臺LIEBHERR 355HCL和一臺LIEBHERR 160HCL 塔式起重機進行分段高空散拼。整體安裝順序為首先安裝核心部分然后安裝外圍部分，結構安裝順序為先安裝立鋼柱，然后安裝桁架下弦桿件，再安裝斜腹桿，最后安裝上弦桿件。


    二、工程特點及關鍵技術
    （一）工程特點
    本轉換層鋼結構平面形狀為三條弧線組成曲面形狀，主要構件重量較大(少部分構件單機吊裝不可實施)、跨度較大、高度高（13m），整個轉換層構件的連接為高強螺栓連接，要求構件制作和安裝精度高，施工難度大。
    （二）工程難點及關鍵技術
    1．超厚鋼板焊接
    本工程最厚的鋼板為125厚，為盧森堡阿賽羅廠家制作，鋼材的含碳量較高，對焊接不利，所以厚板焊接是本工程的難點之一。

    2．桁架預拼裝
    本工程桁架基本連接均為螺栓連接，所以構件的加工和安裝的精度要求很高，所以桁架必須每榀進行預拼裝來保證桁架整體的安裝精度。
    3．支撐架安裝
    由于桁架下弦有局部節點為斷開設計，需要下部做臨時支撐來進行構件的固定。在桁架安裝準備階段需要按桁架斷開位置安裝支撐架。

    4．高強螺栓的安裝
    本工程大部分節點均為高強螺栓連接，共需66000套12.9級M27高強螺栓，所以高強螺栓的連接質量也是本工程的關鍵。

    三、施工方法
    （一）施工依據：
    鋼結構施工圖紙KM2（設計院7月23日簽發）、加工廠構件加工圖、轉換層鋼結構施工方案與《支撐與維護結構》第四章。
    （二）施工步驟：
    柱腳組件預埋→安裝桁架鋼柱→纜風繩和柱腳臨時固定→支撐承重架的固定→安裝桁架下弦→安裝斜腹桿→安裝桁架上弦→形成穩定體系

    （三）地腳螺栓預埋
    1．地腳螺栓安裝準備
    地腳螺栓工廠制作完畢后提前運至施工現場，待土建結構施工到該樓層標高位置后，進行預埋。將地腳螺栓定位軸線測放到安裝位置附近的模板上,將標高測放在柱鋼筋上。
    2．地腳螺栓安裝方法
    31層混凝土柱剪力墻施工到32層地面標高116.971m以下750mm（即埋件組件的安裝位置）時暫停豎向混凝土施工，在該位置預埋鋼板埋件，作為地腳螺栓臨時支撐及固定板。使用經緯儀測量確定埋件安裝軸線位置。將地腳螺栓組件使用塔吊吊裝至安裝位置就位使用經緯儀測量確定地腳螺栓組件安裝定位軸線，使用經緯儀測量確定地腳螺栓組件安裝軸線，水準儀測量確定地腳螺栓組件安裝標高。地腳螺栓組件測量定位后，將其與臨時定位鋼板點接固定，以保證在澆注混凝土施工過程中的穩定可靠。

    （四）轉換層桁架安裝
    1．安裝準備
    立柱安裝前，對進場的立柱進行進場驗收，仔細檢查立柱的長度、高度、截面等幾何尺寸及工廠焊縫等質量問題，驗收合格后方可進行安裝。根據圖紙設計要求立柱與柱腳板為分開，為了對立柱進行臨時固定，保證立柱安裝過程安全穩定，采取連接角鐵的形式進行臨時固定。
    鋼柱柱腳連接板設計


    （2）立柱安裝
    本工程立柱使用現場安裝的塔吊進行安裝，吊裝時鋼柱帶一側的連接板，鋼梁帶另一側連接板。





    （3）鋼柱測量校正


    2．操作架搭設
    腳手架分兩種，在弦桿連接位置采取承重結構體系，在承重結構和節點之間搭設作為施工人員行走及操作的平臺。操作腳手架將整個轉換層11榀桁架連接起來，以便于施工人員操作及行走。安裝操作架平面位置具體見下圖：


    3．轉換層桁架下弦安裝

    4．繼續搭設安裝操作架

    5．轉換層桁架斜腹桿及小立柱安裝

    6．轉換層桁架上弦安裝

    （五）高強螺栓保管
    1．高強螺栓在運輸、保管及使用過程中應輕裝輕卸，防止損傷螺紋，發現螺紋損傷嚴重或生銹的螺栓不得使用。
    2．螺栓連接副應成箱在室內倉庫保管，地面應有防潮措施，并按批號、規格分類堆放，不得混批使用，高強螺栓連接副包裝箱底層距地面高度30mm，架兩道方木，一層50木板，堆放高度不大于6層。
    3．高強螺栓在使用前不得開箱，以免破壞包裝的密封性，開箱后取出部分螺栓后也應原封包裝好，以免沾染灰塵。
    4．高強螺栓連接副在安裝使用時，工地應按當天計劃使用的規格和數量領取，當天安裝剩余的螺栓應妥善保管。
    5．在使用過程中應注意保護螺栓，不得沾染泥砂等臟物和碰傷螺紋，在使用過程中發現異常情況，應立即停止施工，經檢查確認無誤后再進行施工。
    6．螺栓倉庫應有專人負責發放，并做好螺栓發放記錄。
    7．高強螺栓的領用應分節點按規格、型號分批進行，一次不可領用過多堆放到室外，防止螺栓亂用、丟失；
    8．施工中的高強螺栓應和臨時螺栓分別堆放管理，切忌混淆使用。
    （六）高強螺栓施工方法
    本工程采用12.9級大六角頭型高強螺栓，采用專用扭矩扳手施工。
    1．高強度螺栓及連接板數量統計（按施工分區）

    2．結構安裝初期采用安裝螺栓進行臨時固定，安裝螺栓采用10.9級M27高強度螺栓，安裝螺栓使用數量為連接節點螺栓群數量的1/2，安裝銷子至少為連接節點螺栓群數量的1/10。待結構測量校正完畢后再將安裝螺栓換為12.9級M27高強度螺栓。
    3．高強螺栓替換時，應先補穿未裝螺栓的螺栓孔，然后逐條替換臨時螺栓。螺栓的穿入方向盡量一致，品種、規格要按照設計要求進行安裝。
    4．高強螺栓安裝應能自由穿入螺栓孔，嚴禁強行穿入，如不能自由穿入時，該孔應用電動磨頭進行修整。
    5．高強螺栓施工時分為初擰和終擰兩個步驟，初擰時主要為消除扳間間隙，初擰的力矩一般為終擰力矩的50%～70％左右。初擰合格后應做出標記，如下圖：


    6．高強螺栓初擰完畢，用專用工具進行終擰，不得用終擰扳手代替初擰扳手使用。終擰的次序從中間向兩邊或四周對稱進行，不得出現漏擰現象。同一高強度螺栓初擰和終擰的時間間隔，要求不得超過一天。
    7．高強螺栓終擰完畢，應及時進行螺栓的檢查驗收工作。
    8．制作廠制作時在節點部位不應涂裝油漆，終擰檢查完畢的高強度螺栓節點及時進行油漆封閉
    9．高強度螺栓施工順序
    高強度螺栓安裝依據安裝施工順序依次進行，根據轉換層鋼桁架結構特點及施工分區，將高強度螺栓施擰分為七個區域進行施工。

    高強度螺栓施擰時，采取從中心向四周擴散的原則進行。本工程節點復雜的多組螺栓群組合體系，我們將鋼柱作為施擰節點中心部分，以此向四周擴散施擰，保證高強度螺栓施擰質量及連接板頂緊面的完全貼緊。
    轉換層高強度螺栓整體施擰順序
    針對本工程螺栓節點的復雜多樣，經與專家及多次討論確定螺栓施擰順序為先施擰鋼柱部分螺栓群，然后施擰上下弦螺栓群，最后施擰斜腹桿部分螺栓群。


    單個高強度螺栓群施擰順序

    （七）厚板焊接的施工工藝
    1．對高強度厚板的焊接結構和接頭應進行認真分析，盡可能避免板厚方向承受較大的焊接收縮應力，加強與設計單位溝通，必要時改變接頭板厚度方向上的傳力方向，避免層狀撕裂。
    2．板厚方向承受較大焊接應力的焊透T型接頭，下料后裝配前對翼板進行UT檢查，確保厚板內無分層或其它層狀雜質，避免層狀撕裂產生。
    3．嚴格控制厚板構件的裝配和焊接順序，確保接頭的焊接應力最小。通過對構件拘束度的水平計算和推算出厚板待焊接接頭的應力水平和狀態，根據焊接接頭應力或拘束最小原則，確定厚板接頭的裝配和焊接順序。
    4．嚴格控制高強度厚板焊縫中的含氫量水平，使焊縫含氫量處于H4的狀態以下。通過嚴格篩選焊接材料確保含氫量處于低水平；嚴格清除接頭周圍的鐵銹和油污等雜質，減少焊縫氫的來源；避免直接在雨、雪及空氣濕度較大的環境下施焊，避免水分和氫的直接侵入；嚴格控制焊接預熱和層間溫度，避免鋼材本身的水分侵入焊縫并使焊縫中氫能充分溢出。
    5．嚴格控制焊接接頭的淬硬性。焊接施工時控制預熱和層間溫度，焊后采取緩冷和后熱處理。承受拉應力的對接焊縫進行焊后熱處理。
    6．嚴格控制厚板焊接接頭的熱輸入（線能量），避免焊接接頭的淬化。開工前作好焊接工藝評定和試驗，優選焊接材料和焊接工藝參數范圍，根據合格的工藝評定報告（PQR）制定厚板焊接工藝規范（WPS），按照（WPS）的要求進行車間厚板施焊，確保接頭的性能結合優良。
    7．選擇有厚板焊接經驗的優秀焊工擔任厚板焊接工作，選擇有經驗的焊接檢驗員進行厚板結構的焊接檢查和控制。
    8．厚板焊縫工藝保證措施


    四、測量控制方法
    本方案為轉換層鋼結構測量專項方案。結構型式復雜，根據工程涉及圖紙和工程本身的具體情況，結合俄羅斯當地的測量工作習慣，遵照當地的施工測量規范（СНиП 3.01.03-84），參考中國相關測量規范，編制本工程鋼結構施工測量方案。
    （一）軸線豎向傳遞施工測量
    31層樓板施工完成后，依據已有內部測量控制點引測到施工作業面。內部控制點引測使用鉛直儀進行，通過在內部控制點上架設鉛直儀，對中、精密整平。在施工層用有機玻璃板制作的接收靶接收。控制點引測完成進行校核角度和尺寸關系，符合要求后作為施工層地腳螺栓預埋、鋼柱校正控制線定位的依據。



    （二）高程施工測量
    高程的豎向傳遞，依據地下三層A9A柱-12.450m為基準采用懸掉鋼尺與水準尺相配合的方法進行，直至達到需要投測標高的樓層，并作好明顯標記。所在樓層必須保證3個高程控制點。
    施工層螺栓預埋、鋼柱校正之前，應先校測傳遞上來的高程控制點，當較差小于3mm時，取其平均高程引測水平線。抄平時，應盡量將水準儀安置在測點范圍的中心位置。

    （三）測量儀器設備

    （四）地腳螺栓測控
    地腳螺栓的埋設正確與否是鋼結構吊裝過程中的一個重要環節，包括地腳螺栓的安裝就位、澆筑混凝土過程中與混凝土凝固后偏差的測量。
    準備工作：安裝地腳螺栓前，在地腳螺栓的鋼板上刻畫“十”字中心線；鋼筋綁扎完成后，在鋼筋上準確投測地腳螺栓理論“十”字中心線；地腳螺栓附近利用高程控制網引測高程點。
    地腳螺栓安裝測控：首先將地腳螺栓擺放在鋼筋上，并使地腳螺栓鋼板上刻畫的“十”字線和鋼筋上投測的理論“十”字中心線完全吻合，地腳螺栓中心線方向上架設2臺全站儀，準確指揮地腳螺栓的安裝就位；利用水準儀指揮調整地腳螺栓的高度。重復上述過程，直至地腳螺栓的平面位置及高程都達到規范要求為止。然后固定螺栓并焊牢，同時記錄偏差數據。砼澆注過程中，在地腳螺栓縱橫兩個方向架設全站儀，對螺栓進行監測校正。砼凝固后將放樣出地腳螺栓十字中心線，并再次測量螺栓偏差，作為鋼柱就位的依據。

    （五）鋼柱安裝測控
    柱子的安裝工序：構件偏差檢查、構件刻畫中線、軸線控制線引測、標高控制線引測、構件就位（調整標高、調整位置同時調整上柱和下柱的扭轉）、調整垂直度。如果不按這樣的工序調整，會很費時間，效率很低。
    準備工作：根據軸線控制點，將軸線投測到地腳螺栓附近，并作出明顯標記；在加工好的鋼柱側面畫出與地腳螺栓 “十”字線（或下節柱的控制線）對應的控制線；在首節鋼柱安裝時，在地腳螺栓附近引測細部高程控制點。
    鋼柱校正：測量校正時，用兩臺全站儀分別架設在鋼柱縱橫軸附近，但偏離的角度應不大于15度。離柱的距離約為1.5倍柱長。校正時先瞄準柱子下部的控制線，全站儀照準部固定后，再仰視柱頂部控制線；如果重合，則表示這個柱子在這個方向上就是豎直的，如果不重合，應進行調整，直到相互垂直的兩個方向都符合要求為止。每根鋼柱就位時除了要校正垂直度外，還要對柱底的標高進行調整，通過調整柱底的螺母對每根柱的高程進行調整，保證鋼梁的準確就位。


    用纜風繩或支撐校正鋼柱時，在松開纜風繩或支撐時，柱子能保持0位移狀態，才能算校正完畢。如果纜風繩和支撐的力量很大，柱子就有很大的安裝內力，松開纜風繩或支撐。柱子的位置就會發生變化，這樣也會使結構產生較大的變化，此時不能算校正完畢
    標高控制測量：鋼柱標高控制測量主要是控制各根鋼柱的柱頂標高，將水準儀架設在施工層上，采用中絲讀數法，進行柱頂標高測控。

    （六）桁架與鋼梁安裝測控
    首先平面解析出桁架結構與軸線的尺寸關系，采用放大樣的方法將桁架的正投影線，放樣在附著面上，解算出各監測點的坐標。并在桁架附近，刻畫明顯標高控制點，作為桁架豎向就位的標高控制依據。安裝時架設水準儀，實施監控桁架上弦桿件的標高變化。
    對于桁架的測控采用全站儀實時跟蹤測量系統，架好全站儀對中整平后，觀測各點的坐標，和理論值進行比較，計算出偏差值，指導工人安裝。
    鋼梁標高控制使用水平儀觀測梁兩端標高并進行調整。
    （七）整體垂直與整體平面彎曲
    鋼結構整體垂直度和整體平面彎曲，選用鉛直儀配合全站儀的方法，對建筑物進行整體測量。
    （八）鋼柱校正保證措施
    校正用的全站儀事前應經過嚴格檢校，因為校正柱子豎直時，往往只用盤左或盤右觀測，儀器誤差影響很大，操作時還應注意使照準部水準管氣泡嚴格居中。柱子在兩個方向的垂直度都校正好后，應再復查平面位置，看鋼柱下部的中線是否仍對準基礎的軸線。當校正變截面的柱子時，經緯儀必需放在軸線上校正，否則容易產生差錯。當安置一次儀器校正幾根柱子時，儀器偏離軸線的角度最好不超過15°。當夏季氣溫超過25oC或有陽光直射時測量儀器要架設防曬傘，避免儀器受熱造成讀數不準。在負溫度下安裝鋼結構時，要注意溫度變化引起的鋼結構外形尺寸的偏差。如鋼結構在常溫下制作在負溫下安裝時，要采取措施調整偏差。鋼結構制作和安裝用的鋼尺、量具，應和土建施工單位使用的鋼尺、量具用同一精度級別進行檢定。


    五、預拼裝控制
    （一）預拼裝方法
    根據施工順序，將鋼構件劃分成預拼裝單元后，將每個預拼裝單元逐個進行拼裝。根據設計圖紙及拼裝單元形式，桁架拼裝方法采用分單元臥拼。
    1．預拼裝工藝流程
    預拼裝采用工廠吊車作為主要機械，桁架采取臥拼形式進行。因桁架多為帶弧度曲線形式，所以在臥拼期間采取型鋼支架（枕木）作為調節桁架曲線水平標高的支點，待每預拼裝單元所有桿件都就好位以后，對桁架進行整體校正并穿裝安裝螺栓，預拼裝完成，進行驗收，將桁架拆散運輸出廠。預拼裝工藝流程見下圖：

    圖37預拼裝工藝流程

    2．預拼裝步驟





    3．預拼裝原則上盡量拼裝整榀桁架，如果由于場地條件限制，沒有足夠的場地進行預拼裝，可以按下圖方法進行拼裝，但是必須保證最少的拼裝單元不能少于三跨間進行連續拼裝，以保證真正達到預拼裝檢驗工廠制作精度的目的。下面以33TR-1桁架為例進行詳細說明：


    （二）構件預拼裝的質量要求


    六、 結束語
    本工程在鋼結構施工技術上充分運用了混凝土結構來進行柱腳埋設和支撐架、腳手架安裝，這樣既保證鋼結構的穩定性又為鋼結構工序的開展提供作業面，減少了結構體系不穩的因素，確保了工程的整體工期和及經濟效益，為同類工程的施工提供了寶貴的經驗。

    圖46轉換層鋼結構造型初現

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