柔底Y形巨柱斜撐高位轉(zhuǎn)換中的鋼結(jié)構(gòu)無胎架施工技術(shù)

1、柔底y形巨柱斜撐高位轉(zhuǎn)換中的鋼結(jié)構(gòu)無胎架施工技術(shù)蔡繼斌李樹文吳鋼杰余紅福容學權(quán)龍葉天 中建三局集團有限公司成都分公司摘要: 在建筑功能設(shè)計時，為了滿足樓層底部使用大空間和通行道路的需要，高位轉(zhuǎn) 換結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用越來越多，而此類結(jié)構(gòu)體系往往采用復雜的大型鋼結(jié)構(gòu)，具 有構(gòu)件質(zhì)量較大、空間定位復雜、施工難度大等特點。為此，結(jié)合西寧市某工程 實踐，提出了針對柔底y形巨柱斜撐高位轉(zhuǎn)換體系的無胎架施工技術(shù)，很好地 解決了此類復雜空間結(jié)構(gòu)的施工難題，為類似工程積累了經(jīng)驗。關(guān)鍵詞：柔底y形巨柱斜撐高位轉(zhuǎn)換體系;懸挑;鋼結(jié)構(gòu);施工模擬分析;厚鋼板焊接;作者簡介：蔡繼斌(1989)，男，本科，工程師。通信地址：四

2、川省成都市高 新區(qū)府城大道西段399號天府新谷9棟16樓(610041)。收稿日期：2017-09-27free of bed-jig steel struetureconstruction technology for overhead transfering of soft base y shaped huge column diagonal bracingcai jibin l shuwen wu gangjie yu hongfu rong xuequan long yetianchina construetion third engineering bureaugroup co.,

3、ltd.chengdu branch:received： 2017-09-27青海商業(yè)廳大院改造工程裙樓部分由于考慮到下沉廣場和通行道路的要求，地 下1層至地上3層為架空結(jié)構(gòu)，采用了一種柔底y形巨柱斜撐高位轉(zhuǎn)換體系作為 支撐結(jié)構(gòu)，通過3組結(jié)構(gòu)相近的y形四向斜撐鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，支撐裙樓上 部6層樓荷載。針對y形巨柱斜撐高位轉(zhuǎn)換體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過對比分析2 種吊裝方案，根據(jù)場地及結(jié)構(gòu)特點，最終確定采用無胎架高空散拼的施工方案， 依托大型吊車作為安裝機械，通過雙夾板技術(shù)進行構(gòu)件的臨時連接固定，采用 有限元施工模擬分析，在吊裝順序選擇、厚鋼板焊接質(zhì)量控制、高空安全防護方 面進行了重點控制，有效地

4、解決了復雜結(jié)構(gòu)的高位吊裝難題，同時有效節(jié)約了 施工工期及措施費用。1工程概況木改造工程位于西寧市城西區(qū)，由一幢獨立的高層寫字樓及商業(yè)裙樓組成，總 建造面積54 808 mo塔樓地上22層，地下3層，建筑高度99. 70 m;裙樓地上9 層，結(jié)構(gòu)屋面高度43. 60 mo塔樓為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，裙樓則為柔底y形巨柱斜 撐高位轉(zhuǎn)換體系，通過地上4層轉(zhuǎn)換層將主、裙樓連為一體（圖1）。該高位轉(zhuǎn)換體系由3組結(jié)構(gòu)相近的y形四向斜撐鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)組成，豎向 巨柱為1） 1 900 mmx50 mm的鋼管混凝土柱，柱撐節(jié)點、梁撐節(jié)點為鑄鋼件，斜 撐鋼柱為© 1 450 mmx50 mm的鋼管混凝上

5、柱，轉(zhuǎn)換層主梁為口1 000 mmxi 400 mmx30 mmx30 mm鋼管混凝土梁，內(nèi)部澆筑c50補償收縮白密實混凝土（圖2）。 在4層轉(zhuǎn)換層采用箱型鋼梁將主、裙樓連接形成整體，并鋪設(shè)鋼筋桁架模板，總 用鋼量約1 400 to該轉(zhuǎn)換體系具有空間造型復雜、吊裝高度大（35 m）、構(gòu)件 質(zhì)量大（60 t）、空間定位難度大、施工工藝難度大等技術(shù)特點和難點1。圖1建筑效果圖下載原圖圖2高位轉(zhuǎn)換體系三維示意下載原圖2施工難點1）本工程構(gòu)件質(zhì)量大，最大構(gòu)件質(zhì)量60 t,普通塔吊機械無法滿足吊裝要求。2）本工程連接節(jié)點為異形鑄鋼件，加工制作要求高。3）鋼結(jié)構(gòu)主體垂直高度達35 m,結(jié)構(gòu)造型呈樹狀，且單

6、個構(gòu)件質(zhì)量大，構(gòu)件高 空安裝空間定位難度大，安裝精度要求高。4）q390gje-z15鋼管柱厚度為50 mm. zg270-480h鑄鋼件厚度為75 mm,焊接過 程涉及不同材質(zhì)、不同厚度對焊，現(xiàn)場焊接工藝難度大、質(zhì)量要求高，且構(gòu)件懸 挑安裝，需要考慮焊接應(yīng)力對構(gòu)件空間定位的影響。5）本工程高空吊裝與焊接作業(yè)量大，如何保證鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的安全是本工 程的重點。6）施工工況復雜，施工過程受力結(jié)構(gòu)狀態(tài)與結(jié)構(gòu)設(shè)計中不完全一致，施工荷載 對結(jié)構(gòu)變形有較大影響。3解決思路1）采用安全余量較大的260 t吊車進行構(gòu)件吊裝。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式以及后澆帶的 布置，將木工程劃分為塔樓、裙樓兩部分進行獨立施工，至4層

7、進行高空連接， 裙樓筏板基礎(chǔ)施工完成并達到設(shè)計要求后組織吊車進場，將筏板面作為吊裝場 地進行鋼結(jié)構(gòu)的吊裝。2）深化設(shè)計階段借助三維設(shè)計軟件xsteel對各節(jié)點構(gòu)件幾何尺寸、連接方式進 行深化設(shè)計，編制構(gòu)件加工詳圖，用于材料下料、構(gòu)件制作及安裝。3）通過計算懸挑構(gòu)件在自重作業(yè)下的變形設(shè)置預(yù)起拱值，使用計算機軟件精確 計算控制點的三維坐標，施工現(xiàn)場采用2臺全站儀對坐標進行精確定位、校核。 同時制訂合理的焊接工藝，按照科學的焊接順序施焊，有效防止焊接變形產(chǎn)生 的安裝誤差。4）針對本工程非等厚、異材質(zhì)對接焊接節(jié)點的處理，采用鑄鋼件自帶梯口加 35°單v坡口節(jié)點形式，通過焊接工藝評定、焊縫力學

8、性能試驗以及ut檢測，使 各項指標均滿足設(shè)計要求。焊接過程中嚴格執(zhí)行焊接工藝評定，加強焊接工藝控 制，選擇技術(shù)過硬的焊工進行焊接施工。5）在鋼結(jié)構(gòu)安裝時，重點加強鋼結(jié)構(gòu)高空焊接操作平臺的安全防護、轉(zhuǎn)換層鋼 梁水平兜網(wǎng)、臨邊挑網(wǎng)安全防護、塔樓區(qū)臨邊硬防護等，同時加強重點部位的安 全管理，高空作業(yè)100%系安全帶，確保鋼結(jié)構(gòu)施工安全。6）采用計算機進行施工過程模擬，確定構(gòu)件吊裝順序，結(jié)合吊裝順序采用有限 元分析軟件midas/gen對結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形進行數(shù)值分析計算，計算出構(gòu)件安裝 過程中的變形，對構(gòu)件進行預(yù)起拱，施工過程中采取邊監(jiān)控、邊施工的方式，根 據(jù)監(jiān)測結(jié)果與施工模擬數(shù)據(jù)進行對比分析，并對施工

9、預(yù)設(shè)值進行調(diào)整，確保高 位轉(zhuǎn)換體系施工質(zhì)量與安全滿足設(shè)計要求。4安裝方案分析施工前，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點提出以下2種吊裝方案供對比選擇2-3 o 4.1方案一:高空胎架安裝法木方案在基礎(chǔ)筏板面搭設(shè)高空胎架，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在胎架上吊裝、焊接完成后，整 體卸載，卸載后拆除胎架，達到設(shè)計狀態(tài)。優(yōu)點:高位轉(zhuǎn)換體系可以按普通鋼結(jié)構(gòu)安裝方法進行，然后整體卸載，施工荷載 傳遞更符合設(shè)計狀態(tài)；施工安全防護搭設(shè)較為便捷。缺點：受場地限制，搭設(shè)胎架后汽車吊難以移動就位，同時占用了構(gòu)件堆場;胎 架搭設(shè)工作量大，高度大，加之所承托的構(gòu)件質(zhì)量大，斜撐鋼管柱與梁撐節(jié)點 鑄鋼件拼裝后達50 t,對胎架承載力及穩(wěn)定性要求高，胎架安全保障

10、措施復雜； 胎架搭設(shè)費用較高;卸載后，胎架位于高位轉(zhuǎn)換體系下方，受結(jié)構(gòu)造型影響塔吊 吊裝不便，胎架拆卸、外運困難。4.2方案二:高空散拼法結(jié)合y形巨柱斜撐高位轉(zhuǎn)換體系結(jié)構(gòu)特點，合理安排吊裝順序，采用雙夾板技 術(shù)進行構(gòu)件的臨吋連接固定，通過吊裝倒鏈調(diào)節(jié)構(gòu)件空間位置并逐個吊裝、焊接, 通過采用雙夾板和鋼絲繩作為構(gòu)件的雙重固定措施，保證轉(zhuǎn)換體系的穩(wěn)定性， 并充分利用結(jié)構(gòu)自身特點承擔結(jié)構(gòu)自重及施工荷載，讓其自成結(jié)構(gòu)體系，4層轉(zhuǎn) 換層主梁安裝完成后，及時安裝各主梁之間的次梁及連梁，使已安裝完成的構(gòu) 件連接成為一個整體，從而削弱施工荷載對高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系的不利影響，保 證整個吊裝安全、順利進行。優(yōu)點:施工

11、成本低;對y形巨柱斜撐高位轉(zhuǎn)換體系影響小，逐個進行構(gòu)件加載、卸 載，可以避免胎架整體卸載后結(jié)構(gòu)變形過大的情況。缺點:空間定位困難，構(gòu)件安裝精度要求較高。經(jīng)過多重分析和綜合考慮，通過采用施工模擬分析和施工應(yīng)力變形分析，提前 做好預(yù)起拱等措施后，無胎架安裝的方案二在技術(shù)可行性、安全性、經(jīng)濟性等方 而較好，作為優(yōu)先選擇方案。5方案實施5. 1施工整體流程y形巨柱斜撐高位轉(zhuǎn)換體系鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計一確定初步吊裝順序一施工過程模 擬分析一根據(jù)施工模擬分析調(diào)整吊裝順序一確定吊裝順序一現(xiàn)場焊接工藝評定 一構(gòu)件驗收及復核一構(gòu)件吊裝及焊接一過程監(jiān)控與反饋一上部結(jié)構(gòu)施工一結(jié)構(gòu) 應(yīng)力及變形監(jiān)測5. 2施工模擬及方案安全

12、性分析 采用有限元分析軟件midas/gen進行施工模擬分析，施工模型的建立按照初步 吊裝順序進行，為分析高位轉(zhuǎn)換體系在施工過程中的變形和受力狀態(tài)，建立裙 樓整體模型，與塔樓的連接部分按邊界固結(jié)考慮，根據(jù)最終確定的吊裝順序， 運用生死單元技術(shù)，依次激活或殺死相應(yīng)結(jié)構(gòu)單元、荷載及邊界條件，實現(xiàn)施工 階段全過程模擬（圖3）。圖3 midas/gen施工模擬建模下載原圖分別按施工方案確定的吊裝順序與一次性加載工況進行施工模擬，并將各工況 下y形巨柱斜撐高位轉(zhuǎn)換體系的應(yīng)力及變形進行對比分析。1）按吊裝順序逐個加載工況下的最大應(yīng)力及應(yīng)變均發(fā)生在吊裝完成后，y形巨 柱斜撐高位轉(zhuǎn)換體系的x向最大位移為3.

13、8 mm, y向最大位移為11. 7 mm, z向 最大位移為13. 9 mm,最大von-mises應(yīng)力為71.4 mpa。2）次性加載工況下y形巨柱斜撐高位轉(zhuǎn)換體系的x向最大位移為2. 2 mm, y 向最大位移為3. 5 mm, z向最大位移為12. 5 mm,最大von-mises應(yīng)力為54. 5 mpao由上述施工模擬分析可知，在施工過程中，y形巨柱斜撐高位轉(zhuǎn)換體系的最大 von-mises應(yīng)力為71. 4 mpa,小于鋼材的屈服強度及其許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)的受力處 于彈性范圍內(nèi)，按此吊裝順序進行施工，施工過程中的結(jié)構(gòu)安全性滿足設(shè)計要 求。對比分析按施工方案確定的吊裝順序與一次性加載工況下

14、的位移及應(yīng)力可知， 考慮施工順序后，結(jié)構(gòu)的位移有所增加，但增值較小，最大水平位移為11.7 mm, 整體變形較小，滿足設(shè)計要求。von-mises應(yīng)力變化最大發(fā)生在斜撐上，其應(yīng)力 由54. 5 mpa增加至71. 4 mpa,增值為16. 9 mpa,應(yīng)力增加較小，滿足設(shè)計要求。在施工準備階段，利用有限元分析軟件對施工過程進行數(shù)值模擬分析，在技術(shù) 上確認了無胎架高空吊裝施工方案的可行性。同時可以根據(jù)施工模擬結(jié)果，在施 工中對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行合理的預(yù)起拱，抵消結(jié)構(gòu)在自重及施工荷載作用下的變形， 使施工完成后滿足設(shè)計要求。5.3 y形巨柱斜撐高位轉(zhuǎn)換體系吊裝深化設(shè)計階段提前考慮吊裝方式及吊裝設(shè)備性能，

15、結(jié)合結(jié)構(gòu)特點及設(shè)備選型合 理分段。本工程整個轉(zhuǎn)換體系構(gòu)件吊裝選用260 t吊車，在現(xiàn)場最不利位置最大 吊重為90 t,滿足構(gòu)件吊裝要求。吊裝過程中配合設(shè)置在吊繩上的可調(diào)倒鏈，通 過液壓千斤頂、臨時連接雙夾板以及螺栓進行構(gòu)件臨時固定，并及時拉結(jié)設(shè)置在 筏板基礎(chǔ)上的纜風繩，確保構(gòu)件吊裝穩(wěn)定性（圖4）。5.4吊裝定位吊裝前利用三維坐標精確計算各個吊鉤鋼絲繩長度，在鋼絲繩上安裝角度調(diào)節(jié) 倒鏈(20 t),構(gòu)件吊裝前根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整倒鏈長度，將構(gòu)件起吊角度調(diào)至接 近構(gòu)件就位角度，構(gòu)件就位后利用倒鏈微調(diào)構(gòu)件角度，并采用全站儀監(jiān)測、校 核。同時安裝雙夾板自平衡體系，校正時配合20 t千斤頂微調(diào)構(gòu)件標高與構(gòu)件

16、 對接口錯位，實現(xiàn)了 60t級大型拼裝構(gòu)件的精確安裝。5. 5特厚鋼板焊接質(zhì)量控制為避免y形巨柱斜撐高位轉(zhuǎn)換體系節(jié)點處多向桿件集中焊接產(chǎn)生復雜焊接應(yīng)力， 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)深化設(shè)計過程中各焊縫位置盡量錯開，節(jié)點鑄鋼件共計15個，由工廠 加工制作，單個鑄鋼件最大質(zhì)量48 t,拼裝后最大質(zhì)量60 to鑄鋼節(jié)點與鋼管 柱、箱型鋼梁焊接連接，鑄鋼節(jié)點焊接截面尺寸有<1)1 900 mmx50 mm. 4)1 450 mmx 50 mm> 1 000 mmx 1 400 mmx 30 mmx 30 1 200 mm x 1 200 mm x 25mmx25 mm,鑄鋼件材質(zhì)為zg270-480h,鋼管

17、柱材質(zhì)為q390gje-z15,箱型鋼梁 材質(zhì)為q345b,桿件與鑄鋼節(jié)點的連接為變厚度坡口全熔透焊縫，焊縫等級為 一級。5. 5.1焊前準備鋼管柱選用斷面收縮率在15%以上的q390gje-z15高強度結(jié)構(gòu)鋼作為構(gòu)件母材， 箱型鋼梁選用斷而收縮率在25%以上的q345b結(jié)構(gòu)鋼作為構(gòu)件母材，并嚴格控制 其硫含量;選用4)1.2価的er50-6低氫型藥芯焊絲。材料進場后及時見證取樣 并送檢，送檢合格后方可使用。編制焊接專項方案及焊接工藝評定方案，針對各種類型的焊接節(jié)點確定岀最佳 焊接工藝參數(shù)，制訂全面、合理、詳細的焊接工藝措施和工藝流程。根據(jù)規(guī)范要 求并結(jié)合本工程鋼板適用厚度范圍確定試件厚度，工

18、藝試驗完成后進行超聲波 焊縫檢測，并做出相應(yīng)的評定報告。5. 5.2焊接質(zhì)量控制1) 焊接方法采用gmaw-c0,氣體保護焊，根據(jù)鋼材厚度、熔敷金屬的擴散氫含量、 焊接熱輸入等，合理控制預(yù)熱溫度、層間溫度、后熱溫度;焊前預(yù)熱的加熱區(qū)域 在焊接坡口兩側(cè)，寬度各為焊件施焊處厚度的15倍以上，且不小于100 mmo2) 本工程焊縫長度較長，為減小焊接應(yīng)力對構(gòu)件定位的影響，采用對稱施焊， 堅持多層多道對稱焊、窄焊道薄焊層的焊接方法，使應(yīng)力分布均勻，減少應(yīng)力集 屮。3）由于co?氣體保護焊對風速敏感，故高空焊接時現(xiàn)場設(shè)置防風棚以保證焊接 環(huán)境。4）連續(xù)施焊過程中加強焊接區(qū)母材溫度控制，使層間溫度控制在焊

19、接工藝評定 的范圍之內(nèi)。遇有中斷施焊的情況，應(yīng)采取后熱、保溫措施，再次焊接時重新預(yù) 熱溫度應(yīng)高于初始預(yù)熱溫度2030 ko5）焊接完成后使用電加熱設(shè)備在焊縫兩側(cè)3倍板厚且不小于200 mm范圍內(nèi)加熱 至20025（tc，保持溫度不少于90 min,同時采用保溫巖棉將焊縫覆蓋并用鐵絲 將巖棉綁扎嚴密，巖棉的覆蓋范圍應(yīng)在焊縫周圍6001 000 mm,覆蓋時間為5飛 ho焊縫冷卻48 h后由第三方進行超聲波探傷檢測，焊接坡口周圍150 mm范圍 焊縫進行100%超聲波探傷，檢測合格后方可拆除臨時固定雙夾板（圖5） o5.6高空安全防護構(gòu)件吊裝前應(yīng)在吊裝焊接的相應(yīng)位置搭設(shè)操作平臺，操作平臺采用型鋼焊接制 作，四周滿設(shè)工具式防護欄桿，操作平臺底部全部封閉。連接操作平臺的防護爬 梯必須配置防墜繩，使用前必須檢