某電視臺主樓鋼結構先進施工工藝和技術介紹

****電視臺新臺址****主樓鋼結構[摘要]針對****主樓鋼結構的雙向傾斜和三角形單元結構受力的特征,以及巨大的施工難度,特別是超大懸臂結構的超高空大跨度懸挑施工,施工單位研制了特大型塔吊在純鋼結構中的爬升施工技術、大型臨時棧橋解決吊裝受限的施工技術、預應力錨栓張拉技術、超大懸臂鋼結構超高空安裝技術等一系列先進的施工工藝和技術。[關鍵詞]鋼結構;懸臂鋼結構;施工技術;安裝;爬升;棧橋0工程概況****電視臺新臺址建設工程****主樓建筑高度234m,地下3層,地上52層,總建筑面積47萬m2。鋼結構占地面積為1.5萬m2,用鋼量達12.5萬t,鋼構件數量為4.2萬多件,在安裝過程中將使用高強螺栓95萬套,壓型鋼板29.6萬m2,栓釘148萬套。****主樓由2座整體向內雙向傾斜的塔樓通過底部裙樓和頂部的L形懸臂連成一體,構成一個折角門式建筑,塔樓從底部到頂部傾斜距離達36.955m。主樓外形如圖1所示。塔樓和裙樓由外框筒、內框筒、核心筒鋼結構三部分組成。外框筒由雙向傾斜6°的重型鋼柱、邊梁和支撐形成以蝶形節(jié)點為主的三角形網狀結構體系,內框筒和核心筒為鋼框架體系。懸臂結構從2座塔樓162.20m標高位置處分別外挑67.165m和75.165m,在空中合攏為L形空間結構體系。懸臂總重量為1.4萬t,共有14層,平均高56m,寬39.1m。****主樓鋼結構主要構件為重型鋼柱、鋼梁、斜撐和巨型轉換桁架,鋼柱最重達80t,有單箱形、日字形、目字形、西字形等多種截面形式,鋼梁和斜撐以H形和箱形截面為主。

鋼柱主要節(jié)點與截面形式如圖2、3所示。1主要施工特點****主樓鋼結構建造規(guī)模宏大,構件重、節(jié)點構造復雜,對構件吊裝、測量定位、變形控制以及施工管理的要求非常高,需要有與之相匹配的特大型垂直運輸設備、較高的施工平面管理水平以及先進的建造施工技術和施工措施。本工程因塔樓的雙向傾斜設計和超大懸臂結構影響,在建造過程中主體結構的三維空間位形將受自重、日照、溫差、風載擺動、基礎沉降等因素影響而不斷發(fā)生動態(tài)變化,為使結構完成后達到設計位形和尺寸要求,施工中需采取預調值反變形措施加以控制。為滿足建筑美觀、結構承力和使用功能要求,懸臂結構的體形龐大、外挑距離長、超重,在安裝中構件容易失穩(wěn),因此只有形成整體受力后,方能確保結構的整體穩(wěn)定性和安全性。而且設計要求主體鋼結構、樓面混凝土、幕墻、內裝飾和機電設備等施工完成,即將加入使用活荷載情況下,懸臂底部需呈水平,其施工過程將面臨嚴峻的建筑力學考驗,施工具有很大的難度和風險。為使2座塔樓的懸臂能在空中順利實現轉角合攏,確保結構安全,需要采取特殊的施工措施,運用先進的測量技術和施工方法克服因結構預調值處理、構件截面多樣化以及結構位形動態(tài)變化而增加的測量控制難度,實現結構高精度合攏。本工程使用的鋼材材質有Q235、Q345、Q390、Q420、S460等系列,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、焊接質量要高,如何控制焊接變形和應力消除,將直接影響結構安裝成型,特別是重型鋼柱的空間位置。2施工技術準備2.1結構施工計算和誤差調整分析隨著鋼結構工程逐漸大型化,其施工技術要求越來越高,結構施工計算分析和施工誤差調整分析越來越重要,它是進行這類工程施工最關鍵的技術措施之一,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。同樣,****主樓鋼結構各項施工方案在實施前就運用SAP、ANSYS、CAD等技術進行了大量的結構施工虛擬仿真計算分析,以論證、比較、判定施工方案的先進性和可操作性,同時確定了為控制、調整鋼構件的位置和標高安裝誤差而采取的施工措施,并且力求這些措施簡單方便、誤差調整快捷易行。2.2制定專項施工質量驗收標準本工程大量使用Q390D、Q3420D和S460高強鋼材、主要構件都是由厚板焊接而成、截面形狀多樣、多桿件匯交節(jié)點十分復雜。在施工中對構件外形尺寸、組裝對位、空間三維坐標值如何控制才能達到要求,允許偏差控制在什么范圍才能保證整個結構的傾斜度和結構合攏精度要求,這就要有相應的技術質量標準來指導和控制,而現行的鋼結構施工規(guī)范對于這種特大型復雜高層重鋼結構有一定局限性,不能完全滿足施工需要,因此我們通過多方論證,在國家現行鋼結構施工質量驗收規(guī)范基礎上,制定了《****電視臺新臺址鋼結構安裝工程施工質量驗收標準》,作為鋼結構安裝的質量控制依據,以確保安裝精度符合設計和使用功能要求。

2.3構件分段與輔助連接耳板及吊點布置按照盡量降低對吊裝設備的起重性能要求、減少吊裝次數、滿足結構受力和加工運輸要求的原則,外框筒鋼柱按2層分1節(jié),核心筒和內筒鋼柱按3層分1節(jié)。分段后的構件大部分為大型超重構件,為方便吊裝就位、校正和臨時固定,確保安裝順安裝精度,需采取大量的施工技術措施,以降低施工操作難度。因此用于臨時連接、吊裝吊點、傾斜角度調節(jié)等臨時連接耳板的布置就成為整個鋼結構安裝最重要的一個環(huán)節(jié),經計算,設置的臨時連接耳板就有1150t。這些臨時連接耳板需要根據鋼構件傾斜角度和構件重量,事先在構件上設置,并在深化設計圖中同構件一起體現,在工廠制作中將其焊接在構件上規(guī)定位置。2.4選擇吊裝設備根據****主樓鋼結構單重在10～80t的構件較多、吊裝就位距離遠的實際情況,通過吊裝工況計算分析,每座塔樓各選擇了1臺M1280D動臂塔吊和1臺M600D動臂塔吊分別作為主吊和輔吊。2.5確定鋼柱安裝坐標值與標識運用虛擬仿真技術,按照施工順序與步驟對結構進行反變形計算分析,確定出鋼柱預調值,由此分別計算出鋼柱頂部的深化設計坐標值和安裝坐標值。每節(jié)鋼柱選取至少3個點位進行坐標控制,在制作中將這些點位進行明顯標識,它是鋼柱吊裝就位時的唯一控制依據,關系著構件安裝的準確性,必須做到萬無一失、高精確。3施工方法與順序本工程鋼結構采用多臺動臂塔吊同時對2座塔樓、裙樓展開安裝,核心筒與內框筒鋼結構由中間向四周對稱安裝并領先外框筒鋼結構2～3層,而外框筒鋼結構安裝隨建筑物的傾斜方向以平面對角為分界線依次對稱進行。主體鋼結構安裝與壓型鋼板、混凝土施工、防火涂料、幕墻等專業(yè)施工保持4～6層的施工節(jié)奏。2座塔樓鋼結構安裝到頂部后,通過塔吊內爬移位后分別對塔樓1和塔樓2的懸臂采用分離延伸、局部合攏、塊體擴大、高空散件安裝的方法進行施工。懸臂施工完成后,安裝在裙樓后澆帶、裙樓與塔樓的連接角部、懸臂腋部預留的鋼結構延遲構件。4關鍵的建造技術和施工措施4.1大型臨時棧橋解決吊裝受限的施工技術****主樓鋼結構施工作業(yè)面廣,受地下室施工影響施工現場狹窄,構件的現場運輸和起吊區(qū)設置受場地限制,增加了現場平面管理難度。若吊裝起吊區(qū)設在建筑物外圍,一是沒有空闊的場地可利用,二是距離遠,塔吊對重型構件的吊裝受限。而建筑物內其他結構同時施工,不能提供有利的場地。因此為使現場通道暢通、利于構件倒運和起吊,同時也利于其他專業(yè)施工,在塔樓1和塔樓2的內側各設置了1座重達600多t的大型施工鋼棧橋,棧橋架設在基礎上,頂面與室外地面相平,這有效地解決了塔吊吊裝起重受限和構件現場轉運的問題。施工鋼棧橋平面布置如圖4所示。4.2大型塔吊在純鋼結構中爬升施工技術塔樓1和塔樓2核心筒的電梯井內各設置1臺M1280D動臂塔吊和1臺M600D動臂塔吊,隨主體鋼結構的安裝上升而爬升,根據工況分析計算,將塔吊的2道爬升支撐體系的間距控制在17～23m,由于結構傾斜,為滿足塔樓頂部和懸臂構件吊裝要求,鋼結構施工到一定高度后,塔吊需要進行多次移位重裝。電梯井為純鋼結構,沒有剪力墻,而特大型塔吊在純鋼結構中進行附著爬升,在國內尚屬首次。因此運用計算機技術模擬施工工況,建立施工計算模型,在核心筒鋼柱四周設立臨時柱間支撐,對結構進行臨時加固處理,以減少塔吊運行中對結構的影響,確保結構安全。塔吊布置如圖5所示。4.3預應力錨栓施工技術塔樓及裙樓的外框筒鋼柱柱腳采用預應力錨栓固定,預應力錨栓直徑為75mm,共583套,埋設角度與相應的鋼柱一致。由于預應力錨桿長度較長,最長達6m,且與水平面有6°～8.45°的夾角,為了保證預應力錨栓套架的安裝穩(wěn)定,在墊層上需要設置基礎和埋件與套架連接。在柱腳混凝土澆筑后,對錨栓設置傾斜張拉工裝,使用專門的穿心千斤頂,按照試驗確定的張拉力,控制錨栓伸長量,對錨栓進行對稱張拉。4.4施工預調值處理與結構變形控制技術4.4.1施工預調值計算傾斜塔樓在施工各階段不同荷載的變化情況下,導致兩塔樓的水平位移和豎向位移不斷發(fā)生變化,為了使結構完成主要荷載加載后達到設計位形,必須對結構進行整體預調。在****主樓懸臂合攏前后,整個結構的受力體系和變形情況是不相同的,其變形可以分為兩大階段來考慮:①合攏前兩塔樓單獨受力,呈各自獨立相向變形;②合攏后兩塔樓連成一個整體,相互支撐,共同受力,協(xié)調變形。而且合攏狀態(tài)的真實合理與準確,關系到結構能否順利進行,以及結構成型后的內力和位移能否滿足設計允許偏差要求,因此采用綜合迭代法對兩階段按照模擬施工加載的先后次序進行結構施工工況分析,計算出構件的加工預調值和安裝預調值,計算出結構施工的初始位形和各分步位形,在施工中對結構構件的加工長度和節(jié)點的安裝坐標設置預調值來進行加工和安裝定位。計算狀態(tài)和程序分別如圖6、7所示。構件的加工預調值等于構件的加工長度與構件設計長度的差值,用來補償施工過程中構件的軸向壓縮和拉伸所產生的變形;而構件的安裝預調值等于構件節(jié)點的安裝坐標與構件節(jié)點設計坐標的差值,用來補償施工過程中構件節(jié)點所產生的位移。其特點主要表現在:①塔樓傾斜方向內側柱加工預調值較大,外側柱加工預調值較小,甚至為負值;②塔樓底部構件的安裝預調值較小,而在頂部構件的安裝預調值較大。構件安裝中的位形變化情況如圖8所示。施工中,設定多個觀測點,進行動態(tài)監(jiān)測實際變形情況,將實測數據與理論計算比較,找出差異規(guī)律,反饋回預調值計算、深化設計、加工和安裝各方,以便及時對上部各階段的預調值進行修正。4.4.2結構變形控制結構變形控制主要是采用精密儀器對結構重點部位的變形和應力進行監(jiān)控,同時也是為了驗證施工模擬計算,配合鋼結構安裝誤差調整,及時提供預調值修正依據,保證結構變形和應力始終處于受控狀態(tài)。施工過程中對結構棱角、外廓中部、腋部、轉換桁架、懸臂等關鍵部位選取了600多個監(jiān)控點,采用靜力水準儀系統(tǒng)、全自動跟蹤全站儀、GPS靜態(tài)差分測量系統(tǒng)進行高程和水平方向的位移監(jiān)測,即控制點的x、y、z三維坐標變化情況。在懸臂合攏前采用機電百分表進行合攏位置的間隙變化監(jiān)測,確保合攏快速準確。結構應力監(jiān)測主要采用光纖式傳感器,軸心受力構件布設2只傳感器,受彎構件在截面處布設4只傳感器。4.5測量控制技術在鋼結構安裝中,構件的平面位置和空間位置的準確性直接關系到結構的最終成型,對于一般高層鋼結構而言,主要是控制鋼柱的軸線、高程和垂直度,采用鋼尺、水準儀、鉛直儀和經緯儀等光電儀器進行測量控制,借助千斤頂或纜風繩等校正工具就能實現;而對于****主樓傾斜和重型鋼柱的復雜結構特征,以及構件加工和安裝預調值處理、結構受力和變形動態(tài)變化的施工特點,隨著建筑高度增加,采用常規(guī)方法對平面和高程基準傳遞與測量控制,將受施工環(huán)境條件限制和干擾,增加測量誤差累積,加大作業(yè)難度,不能精確、有效地對復雜結構的三維空間動態(tài)變形進行實時控制。如何實現傾斜復雜結構在施工中的動態(tài)定位和構件快速準確就位,就需要在傳統(tǒng)的測量技術上進行改進與創(chuàng)新,采用新工藝和新設備,以滿足安裝精度要求。因此在****主樓鋼結構施工中采用“雙控”技術進行鋼結構安裝測量控制:1)在塔樓安裝階段采用高精度激光鉛直儀進行平面基準控制點位傳遞、高精度全站儀高程傳遞和空間三維坐標測量技術,借助專門的剛性調節(jié)裝置進行測量校正,采用具有自動捕捉跟蹤功能的測量機器人進行監(jiān)測與復核,確保大懸臂結構安裝前,2座塔樓的整體精度達到預控目標。2)在懸臂安裝階段采用測量機器人進行空間三維坐標測量,采用GPS全球衛(wèi)星定位技術進行基準點位的校核,實現懸臂結構快速、高精度合攏。4.6高強超長超厚板焊接與電加熱技術鋼結構焊接在鋼結構施工中承擔著主要任務,隨著特大型鋼結構的快速發(fā)展,鋼結構焊接的難度也在不斷增加,而國產高強超厚板(如100mm厚的Q390D、Q420D、S460等材質鋼板)也大量使用于****主樓鋼結構中,材質的可焊性程度、焊接參數等不確定性因素多,焊接變形控制和焊接難度較大,尚無成熟的規(guī)范及焊接工藝參數作參照。****主樓鋼結構采用的Q345、Q390D、Q420D、S460等高強度低合金鋼板的厚度大部分在40mm以上,最大板厚為135mm,板厚在60～100mm達50%?，F場焊接部位主要是鋼柱與鋼柱、鋼柱與斜撐、鋼柱與鋼梁以及轉換桁架間的全熔透焊接,全部是一級焊縫。連接部位主要采用Q345GJG和Q390D鋼材,局部節(jié)點部位采用Q420D、S460鋼材,而在懸臂拐角節(jié)點部位則采用了鍛鋼材料。建筑設計為追求別致造型大膽創(chuàng)新,對局部應力大、傳力路徑復雜、桿件多角度交匯的受力部位,以及為解決異型截面桿件間的連接過渡和多桿件空間連接強度問題,大量采用了蝶形節(jié)點和復雜箱形截面,但其體形較大,焊接環(huán)境和位置復雜多變,有橫焊、立焊、斜焊、爬坡焊、仰焊等多種形式,尤其是鋼柱單箱體或多箱體對接接頭復雜、剛性過大、焊縫集中,焊縫金屬填充量達到了構件重量的1.5%。多向構件焊接后的焊接殘余應力無法釋放,極易產生裂紋,從而影響整體焊接質量。針對這些特點,主要采用CO2氣體保護焊技術,利用先進的焊接設備和焊接材料進行焊接。在焊接前,通過大量的焊接工藝評定試驗,選取最佳焊接工藝參數;在焊接中,控制焊接熱輸入,采用電加熱進行焊前預熱、層間溫度控制和焊后后熱保溫,并采取嚴密的防風雨措施、改善焊接環(huán)境等控制措施,減少焊接變形、消除焊接應力和抑制層狀撕裂,以科學合理的焊接方法和順序保證焊接質量。在****鋼結構現場焊接中最大的焊接難度就是板厚為100mm、材質為Q390D、長達14.88m的超長立向焊縫焊接,這類焊縫主要是塔樓外框筒10根鋼柱因超重,按設計不能再分節(jié),只能對節(jié)點進行分離吊裝而形成。由于沒有先例可借鑒,焊接的不可預見性太多,極易產生巨大的焊接應力,造成柱體變形和焊縫冷裂紋及母材層狀撕裂等質量問題。因此,在模擬現場條件的情況下進行焊接工藝試驗,并據此創(chuàng)造性地使用具有抗風挺度的藥芯焊絲進行CO2氣體保護焊與電加熱技術相結合的焊接技術,焊接按照分段退焊、多人同時對稱施焊、晝夜連續(xù)施焊的方法進行。焊接完48h后用超聲波對焊縫進行夾渣、氣孔、裂紋等內部缺陷探傷檢測,15d后用超聲波進行延遲裂紋檢測,以確保焊接質量。

4.7超大懸臂鋼結構超高空安裝技術懸臂結構體系主要由焊接箱形和H形截面構件組成,通過分別從2座塔樓延伸出的外框結構和37～39層間與懸臂外框柱相連的15榀重達200多t的巨型轉換桁架共同構成在空