巨型格構柱施工技術

葉倍君 浦建剛

中億豐建設集團股份有限公司 江蘇 蘇州 215131

1 工程概況

1.1 結構概況

ABB廈門工業中心TP-02C項目測試塔長49.7 m，寬43 m。測試塔屋面鋼架為單跨，跨度39 m，柱距離為7.1 m。本工程屬重型鋼結構廠房，采用格構柱＋屋面桁架形式，柱腳為杯口式基礎。格構柱主柱插入承臺2.95 m，檐口高度41.44 m，下肢格構柱至31.6 m，以上為單H型鋼柱，屋脊高度42.5 m（圖1）。

1.2 施工的重點與難點分析

1）鋼柱總長度達44.5 m，最大寬度為3.65 m。吊裝時分段越多，高空焊接風險越大，焊接成本越高；吊裝時分段少，吊裝困難，可能造成永久變形。因此如何選擇鋼柱吊裝分段點是安裝的重點。

2）工程混凝土杯口尺寸為420 mm×900 mm×1 850 mm與600 mm×900 mm×1 850 mm，杯口開口小，深度深。應用傳統打鋼楔千斤頂調整鋼柱軸線與垂直度費時費工且精度難保證，因此杯口基礎鋼柱精度調整是難點一。

圖1 巨型格構柱BIM模型

3）巨型格構柱上部為實腹式焊接H型鋼柱，下部為格構柱，且上部與下部寬度差將近3 m，重心點和中心點不在一條直線上，吊裝過程中容易產生扭曲變形。如何控制吊裝過程中巨型格構柱扭曲變形甚至永久變形是難點二。

2 巨型格構柱吊裝時分段點方案選擇

根據施工經驗，我們提出了2種實施方案，即地面拼接完成整根吊裝法、分段吊裝空中拼接法[1-2]。

1）地面拼接完成整根吊裝法：工廠分段加工巨型格構柱，并將其運輸至現場，在地面用胎架對鋼柱進行拼裝焊接成整體，用大型吊車進行吊裝。其優勢為一次吊裝成型，縮短安裝工期，地面拼裝焊縫質量容易得到保證；其劣勢為胎架數量多，鋼柱占地面積大，使用機械相對較大，起吊過程更容易發生變形。

2）分段吊裝空中拼接法：工廠分段加工巨型格構柱，并將其運輸至現場，用吊車分段吊裝，空中拼裝焊接。其優勢為使用吊裝機械相對較小，起吊質量小，鋼柱起吊過程不易變形；其劣勢為需高空對接，空中對接難度大，防風措施實行困難，焊縫質量控制比較困難，施工周期長。

針對地面拼接完成整根吊裝法，我們用3D3S進行了力學建模，經計算，即使采用雙機抬吊（4吊點），最大變形仍然達到83 mm，遠遠大于規范允許值，無法采用地面拼接完成整根吊裝法。

通過以上的對比分析，我們認為最佳方案為分段吊裝空中拼接法。

根據加工廠至吊裝現場的運輸條件選擇分3段加工。分段后對于選擇分3次吊裝空中2次拼接還是選擇分2次吊裝空中1次拼接，我們也做了比對。

1）單吊車分3段吊裝，空中2次拼接：分段進行安裝，吊車需反復進行吊裝程序，且需2次高空對接焊接，比雙機吊裝略慢；空中拼裝，質量較難把握；2次空中拼裝，存在一定風險；吊車在選型上略小于雙機吊裝，但吊裝時間較長；分段進行安裝，時間長，危險性大，且焊接質量不容易控制，因此不建議采用。

2）雙機吊裝，分2段安裝（1臺吊裝，1臺輔助），空中1次拼接：地面拼裝成整體，2次吊裝整根鋼柱，1次空中拼裝用時較短。且地面拼裝有2臺吊車可用，可以加快施工速度；大部分對接在地面進行，由于地面風力小，施工方便，因此焊接質量容易保證；1次空中拼裝，減少了高空作業的次數，減少了風險；雙機吊裝，主吊車型號較大，但由于較小，綜合費用僅比分段吊裝略貴；雙機吊裝采用地面進行拼裝，減少了高空拼裝節點的數量及施工的風險，并有利于工期和質量的控制，為較合理的施工方法。

從上述分析中可以看出，采用雙機吊裝，分2段安裝（1臺吊裝，1臺輔助），空中1次拼接吊裝方案更優。15 m標高處有整圈鋼馬道，將1節柱分段點設置在16 m標高處，馬道可用作焊接平臺，便于空中焊接（圖2）。

分段以后，采用雙機抬吊，第1段最大變形為－3.3 mm，第2段最大變形為－8.8 mm，均滿足規范要求，且經原設計同意后實施。

3 結構安裝

3.1 第1段鋼柱安裝

圖2 鋼柱吊裝分段位置

本項目為插入式柱腳，杯口基礎（圖3），杯口開口小，深度深。目前主流的杯口基礎安裝鋼柱的方法為鋼柱吊入杯口后，放置墊木或鐵楔固定、校正，校正后再包混凝土。通過調整鋼楔與杯口咬合松緊來固定鋼柱與調整垂直度，通過千斤頂來調節軸線，要同時解決柱的標高、軸線、垂直度以及臨時固定的問題的確有點難度。

圖3 杯口基礎設計

若能在鋼柱吊裝前就能解決標高、垂直度、軸線或臨時固定這4個問題中的1項或2項，鋼柱精度調整的問題將迎刃而解。

首先解決標高問題，大體積混凝土杯口基礎，杯口模板為內插式，且澆筑大體積混凝土時，杯口模板承受混凝土很大的浮力，杯口底標高本身比較難控制。和設計人員及土建技術負責人商議采取杯口混凝土分2次澆筑的方式，即：第1次澆筑大體積混凝土前杯口底標高比設計底標高低50 mm，這樣即使模板上浮一點也在可控范圍內。待整個杯口成型后，用自流平高強混凝土進行二次澆筑作為找平層，杯口基礎底標高頂面找平至設計柱底標高下40 mm（圖4），杯口基礎底面找平偏差應在－2～0 mm之間。

在吊裝鋼柱前，測量杯口底口標高及平整度，計算出鋼柱底部底標高到杯口底頂標高的實際距離。鋼柱吊裝前每個柱腳再用厚40 mm左右鋼板條墊平找平層與柱底空隙（圖5）。

圖4 自流平混凝土澆筑示意

圖5 鋼墊片安裝示意

其次考慮解決臨時固定問題，先對測試塔一圈柱腳軸線進行整體測量放線，以減小累積誤差。根據定位軸線在混凝土杯口3個方向，預先制作安裝鋼柱定位靠山（圖6），鋼柱定位靠山端部即為鋼柱最終落入點位置，留一面，方便鋼柱插入。鋼柱插入混凝土杯口內3個方向緊靠鋼柱定位靠山，直至完全落入杯口底，用千斤頂稍作調整將鋼柱與鋼柱定位靠山完全貼牢。在沒有臨時靠山的一面打鋼楔進行臨時固定（圖7）。

圖6 鋼柱定位靠山現場制作

圖7 鋼柱與靠山就位后現場

每段鋼柱臨時固定后及時拉設纜風繩，用纜風繩調節垂直度。標高、垂直度、軸線調整結束后抓緊灌漿。

3.2 第2段鋼柱安裝

巨型格構柱第2段柱的21 950 mm長度段為寬3 650 mm格構柱，9 850 mm長度段為寬2 000 mm焊接H實腹式型鋼柱，此柱吊裝時對柱自身變形的控制和吊裝重心偏位的控制都比較難。自身變形和吊裝偏位需同時綜合考慮，如只考慮一方面，另一方面后續調整將十分困難。

首先對巨型鋼柱第2段柱的吊點進行受力分析，選取合理的吊點位置。經分析，鋼吊點選擇在柱頂往下3 500 mm處是可行的。

用TAKLA軟件對巨型鋼格構柱進行精確建模，利用TAKLA軟件的重心查詢命令，查詢出第2段鋼柱的重心點位置。然后綜合考慮吊車起吊高度、起吊鋼絲繩角度、溜尾鋼絲繩角度等因素，選擇起吊鋼絲繩的最優長度（圖8）。由圖8可見，起吊鋼絲交點與重心點在同一直線，這樣就保證了鋼柱柱腳的水平度。

為保證鋼柱在起吊過程中力的傳遞平緩，降低鋼柱被折的風險，鋼吊耳選擇圓管吊耳。吊裝鋼絲繩套在圓管吊耳上形成鎖套連接并在吊裝鋼絲繩與圓管吊耳間抹上黃油，鎖套連接能很好地保證起吊過程中力的平順傳遞，但增加了鋼絲繩向外側滑動甚至脫落的風險。

圖8 吊裝鋼絲繩長度確定

為此制作了一個簡易隨動防脫落裝置（圖9），此裝置有效地防止了鋼絲繩的擺動甚至脫落，提高了吊裝安全系數并可重復利用。

實際起吊過程中，鋼柱受力均衡，履帶吊大臂擺幅正常，鋼柱底部基本水平（圖10）[3]。

圖9 隨動防脫落裝置

圖10 第2段鋼柱起吊時現場

4 結語

經過2個多月的奮戰，成功地完成了ABB項目工業中心測試塔樓巨型格構柱的安裝，工程質量滿足了設計和規范要求，鋼柱安裝精度較以往類似工程均有了較大的提高，吊裝速度也明顯加快，為以后類似的項目提供一定的參考價值。