大型公建主體鋼結構施工技術

朱怡巧 程 驥 沈西華 袁 震 陸優民

1. 浙江建設職業技術學院 浙江 杭州 311231；2. 浙江省建工集團有限責任公司 浙江 杭州 310012

1 工程概況

中信銀行杭州分行新建金融辦公用房工程位于浙江省杭州市錢江新城錢塘江畔，建筑采用長方體布置，占地面積2 210.8 m2。主樓地下3層（含非機動車庫夾層），地上20層（含機房夾層），總高99.9 m，總建筑面積59 000 m2，本工程整體外觀由結構構件形成多面切角造型，通過玻璃幕墻折射出光影變化，酷似一顆金色鉆石矗立在錢塘江畔（圖1）。

工程采用裝配式巨型鋼結構體系，巨型鋼結構體系由鑄鋼節點、斜向支撐、斜向鋼柱、斜向鋼柱柱間支撐、箱形鋼梁和鑄鋼件等組成，鋼結構總用鋼量13 500 t（圖2）。

2 鋼結構施工重點及難點

中信銀行杭州分行新建金融辦公用房工程工期緊、質量要求高，施工中存在以下重點及難點：

1）吊裝設備選型及吊裝工況復雜，需要采用多種組合吊裝方式才能滿足施工要求。

圖1 建筑效果圖

圖2 結構軸測圖

2）施工階段的變形不協調，結構變形控制精度要求高。

3）鋼結構構件種類多，不同的構件類型需要采用不同的組合式吊裝及安裝技術。

4）斜鋼柱測量精度要求高。

3 鋼結構施工部署

3.1 吊裝設備選型

塔吊是本工程鋼結構施工的關鍵影響因素，綜合考慮項目的結構形式、工期、鋼結構分段質量、塔吊的起吊能力和塔吊貨源等因素，選用2臺ZSL1000動臂式外附塔吊（編號為1#、2#），其中ZSL1000塔吊工作半徑45 m，最大臂長45 m，能滿足一般鋼結構構件的安裝需求。但是其中鑄鋼節點ZG-01和ZG-04這2個構件重達88 t，應采用550 t汽車履帶吊結合滑移進行定位安裝。現場安裝過程中，采用塔吊進行鋼構件安裝時，應將鋼柱、鋼梁進行合理分段和拼裝（圖3）。

圖3 鋼結構施工期塔吊布置

3.2 施工分區

鋼結構平面和立面分區應根據結構特點、塔吊的布置和工作能力、現場施工條件、構件分段和質量等綜合考慮。依據該原則，在結構施工平面上劃分成4個施工分區，分別為A區、B區、C區和D區。立面分區由下而上劃分成5個施工分區，其中分區1屬于地下部分，分區2～5為地上部分。鋼結構立面分區的施工安排是逐節安裝鋼柱（1節鋼柱一般穿過2層鋼梁）。安裝時，后庭和中庭后立面的鋼柱必須優先進行安裝、校正和焊接。逐層安裝相應的鋼結構樓層梁。鋼結構樓層梁安裝完畢后，開始鋪設壓型鋼板、栓釘焊接和綁扎樓層鋼筋，柱分段上部樓層的壓型鋼板先行安裝，為下部作業提供安全防護（圖4）。

圖4 鋼結構立面分區

4 鋼結構施工技術

4.1 結構變形分析、控制與監測技術

4.1.1 結構變形分析技術

影響結構變形的作用效應主要分為3類。其中第1類是施工荷載，包括施工機械設備、人員活動、材料堆積等，對于該類荷載，是可控的；第2類是自然荷載，包括風荷載、溫度和地震作用效應等，是不可控的；第3類是材料本身的特性引起的作用效應，包括混凝土的收縮和徐變、結構的自重等，對于該類荷載，也是不可控的，但是可以采取一定的措施將作用效應減小[1-3]。

本工程鋼結構采用外框內筒的巨型支撐體系，大部分豎向構件呈傾斜狀態，其造型新穎，受力復雜，特別是結構在形成整體之前剛度較差。為便于構件的安裝和定位，在安裝過程中，設置了大量的臨時支撐，為能更好地了解結構的受力性能以便于指導鋼結構的順利施工和結構的成形，對鋼結構和臨時支撐在施工各階段的受力和變形進行了計算與分析。為能實際模擬鋼結構的應力與變形情況，根據鋼結構施工的實際進度，將鋼結構施工過程劃分為26個施工階段，采用有限元軟件MIDAS/Gen進行全過程的施工模擬（圖5、圖6）。

圖5 結構應力分布云圖

圖6 結構變形矢量和分布

通過對巨型鋼結構體系施工工況全過程的可視化模擬，得到結構在全過程不同階段的結構變形和構件桿件應力，反映到深化設計和制作中，消除了結構施工期間的安全隱患，提高了現場安裝效率。通過對結構的應力和位移分析，跟隨施工進度指導施工，使巨型鋼結構體系從開始安裝至最終卸載都處于一個可控的狀態且結構最終位形滿足設計要求。

4.1.2 結構變形控制技術

對于本工程，結構變形控制的總體思路是采用有限元軟件對各個施工步驟進行模擬，確定合理的施工節奏，嚴格安排豎向結構構件的施工順序和施工時間差。對鋼結構的壓縮變形和焊接變形[4-5]通過采取精確的測量、預留調整量、實時下料等措施調整，通過先進的監測手段實時監控，確保施工過程中內外筒體變形補償精確。

本工程結構變形的控制措施主要分為4個部分：減少塔吊等施工設備對結構的變形影響；合理選擇施工順序；合理控制施工節奏；掌握風荷載對結構整體變形的影響。

在滿足施工的前提下，施工過程中盡可能選擇較小型號的塔吊，并且布置在對稱的位置上，從影響結構變形程度和經濟合理方面對不同型號的塔吊予以考慮。本工程中塔吊的外附，通過有限元的計算，發現其對結構變形影響較小（圖7）。

圖7 塔吊附著結構變形矢量

4.1.3 結構變形監測技術

為保證結構最終完成時的形狀滿足建筑設計的要求，確保施工順利進行，提高結構的安全可靠性，延長建筑物的使用壽命，我們通過在施工階段對結構的關鍵部位（結構的平動位移、層高變化、整體傾斜以及重要桿件的應力應變等）進行監控，并對結構損傷進行預警。通過施工仿真分析，建立各工況下的結構變化模型，以明確結構的變形趨勢和變形具體量值，為施工預設調整值進行變形控制提供合理依據，優化設計方法，改善施工工藝，提高工程建設水平，確保質量。

施工監測的主要任務為：從地下到地上、從施工到安裝等各個施工階段，對塔樓的平動位移、各種荷載、結構豎向壓縮變形、結構應力變化等進行及時監測以便提供準確的數據，為后續施工控制及安裝等提供施工依據。

4.2 典型構件施工技術

4.2.1 地下“王”字形鋼骨梁施工技術

本工程鋼骨梁埋設在大底板內，總長達87.1 m，總重約91 t，須在大底板鋼筋綁扎的同時進行安裝，但由于其位置特殊，大部分處于基坑圍護支撐下方，無法通過吊機一次性安裝就位，因此根據現場施工條件及鋼骨梁的具體分布位置，采用1臺100 t汽車吊進行分段吊裝。對于被基坑圍護支撐遮擋的部分采用“分段吊裝＋分段滑移”的施工方法，對于未被基坑圍護支撐遮擋的部分則采用汽車吊直接吊裝就位。

結合現場施工條件，配備1臺100 t汽車吊位于基坑棧橋上吊裝鋼骨梁，考慮到基坑棧橋的安全，汽車吊支腿位置設置在軸間棧橋大梁上方，支腿下方鋪設0.3 m×1.8 m×9.0 m鋼路基箱，汽車吊吊裝作業產生的荷載由路基箱傳遞給混凝土梁及格構柱（圖8）。

圖8 鋼骨梁現場安裝

4.2.2 首層箱形梁施工技術

C軸線上的首層箱形梁由于鋼梁跨度大、質量較大，中間無支撐結構，故根據結構特點和配備的機械設備以及吊裝半徑，將首層箱形鋼梁進行分段，并在梁下端面設置臨時支撐，臨時支撐從大底板面開始設置，為不影響地下2層樓板施工，臨時支架分別設置于樓層梁H型梁下方，通過H型鋼梁將上部受力傳遞到大底板上。

臨時支撐采用獨立鋼管柱，支撐截面尺寸為φ450 mm×20 mm。每段箱形梁安裝就位后隨即安裝與其相連的H型鋼梁，形成一個穩定的空間體系。在安裝地上部分前庭結構中的“人”字形框架柱時，臨時支撐也作為首層箱形梁的加固支撐（圖9）。

圖9 箱形梁現場安裝布置

4.2.3 鑄鋼節點吊裝＋滑移施工技術

本工程首層鑄鋼節點ZG-01和ZG-04為超重構件（單件重達88 t），塔吊無法吊裝，擬采取吊裝＋滑移相結合的方法進行安裝。通過大底板上搭設的支架及設置的滑移軌道，將2件超重鑄鋼節點分別采用1臺550 t汽車吊吊裝至滑移軌道上，并通過牽引將鑄鋼節點滑移至安裝位置就位。

4.2.4 前庭“人”字形框架構件安裝技術

前庭7層以下為“人”字形框架柱，跨度達72 m，跨中高度逾30 m，框架柱上下口兩端均與鑄鋼件節點連接，由于柱呈傾斜狀態且無任何支撐體系，同時質量又大，無法進行整體吊裝，僅能采取分段安裝，因此在安裝過程中必須搭設臨時支撐來穩定。根據結構特點，每個分段位置需搭設一組臨時支撐，臨時支撐設置于首層梁上，采用獨立鋼管柱和格構柱2種形式（圖10）。

圖10 前庭“人”字形框架構件安裝布置

4.2.5 斜框架柱安裝技術

斜鋼柱就位后為傾斜狀態，根據結構形式，按傾斜狀態劃分為2種，第1種為單向傾斜，第2種為雙向傾斜，按其傾斜重心位置與結構所處的位置，又分為結構內傾斜和結構外傾斜2種形式。

對于結構內傾斜鋼柱，全部通過設置臨時支撐對柱進行支撐穩定，斜鋼柱的下端通過在鋼柱對接處設置臨時連接耳板及卡碼來固定，斜鋼柱安裝后，安裝與鋼柱相對應的鋼梁，使其形成一個穩定單元體。

對于結構外傾斜鋼柱，由于無法搭設臨時支撐，故斜柱安裝時，斜鋼柱的下端通過在鋼柱對接處設置臨時連接耳板及卡碼來固定，上端則采用手拉葫蘆在傾斜向的相反方向進行定位穩定，在斜柱調整時起調節作用。

4.3 傾斜鋼柱測量定位技術

本工程于7層處發生收腰變化，使得7層以下外框柱呈內傾斜狀態，即內傾斜鋼柱（是指其水平投影未超出其下部相鄰樓層范圍的斜鋼柱）；7層以上外框柱呈外傾斜狀態，即外傾斜鋼柱（是指其水平投影已超出其下部相鄰樓層范圍的斜鋼柱）。

外傾斜鋼柱的測量定位不同于內傾斜鋼柱，內傾斜鋼柱在安裝過程中可通過在底部樓層鋼梁上加設剛性支撐來輔助該鋼柱的測量定位和臨時性固定，且在自重作用下，內傾斜鋼柱沿傾斜方向的后續變形較小；外傾斜鋼柱在安裝過程中可通過“手拉葫蘆＋鋼絲繩”相結合的方式來輔助該鋼柱的測量定位和臨時性固定（手拉葫蘆的作用為在測量定位過程中對斜鋼柱進行微調），但因鋼絲繩呈柔性，在斜鋼柱自重作用下，外傾斜鋼柱的后續變形較大，故在測量定位過程中還需根據預先計算的后續變形值對其進行預偏處理。

為減小斜鋼柱校正的工作量，預先找出斜鋼柱的重心，并根據此重心在斜鋼柱上設置斜吊吊耳，確保斜鋼柱起吊角度接近理論傾斜角度；根據業主提供的坐標點，引出儀器架設點的坐標；斜鋼柱吊裝就位后其下端用普通安裝螺栓通過連接板固定上下耳板，上端通過鋼絲繩＋手拉葫蘆與鋼梁上翼緣預設耳板進行拉結固定；斜鋼柱在校正時，其下端通過起落吊鉤并用撬棍調整柱間間隙，對于錯邊及扭轉可通過千斤頂進行調整；斜鋼柱的上端主要通過手拉葫蘆微調，微調時要確保與測量工作的同步性。測量時選取2個邊中點，并分別放置棱鏡片，將邊中點實測坐標與理論坐標進行對比，并根據對比結果進行相應調整。另外，考慮到鋼絲繩＋手拉葫蘆定位的斜鋼柱后續變形大的特點，斜鋼柱在校正時需沿后續變形方向的反方向進行預偏，預偏值為（a＋2） mm，其中，a為后續變形計算值。

5 結語

中信銀行杭州分行新建金融辦公用房工程為巨型鋼結構體系，施工過程具有顯著的特點和難點。類似工程結構施工時，應在施工前期合理地分析出工程結構的重難點，采用有限元軟件分析結構的變形，并采取有效的變形控制措施和監測措施，使結構在施工過程中處于安全可靠的狀態。對于典型構件，應該通過不同的吊裝方式、施工方法進行組合吊裝和安裝施工，從而有效地解決施工進度、質量等問題，確保工程進展順利。