空間曲線造型鋼結構吊裝施工技術

吳亞芳

（中鐵五局集團建筑工程有限責任公司 上海 200443）

1 工程簡介

某工程鋼結構主要為E、F、G、J塔樓幕墻鋼架（其中E塔樓23層，F塔樓27層，總建筑面積106770.27m2；J塔樓26層，G塔樓22層，總建筑面積101761.13m2），鋼構件主要為分布于各塔樓屋面頂層及部分外墻立面。四座塔樓用鋼量分別約為300T、280T、320T、330T，合計總重約為1230t；鋼架數量E樓41榀、F樓39榀、G樓40榀、J樓45榀，共計165榀，主要由鋼柱、鋼架梁、拉桿、支撐桿等組成，主要截面形式為箱型構件和 H 型鋼，主要截面規格有□500×220×16×16、□400×300×16×16、□400×220×16×16、□400×220×12×12、□300×220×16×16、□300×220×12×12、H350×250×16×16、H300×220×12×12 等。單榀重量約 7.5t，每榀鋼架結構均不一樣，呈空間曲線造型，寓意為“高山流水”。

圖1 建筑物模型

2 工程重點及難點

（1）所有165榀幕墻鋼架均為不規則弧形箱體結構，下料前需對深化圖進行合理排版，使用數控切割，盡量減少材料損耗。組對時在平臺上一比一放樣，復核尺寸后再進行組對。

（2）構件均為異形構件，為提高運輸車輛的使用效率，在合理安排構件進場順序的情況下，盡量將大小弧形錯開擺放以提高車輛裝車率。

（3）幕墻鋼架單片高度均超過10m，吊裝后難以固定。因此，安裝時必須嚴格按照順序安裝，并且安裝完一榀就安裝該部位的拉桿和支撐梁使兩榀幕墻鋼架連成穩定的整體結構，安裝后使用纜風繩固定在預先埋在混凝土梁上的固定點上，矯正與安裝同時進行，嚴禁松動柱腳螺栓進行調整。

（4）因弧形結構測量時控制點不好抓取，故事先使用三維模型將控制點預先設在比較容易測量的部位，吊裝時再使用全站儀進行三維測量。

（5）幕墻鋼架每榀均為不規則構件，需在深化設計時計算出每榀構件的中心進行吊點的設置。

3 施工方案的選擇

3.1 鋼構件分段原則

（1）鋼梁分段主要以滿足結構及運輸條件為主進行分段，按照掛車的運輸寬度和長度主要以2～3段為主，個別較長或弧度較大的分成4段。

（2）以E區GJ1為例：構件重量為7134kg，出廠時按照普通12m半掛車考慮，需如圖2分為四段。

圖2 運輸分段

制作時分別以C、D地塊的E、F、G、J塔樓的編號對廠內各施工階段及各部位鋼構進行編號：異性鋼結構的編號（以E塔樓為例）：分別為EGJL1、E-GJL2、E-GJL3、E-GJL4、E-GJL5、E-GJL6……、E-GJL41；由于鋼架較大，必須進行分段，每榀每段鋼架梁（含桁架部分）編號為E-GJL1a、E-GJL1b、E-GJLc……考慮到不同曲線特征走向，避免安裝出錯，每榀每段鋼架梁（含內附桁架）不但要分別編號，還要在每段鋼架梁兩端同一側面分別標記數字1、2、3、4、5…，安裝時按數字排列順序對接。

3.2 異形構件下料、組裝、預拼裝分析（見表1）

3.3 鋼結構安裝施工操作架方案

本工程各塔樓幕墻屋頂鋼結構安裝高度錯落不一，鋼構件分布于樓層呈錯層梯階，主要構件為大型曲線坡面異形鋼（桁）架，腳手架搭設平均高度約13m。

（1）因鋼架吊裝采用整榀吊安裝法，原主體結構施工時所用的型鋼懸挑腳手架已拆除，為方便鋼構水平連桿的安裝，加快施工進度，同時保證施工安全和質量，將原有搭設滿堂腳手架的方案改成井式施工梯架。

（2）梯架由大底盤及爬梯兩部分組成，大底盤為2000×2000×1200mm的鋼矩形框架，由L56*4mm的角鋼焊接而成；中間預留900×900mm空洞，以便爬梯架能插入大底盤，爬梯踏步采用φ20×2mm的鋼管與L56*4mm的角鋼焊接成閉合的箱型梯，現場共作3m長度的4副，6m的4副，8m的2副。

（3）安裝時先將大底盤擺放在需焊接連桿底部，然后插入爬梯，固定爬梯及底盤，適當調整底盤位置以便鋼構件吊裝。吊裝南北側鋼構件時，用鋼管將爬梯與框架柱連接加固；屋面使用時在爬梯中部四大角用鋼管進行斜撐加固。

（4）梯架內需要站人的位置，鋪設鋼絲網片，網片用自攻釘固定在梯架上，以便作業人員有平臺可以站立。

3.4 吊裝機械的選用

（1）表2為吊裝單元分析表。

（2）因結構施工使用的四臺塔吊最大臂長為55m，限重6t，故鋼構吊裝選用1臺中聯QUY450型履帶吊使用主臂85m，超起半徑15m后配重140t車身壓重40t的工況下，88m回轉半徑時起吊高度為115m，可以吊裝10t，可進行所有構件的安裝，另外選用兩臺25t汽車吊進行卸車，拼裝等配合工作。

表1 E塔GJ1構件的下料、組裝、預拼裝流程

表2

（3）吊索采用6×37+1?22-1670鋼絲繩，卸扣選用S-DW12-11/4型，在吊裝過程中采用5t葫蘆調整構件角度。采用雙吊點吊裝法，對于桁架段采用鋼絲繩捆綁桁架上弦桿的做法，對于剛架段采用設置吊耳，鋼絲繩穿過吊耳的方法。

（4）履帶吊站位點距離地下室頂板側壁邊線6m；距離最遠點鋼架75m，起重量 8.4t。

3.5 鋼構件焊接應力應變控制措施

（1）為了有效控制焊接變形，達到盡可能減小焊接熱輸入的目的，本次柱梁焊接節點采用窄間隙小坡口形式，同時采用對稱跳躍的焊接方法，使得焊接應力具備釋放條件。

（2）本次鋼構件型式主要為箱型結構，柱、梁等剛性接頭的焊接施工，應先從整個結構的中間構件上施焊，形成框架后向左、右擴展焊接。嚴禁將合攏焊口布置在桿件應力集中的地方，如圖3所示。

圖3 箱形構件對接焊接順序

（3）當焊接鋼柱～鋼梁連接時，先焊接梁的下翼緣板與柱連接處，再焊接梁的上翼緣板與柱的連接；最后同時對稱焊接梁的腹板。

（4）當進行鋼柱～鋼柱的對接時，由兩名焊工從兩側不同方向同時對稱作業，先焊翼緣板，后焊腹板。在焊接過程中可采用分段跳焊法，以免焊縫層間溫度過高。

4 安裝施工部署

按照原有塔樓的樓號劃分為E、J、F、G、四個區域，安裝順序為F-G-E-J。

（1）F區從GJ1線至GJ39線順序安裝（從最遠處F-1軸至最近處F-8軸安裝）。

（2）G區從GJ40線至GJ1線順序安裝（從最近處G-8軸至最遠處G-1軸安裝）。

（3）E區從GJ41線至GJ1線順序安裝（從最遠處E-9軸至最近處E-1軸安裝）。

（4）J區從GJ1線至GJ45線順序安裝（從最近處J-1軸至最遠處J-8軸安裝）。

5 施工現場準備

（1）會同相關單位對定位軸線進行交接驗線，做好記錄。復測完定位軸線后，開展測放構件的軸線位置與標高等工作。

（2）根據工程施工總體安排，為了保證鋼構件進場后能順利吊裝，提前安排好履帶吊、汽車吊、塔吊和氣保焊機、直流焊機小型工器具等進場及協商好使用時間等。

（3）合理安排構件進場順序，一定要認真檢查貨運單上的構件數量及編號是否與深化圖上的編號相符，在保證現場使用的前提下盡量將大小弧形錯開擺放。

（4）根據現場實際施工的需要和安裝施工措施的要求，確定支撐架，支撐平臺，安全通道，安全維護網，安全警戒線等設施用量，按統一的行業標準進行準備和采購。

（5）根據各個主要吊裝的工藝，確定吊索具的規格和數量，對吊索具進行檢查，做好吊裝技術交底事宜。

6 施工方法

6.1 鋼結構安裝施工原則

所有的幕墻鋼架分段進場后，在現場使用25t汽車吊進行卸車拼裝。拼裝后使用400t履帶吊按照N、M、L、K四個區域、由低到高的順序逐一安裝幕墻鋼架，并在每安裝完一榀后即安裝所有與之配套相連的拉桿或者支撐梁使兩榀幕墻鋼架連成穩定的整體結構。

6.2 柱腳段及預埋件安裝

（1）采用直埋法預埋螺栓，由于地腳錨栓埋件的形式是單根螺桿，相互之間不能形成穩定的結構體系，因此地腳錨栓需要制作專門的支架固定地腳錨栓和支撐鋼柱地腳段。

（2）因部分柱底標高比承臺底標高要高，出現了部分懸空狀態，為確保穩定必須將部分鋼柱錨栓支架制作長度達到混凝土承臺底部，以此對上部結構起到可靠支撐作用。因而，針對不同鋼柱截面要設計形式、尺寸不同的固定支架。

（3）鋼架安裝前，必須對現場的地腳螺栓預埋情況進行二次復測；在正式吊裝時，對已拼裝好的鋼架進行試吊，同時測量兩個柱腳定位孔的孔間距，孔間距符合測量放線的地腳螺栓間距的方可進行吊裝，如圖4所示。

（4）為保證高空柱的安裝精度，在幕墻框架的內外兩側，同時設置工藝卡板和輔助頂推設備在小范圍內確保各個斷口的精確對位。同時在柱的四周搭設操作平臺，即保證了鋼柱的穩固性又保證施工的安全和方便。

圖4 柱腳螺栓直埋法

6.3 鋼架梁吊安裝

（1）大鋼架梁分段運至現場，按深化圖尺寸拼裝成整榀。

（2）為了在安裝過程中鋼架形成穩定單元，鋼架在地面進行拼裝時需增加兩組L75*5mm臨時支撐組成一個框架形式，防止鋼架在吊裝過程中扭曲變形。鋼架焊接完成后再將臨時支撐割除，打磨、補漆。

圖5 鋼架與臨時支撐

（3）復核埋件定位十字線及標高，在鋼架梁支座頂部畫好十字控制線。

（4）由于是多段異形曲線弧形鋼架，底部不在同一樓層，故采用捆綁式二點吊裝法。兩端設置平衡穩定控制纜風繩，人力控制吊裝過程中的鋼架平穩。一根為固定長度千斤繩，4t以下鋼架另一根為調節千斤繩，5t以上鋼架兩端均為固定千斤繩，其中一端輔以調節千斤繩（由5t手拉葫蘆與鋼絲繩組成），安裝定位時調節鋼架角度。

（5）整榀鋼架提升至安裝部位后，將底腳支座十字線對齊安裝十字線輕輕落下，初步緊固支座螺栓，安置臨時支撐。根據平面投影線，用經緯儀校正鋼架垂直度，校正無誤后，用臨時支撐穩固鋼架，緊固支座螺栓后再松鉤。

（6）各區域選取與結構最近的一榀鋼架做為首榀鋼架安裝。第一榀鋼架吊裝上去后，立即安裝連梁以形成一個吊裝的穩定單元。由于第一榀鋼架的水平連桿長度只有30cm左右，操作人員站在樓板上將其與鋼架和混凝土梁上埋件焊成整體，保證第一榀鋼架的穩定性。

（7）通過履帶吊或塔吊將井式梯架豎立到位，人員從梯子的內面往上爬，在連桿的相應高度位置，將梯架與已固定好的第一榀鋼架，通過麻繩和角鋼連成整體，井梯的3個面腰部再用L5.6*4.0mm支撐鋼梁支撐鋼梁角鋼斜撐，保證梯架的穩定性。

圖6 井式梯架使用

（8）梯架固定后人員撤離，第二榀鋼架吊裝到位（為準確控制兩榀鋼架之間的凈距離，事前制作好一個角鋼定位卡架），塔吊將連桿吊裝到位，人員站在井梯內進行焊接，保證第二榀鋼架與第一榀形成一個整體，如圖7所示。

（9）依次類推，逐一焊接完成其它連桿。對于跨度20m以上的鋼架，采用角鋼增加弧形鋼架的平面外穩定性。角鋼撐用L50*5的角鐵焊接成桁架體系，如圖8所示。

6.4 支撐鋼梁吊安裝

（1）鋼架梁之間的支撐鋼梁安裝與鋼架梁安裝采取流水作業。第二榀鋼架梁吊裝完成后，立即從頂部向下逐根安裝兩鋼架之間的橫向支撐鋼梁。

圖7 單榀鋼架安裝單元

圖8 角鋼桁架

（2）分段鋼架梁與前榀鋼架之間的橫向支撐鋼梁安裝固定與分段鋼架梁吊安裝時同步進行，橫向水平支撐與鋼架梁焊接為襯管焊接，焊縫厚度同支撐管厚。

（3）因主體結構用塔吊限高為105m，有部分支撐鋼梁安裝時會受到塔吊限高的限制。因單根連桿重量只有200kg，故采用塔吊吊到屋面安裝位置，再用人工輔以2t手動葫蘆進行安裝。

7 質量控制技術措施

（1）堅持三級測量復核制，確保中線、水平及結構物尺寸、位置正確。

（2）由于鋼柱傾斜方向及標高的測設直接影響環梁、徑向梁以及上下弦索節點的位置，必須加強對鋼柱傾斜方向及標高的測量精度控制。

（3）為了保證鋼架就位無誤，對于螺栓孔偏移不大，經與設計人員協商，沿偏差方向將孔適當擴大，再換用加大的墊圈進行安裝。如螺栓孔偏移較大，經設計認可，可將原孔塞焊，重新補鉆孔。

（4）鋼架吊裝時，剛架的中心線應與設計軸線吻合，并四面兼顧，采用手拉葫蘆、千斤頂配合進行校正，校正完成后設纜風繩或斜撐拉桿對鋼架進行進一步的穩固。

（5）焊接作業區域要安排防雨、防風及防火花墜落措施。鋼柱、鋼梁連接部位及箱型節點連接處焊接專門設置供2～4名焊工同時同臺作業的焊接操作方形平臺。

（6）鋼構件焊接過程中應注意加熱量平衡，所有焊縫需由質檢員100%進行目視外觀檢查，并記錄成表。如有裂紋、夾渣、焊瘤、焊穿、弧坑、氣孔等缺陷，必須清除后再焊。在完成焊接24h之后，對焊縫進行探傷檢驗。

（7）有涂裝要求的鋼構件制作完畢后在規定的時間內進行Sa2.5等級的除銹處理；無涂裝要求的鋼構件制作完畢后在規定的時間內應進行Sa2.0等級的除銹處理。

（8）針對現場焊接焊縫破損部位，應在焊接完成并檢查合格、對焊渣進行清理后進行補涂。針對運輸及安裝過程中構件破損的部位，在鋼構件吊裝完成后及時進行防銹底漆、封閉漆、中途漆、面漆補涂。

（9）現場補涂的油漆應與構件生產廠使用的油漆品牌、批次相同，隨鋼構件分批進場時一起進入現場查驗。

（10）為達到設計要求的防火涂料厚度，施工時必須分遍成活，前一遍涂料基本干燥或固化后，才能噴涂下一遍，用測針法檢測涂層厚度。

8 安全文明施工措施

（1）鋼結構安裝前，必須對吊裝作業區域、起重機械設備、吊索、吊鉤等進行認真檢查。經安全員確定無誤后方可施工。

（2）吊裝作業區要有足夠的調運通道，并與附近的機械設備、建筑物要有安全距離。在吊裝前先操作一次低位置的試吊，以驗證吊裝方案的可行性；起重設備、吊裝器具的安全性、牢固性。

（3）對胎架、主結構吊裝、檁條安裝、電焊作業等分部（或分項）工程，必須進行分部（項）工程安全技術交底。

（4）履帶吊進場后，先要進行空載實驗、額定載荷實驗（100%負荷）、靜載實驗（100%負荷）、動載實驗（100%負荷），以此檢查各零部件及機構的技術狀況及各機構安全防護裝置的動作可靠性，確保吊裝安全。

（5）井式施工梯架于水平連梁采用柔性固定，保證井字架的上部穩定。同時，操作人員在井字架里操作時把工具包和安全帶系在井字架上。

（6）連桿的吊裝采用吊耳吊裝，以保證吊裝的安全。連桿安裝時，吊裝區域內嚴禁非操作人員進出。

（7）在未進行樓板施工的洞口處拉安全網，形成保護層，每隔一層即滿鋪一道安全網，防止高空墜物。

（8）鋼架就位調整采用千斤頂進行調節，調節完成再利用10號槽鋼與臨時支撐焊接，以防止千斤頂滑落。

（9）在履帶吊作業時，停止塔吊作業，塔吊吊臂旋轉至不影響履帶吊作業的區域；塔吊作業時，履帶吊撤離塔吊吊裝范圍。

（10）履帶吊在每天下班前與塔吊塔機聯系是否影響塔吊吊臂旋轉，如影響塔吊吊臂旋轉，履帶吊在保證自身安全的前提下，進行調整。

9 實施效果

通過鋼結構深化設計，項目部制定了鋼結構制作、分段方案、質量檢測方案、安裝方案、吊裝平面布置及吊裝作業場地處理要求方案，并通過多次專家會審進行局部吊裝工況調整，使鋼構吊裝可操作性、安全性更強。現場嚴格安裝評審過各方案實施，不僅提高了現場施工效率和施工安全，而且保證了復雜鋼結構吊安裝質量。