旋轉鋼樓梯的改造施工技術

張建全

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

1 工程概況

浦東城市規劃和公共藝術中心新建工程位于上海市浦東文化公園地塊內，地下2層；地上4層，是推動規劃公眾參與、知識傳播、設計研究，促進城鄉規劃與市民更好互動的公共建筑。

本工程旋轉鋼樓梯位于浦東城市規劃和公共藝術中心新建工程正中心位置，最高16.7 m，寬10 m，主要構件為箱形1 250 mmh 200 mmh 20 mmh 20 mm，鋼梯踏步為10 mm厚鋼板折彎，踏步下用HW150 mmh 150 mmh 7 m m h 1 0 m m 型鋼做加強支撐，此鋼梯底座采用H300 mmh 200 mmh 20 mmh 20 mm弧形鋼梁，再加50 mm厚弧形鋼板腹板支撐起整個鋼梯，整座鋼梯結構像一條時刻準備騰飛的盤龍，充分展示了現代建筑結構的大方、美觀、輕巧、雄偉的氣勢。

2 施工難點

本鋼梯吊裝時主結構已封頂，外墻高38 m，旋轉鋼梯位于結構正中間，吊裝跨距約50 m，本樓梯重約103 t，故吊裝跨距超大。

由于施工過程中結構本身因自重和溫度變化均會產生變形，而支撐胎架在荷載作用下也會產生變形，加之結構形體復雜，均為箱形斷面構件，位置和方向性均極強，安裝精度受現場環境、溫度變化等多方面的影響，安裝精度極難控制，施工難度大。施工時必須采取必要的措施，提前考慮如何對安裝誤差進行調整和消除，如何進行測量和監控，使變形在受控狀態下完成，以保證整體造型和施工質量。

鋼樓梯體既有薄板焊接，又有厚板焊接，既有平焊、立焊，又有仰焊，既有高強鋼的焊接，又有鑄鋼件的焊接，焊接工作量大。薄板焊接變形大，厚板焊接熔敷量大，溫度控制和勞動強度要求高。高空焊接、冬雨季焊接所需的防風雨、防低溫措施更使得焊接難度增大。

3 前期關鍵技術

3.1 圖紙BIM建模深化方案

旋轉鋼樓梯歷經二次圖紙深化，為使梁板節點處鋼結構與壓型鋼板的連接滿足規范要求，梁板節點處進行了空間坐標檢驗，檢驗前空間坐標的統一，為安裝定位提供了坐標基礎。通過BIM模型的三維可視化原理，精確獲得安裝點位的三維空間坐標數據，應用全站儀等數字化設備進行三維點位的定位。通過全站儀進行取點、放點，實現三維模型中點位坐標與施工現場位置的精確轉換，達到BIM模型尺寸與現場的高度一致，為后期的精細化施工安裝打好基礎[1]。整個鋼梯構件根據現場實際場地和起重方案整體制作后分13小段，車間內均進行預拼裝后發往安裝現場。旋轉鋼樓梯BIM建模效果見圖1。

圖1 旋轉鋼樓梯BIM做法示意

3.2 加工下料與預拼裝方案

1）材料加工機械：構件由數控切割機、數控剪板機、三輥卷板機、600 t油壓機進行加工。

2）材料的下料：構件箱形旁板開坡口按圖紙下料，允許偏差為f 2 mm，坡口角度直接影響焊接質量，上下弧形蓋板數控下料的允許偏差為f 1 mm，下料有凹凸缺陷必須補平磨光。

3）預拼裝制作：構件分13小段制作后在現場對接焊接，制作平臺采用厚30 mm鋼板用水平儀找平，在平臺上每3 m設置1道1∶1的胎架，以現場斷面來作定位基準點，卷圓是整座鋼梯加工的重中之重，難中之難。為控制彎弧精度，經電腦排版后用數控激光切割制作標準弧度靠板，如卷圓弧度達不到圖紙要求，需有經驗的師傅采用火工矯正無誤后，方可組裝。因鋼板厚20 mm，且要同時保證外圓和內圓的弧度均達到設計圖紙要求，火工矯正非常耗材、耗時、耗力；在箱形梁組裝時，又須精確控制垂直度和扭曲度。因踏步板寬度較大，為減少焊接變形，間隔2～3道踏步板均采用14#槽鋼設置臨時焊接支撐。待焊接完成且構件冷卻后再拼裝，如圖2所示。

圖2 構件冷卻后拼裝

4）焊接加工處理：旋轉鋼樓梯在蓋板下面腹板上開45e 坡口，留2 mm鈍邊便于焊接。收縮是焊接過程中的固有屬性，為使結構焊接后能夠滿足公差要求，根據實際情況在加工設計方案中增加下料余量，以補償焊接收縮量，例如總裝現場口處的組合梁在長度方向上增加10 mm的余量，總裝現場組合現場口立面方向高度增加2～3 mm的余量，組合分段理論尺寸增大2～4 mm，保證結構焊接后的尺寸收縮（圖3），增加的下料余量應立足于施工過程中關于焊接收縮的基礎數據，保證此余量與焊接實際收縮量相當，否則就會增加現場對多余的下料余量進行切割的工作量。始焊時引弧在引弧板上進行，焊接過程中再引弧應在焊縫坡口內，不允許在非焊接區的母材表面引弧，以防將母材劃傷。收弧時應將弧填滿，避免出現弧坑裂紋。在焊縫未端收弧時應在熄弧板上進行。對于要熔透的雙面對接焊縫，在一面焊接結束、另一面焊接前，應徹底清除焊根缺陷至露出焊縫光澤，但采用埋弧自動焊并能保證焊透的情況下允許不進行清根。采用背面鋼墊板的對接坡口焊縫，墊板與母材之間的貼合必須緊密，使焊接金屬與墊板完成全熔合（圖4）。

圖3 焊接質量示意

圖4 單片樓梯吊裝分段

4 分段式吊裝施工技術

4.1 大跨度吊裝方案

1）吊裝施工流程：鋼結構旋轉鋼梯由7小段踏步板組成，其中最重分段13.8 t，第1段由LT-1～LT-4組成，第2段由LT-5～LT-7組成，鋼結構旋轉樓梯按照1ü 7的順序依次吊裝。

2）吊裝機械選用：以最重單片鋼樓梯13.8 t計算，構件最高標高49 m。根據本次工況特選用liebherltm1400 400 t 汽車吊塔式工況，主臂36 m＋4 m，輔臂49 m，中央配重40 t，后配重100 t，超起半徑10 m，極限跨度52 m可吊重16.8 t，滿足吊裝要求。吊裝機械見圖5。

圖5 吊裝機械

3）施工時從下往上開始吊裝，首先開始吊裝LT-1第1段踏步平臺，利用5 t起重葫蘆調整好高差，鋼樓梯離地面后調整汽車吊吊臂使之旋轉至軸線位置，起吊前兩端各拴1根纜風繩，可以調整鋼樓梯安裝方向。旋轉樓梯吊裝時，用2臺視線相互垂直的J2經緯儀跟蹤矯正，保證安裝位置精確及吊裝安全。完成后的第1段鋼樓梯情況見圖6。

圖6 鋼樓梯LT-1吊裝完成后示意

4）依照第1段樓梯吊裝法開始吊裝LT-2，樓梯離地后用吊臂將大臂平衡吊至位置線，吊裝完成后調整好位置與LT-1處焊接，LT-2上部設置臨時支撐并與其焊接加固，防止樓梯側偏，形成封閉穩定框架結構。依照同樣次序吊裝完成剩下的分段。當整個旋轉樓梯的鋼結構吊裝完成后，對旋轉樓梯進行整體測量矯正。架設激光垂準儀及水平儀，將平面控制點投遞到施工層，在施工層用全站儀復核平面控制點的邊角關系，不滿足精度要求時應重新投點，直至滿足精度要求[2]。完成后的第2段鋼樓梯見圖7。施工完成效果見圖8。

圖7 鋼樓梯LT-2吊裝施工現場

圖8 鋼樓梯施工完成

4.2 安裝變形監控方案

1）安裝變形測量：為滿足變形監測要求，針對荷載受力區域KL9、KL26及L57受力梁進行梁底變形監測，一旦變形超過跨度的1/300，立即停止施工。測量點位見圖9。

圖9 鋼樓梯檢測梁儀器安置示意

2）測量儀器選擇：項目部選用了美國NIcDAQ-9185型采集機箱、NI 9202型信號采集卡、拉桿式位移傳感器、位移傳感器數字顯示儀、線性穩壓電源、全站儀，作為鋼樓梯安裝精度測量的儀器。主要測量儀器見圖10。

圖10 鋼樓梯偏移檢測主要儀器

3）項目部在監測的梁下面設置一個穩固的底座，底座面距離梁底小于10 cm，然后將拉桿式位移傳感器安裝在底座的上部，并將拉桿固定于梁底，所有連接必須牢固。梁底受力后如發生變形可以直接作用于位移傳感器，并通過位移傳感器數字顯示儀顯示變形值。位移傳感器采集數據后，通過美國NIcDAQ-9185型采集機箱和NI 9202型信號采集卡以及配套軟件將數據進行分析匯總和記錄，并通過無線4G模塊實現手機端的變形值實時顯示、實時報警。整個監測工作視施工工況及監測 對象變化情況，將采取定時與跟蹤相結合的辦法進行。其中數據采集頻率為5 s/次，并在手機端動態實時顯示。通過采集儀在電腦端的采集頻率為5 Hz。

5 結語

通過探索旋轉鋼樓梯的制作加工及安裝技術，實現了對旋轉鋼梯制作安裝、彎圓、弧形胎模組裝、加工精度、加工質量等工藝的全面了解。此外，在大跨度吊裝施工過程中采取防止拼裝變形措施，最后形成了一套完善的大跨度旋轉鋼樓梯施工方案，為今后同類型旋轉鋼樓梯工程的施工提供了很好的經驗參考。