巨型多腔體多邊形鋼管柱現(xiàn)場(chǎng)定位及安裝施工

孫燾 倪衡 鮑宏春

昆明建設(shè)咨詢管理有限公司 云南 昆明 650031

引言

昆明春之眼商業(yè)中心主塔樓工程每層分布6根角部多腔體多邊形超大巨型鋼管柱（圖1），截面形式為五邊形，最大截面尺寸4811mm×2722mm×2880mm×4489mm×707mm×100mm（圖2），主要材質(zhì)為Q345C，Q390GJCo首節(jié)多腔體多邊形巨型鋼管柱的連接形式為栓接，由91根高強(qiáng)錨桿與柱底板連接。綜合考慮交通運(yùn)輸?shù)纫蛩兀瑢?duì)巨柱分段設(shè)計(jì)，每段分9個(gè)腔3片拼裝而成（圖3），單片構(gòu)件重達(dá)34t。最大單層巨柱焊縫長(zhǎng)度為215m，所需焊絲重量為7.3t。

圖1 根角部多腔體多邊形超大巨型鋼管柱

圖2 巨柱截面尺寸

圖3 超大巨型鋼管柱截面示意

1 重難點(diǎn)分析

多腔體多邊形巨柱現(xiàn)場(chǎng)定位施工控制網(wǎng)是整個(gè)測(cè)量工作得以開展的基礎(chǔ)。其合理與否直接關(guān)系到施工定位的成敗。如何按設(shè)計(jì)要求將構(gòu)件定位至設(shè)計(jì)位置，安裝軸線定位與標(biāo)高控制是測(cè)量作業(yè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)；如何消除構(gòu)件吊裝過程中因自重產(chǎn)生的變形，因溫差造成的縮脹變形，因焊接產(chǎn)生的收縮變形等造成的誤差累積，使構(gòu)件的空間位置符合設(shè)計(jì)要求，也是需重點(diǎn)考慮的問題；巨柱安裝量大，精度要求高。錨栓群密集復(fù)雜，一次穿孔率精度要求高。構(gòu)件出廠前先預(yù)拼裝（圖4），焊接順序按先里后外、先主后次原則，即先焊接巨柱內(nèi)筋板橫焊縫，后焊縫巨柱內(nèi)部筋板立焊縫，再焊接翼板對(duì)接橫焊，最后焊接翼板拼裝立焊縫。實(shí)施前采用有限元計(jì)算分析（圖5）焊接前變形采取預(yù)控措施；在焊接過程中使用3D掃描技術(shù)，對(duì)過程動(dòng)態(tài)變形量進(jìn)行監(jiān)控[1]。

圖4

圖5

2 施工工藝

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際操作，總結(jié)出了巨柱焊接的施工工藝，就是一句話：“預(yù)埋準(zhǔn)、柱分段、強(qiáng)預(yù)控、重驗(yàn)收”。現(xiàn)場(chǎng)的施工和管理也是圍繞此句話進(jìn)行，最終使得巨柱的安裝成功落地。

2.1 “預(yù)埋準(zhǔn)”

針對(duì)預(yù)埋件的定位測(cè)量控制，是巨柱成功焊接和安裝的基礎(chǔ)，只有定位準(zhǔn)了，才能有效控制超高層建筑結(jié)構(gòu)的定位偏差。

2.1.1 根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)位置用全站儀在鋼柱處混凝土的相應(yīng)位置確定各鋼柱、型鋼柱定位軸線的準(zhǔn)確位置，并在每個(gè)混凝土面上做出標(biāo)記。

2.1.2 將高強(qiáng)錨桿定位鋼支架上的定位軸線與混凝土面上的定位軸線對(duì)正，使高強(qiáng)錨桿精確定位。在混凝土澆筑前，將柱定位鋼板的基準(zhǔn)線反測(cè)到基坑周圍的固定位置并做紅色標(biāo)記作為長(zhǎng)期的測(cè)量點(diǎn)，以備 混凝土澆筑完畢后復(fù)核高強(qiáng)錨桿的位置。

2.1.3 高強(qiáng)錨桿固定后，為避免混凝土澆搗時(shí)發(fā)生偏移，須設(shè)置實(shí)時(shí)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)錨 桿偏位，應(yīng)改變澆搗方向或用倒鏈拉拽進(jìn)行補(bǔ)救。

2.1.4 筏板澆筑完成后，依據(jù)控制點(diǎn)再次測(cè)放柱腳螺栓的軸線和標(biāo)高，調(diào)整巨柱柱腳螺栓孔位置。確定柱腳螺栓位置后，將其坐標(biāo)反映到圖紙上，工廠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際坐標(biāo)位置在巨柱柱底板上開孔。按地腳錨栓的偏差數(shù)值，反向要求巨柱柱底板開孔的允許偏差，以提高安裝速率，減少安裝誤差。

地腳錨栓預(yù)埋允許偏差見表1

表1 地腳錨栓預(yù)埋允許偏差

2.2 “柱分段”

巨柱分段主要考慮，主塔樓巨柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量較重，為滿足運(yùn)輸、吊裝和焊接要求，并滿足GB 50755-2017《鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》第11.2.4條強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，吊裝作業(yè)必須在起重設(shè)備的額定起重量范圍內(nèi)，故對(duì)巨柱進(jìn)行分段和分片，使其截面尺寸和重量符合要求。

2.2.1 首節(jié)巨柱吊裝。首節(jié)巨柱采用四點(diǎn)吊裝，為使巨柱精準(zhǔn)就位，利用Tekla找出巨柱重心點(diǎn)并做標(biāo)記（圖6），在巨柱重心上方綁扎1根固定繩和3根調(diào)節(jié)繩，使用倒鏈調(diào)平巨柱后起吊。

圖6 巨柱重心點(diǎn)位置示意

2.2.2 首節(jié)巨柱安裝。巨柱測(cè)量控制點(diǎn)在外壁對(duì)角點(diǎn)上（圖7），用油漆做記號(hào)并根據(jù)圖紙算出柱控制點(diǎn)的三維平面坐標(biāo)。柱吊裝到位后使用全站儀根據(jù)三維平面坐標(biāo)核正鋼柱。將小棱鏡置于控制點(diǎn)上逐一測(cè)設(shè)，直至柱的設(shè)計(jì)坐標(biāo)與儀器所測(cè)坐標(biāo)吻合。

圖7 巨柱主要測(cè)量控制點(diǎn)

待筏板混凝土強(qiáng)度符合要求后，根據(jù)實(shí)際情況分片安裝巨型鋼管柱。將安裝部位混凝土表面鑿毛，以利于灌漿料結(jié)合，在高強(qiáng)錨桿上安裝定位螺母，用于控制標(biāo)高及垂直度。

由重到輕分片依次安裝，整體考慮到操作方便，有效控制以及吊運(yùn)合理，采取的方式為：“由內(nèi)而外，自下而上”。具體步驟如圖8所示。

圖8 首節(jié)巨柱安裝步驟

2.2.3 首節(jié)巨柱焊接。巨柱焊接由于巨柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鋼板最厚達(dá) 100mm，焊接量大，焊縫長(zhǎng)度長(zhǎng)，易發(fā)生應(yīng)力集中，收縮拉裂等情況。根據(jù)分段、安裝順序和施焊難度，盡量減少焊接殘余應(yīng)力對(duì)巨柱的變形影響，制訂焊接順序，故現(xiàn)場(chǎng)具體的實(shí)施過程中采取了“先加熱、再焊接、由內(nèi)而外、先主后次、先橫后豎，內(nèi)隔板對(duì)稱焊”訣竅來指導(dǎo)實(shí)施，最終焊接質(zhì)量得到了有效保證，通過了全國專家的評(píng)估，順利完成了驗(yàn)收。

2.2.3.1 “先加熱、再焊接”。巨柱拼裝完成，焊接前用電或火焰加熱進(jìn)行預(yù)熱，以減少焊接殘余應(yīng)力對(duì)巨柱的變形影響。

2.2.3.2 “由內(nèi)而外、先主后次”。經(jīng)設(shè)計(jì)單位核實(shí)，本工程橫焊縫為主要焊縫，故整體遵循由內(nèi)向外、先焊主焊縫后焊次焊縫的原則，即先焊內(nèi)隔板與內(nèi)壁板，后焊外壁板。

2.2.3.3 “先橫后豎”。外壁板焊接引弧與收弧處應(yīng)避開對(duì)接口，在同時(shí)存在橫、立 縫的情況下先焊接橫焊縫。

2.2.3.4 “內(nèi)隔板對(duì)稱焊”。內(nèi)隔板橫焊由中間向兩側(cè)對(duì)稱焊接，以減少焊接變形收縮量。立縫采用自下向上，多層多道焊的焊接方法。

2.2.3.5 首段巨柱底板焊接順序如下（如圖9所示）：圖9中①為焊接巨柱內(nèi)部立焊縫（從底板往上焊接）；②為焊接巨柱內(nèi)部中間底板焊縫；③為焊接巨柱外壁立焊縫；④為焊接底板外側(cè)的橫焊縫。同一焊接步驟均為對(duì)稱施焊[2]。

圖9 焊接順序

2.3 核心焊接工藝

超高層結(jié)構(gòu)的核心焊接工藝就在于厚板焊接，巨型鋼管柱鋼板厚，焊接接頭形式復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)焊接難度大，厚鋼板一旦發(fā)生變形，矯正變形也較困難， 因此，對(duì)厚板焊接制訂了工藝，“先約束、再控溫、多層多道焊、熱處理消氫”。

2.3.1 “先約束”，焊接時(shí)增加約束板。焊前進(jìn)行預(yù)熱，加熱片設(shè)在焊縫兩側(cè)或采用火焰加熱，預(yù)熱溫度80～120°。

2.3.2 “再控溫”，焊接層間溫度控制在120～250°。每焊完一道即對(duì)焊縫進(jìn)行層間清理打磨錘擊，以減少焊接應(yīng)力。用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量焊接溫度，嚴(yán)格控制層間溫度（紅外線測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)測(cè)量距離焊縫100mm處）。

2.3.3 “多層多道焊”，先焊接主縫，在焊縫厚度達(dá)到40mm時(shí)，進(jìn)行清根和打磨，焊接時(shí)道與道之間的起弧點(diǎn)和收弧點(diǎn)不應(yīng)出現(xiàn)在同一位置。所有焊縫均采用多層多道焊，層間起弧點(diǎn)應(yīng)錯(cuò)開30mm以上。最后一道焊縫避免靠近母材兩側(cè)，焊接應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，不得間斷。

2.3.4 “熱處理消氫”，焊后立即采用局部熱處理進(jìn)行消氫處理，用保溫棉保溫3h后自然冷卻。

3 “強(qiáng)預(yù)控”

本工程鋼結(jié)構(gòu)施工難度大、質(zhì)量要求高，得以成功實(shí)施的關(guān)鍵就在于質(zhì)量的預(yù)控必須加強(qiáng)，質(zhì)量控制措施必須嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵工序作業(yè)指導(dǎo)書，進(jìn)行交底和施工操作，保證施工過程和質(zhì)量監(jiān)控檢查有序開展。

4 “重驗(yàn)收”

由于本工程的鋼結(jié)構(gòu)超高層巨柱焊接在全國范圍內(nèi)沒有可控參考的現(xiàn)行規(guī)范，導(dǎo)致了完成實(shí)施后，驗(yàn)收成了一大難題。故本項(xiàng)目針對(duì)巨柱焊接及驗(yàn)收組織兩次全國專家會(huì)，邀請(qǐng)清華大學(xué)王元清教授、中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)耿樹江等五位專家前來指導(dǎo)（圖10），確定本工程巨柱驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，即“垂直度偏差能控制形心偏差和扭轉(zhuǎn)偏差，建議取消形心偏差及扭轉(zhuǎn)偏差控制要求”，提出垂直度偏差、錯(cuò)邊控制參數(shù)[3]。

圖10 專家研討會(huì)

5 結(jié)束語

目前，在多腔體多邊形超大巨型鋼管柱安裝焊接方面相關(guān)可參考的文獻(xiàn)較少，本項(xiàng)目為保證首節(jié)巨型鋼管柱和基礎(chǔ)錨栓群定位連接精度，在現(xiàn)場(chǎng)定位、鋼管樁拼裝、吊裝焊接等工序制訂了正確的施工工藝和質(zhì)量保證措施，取得了良好效果。此實(shí)例提供了一種巨型多腔體多邊形鋼管柱現(xiàn)場(chǎng)定位及安裝施工的思路，望能為此領(lǐng)域研究有所借鑒與幫助。也希望通過此篇文章收獲大家的優(yōu)秀建議，為接下來類似項(xiàng)目的實(shí)施提供思路與素材。