超高層超厚外伸臂桁架鋼結構關鍵施工技術

李廣大， 朱明華， 張 帥， 武燕妮

（中建一局集團建設發展有限公司，北京 100102）

隨著我國城市化進程的不斷推進，越來越多的高層、超高層建筑出現；而鋼結構由于輕質、高強、韌性好、材質均勻以及較鋼筋混凝土更符合國家“雙碳”要求等優點得到廣泛應用[1]；但超高層超厚外伸臂鋼桁架加工、制作及安裝過程中強度及穩定性的保證仍有不足。本文通過對鋼結構加工、制作、安裝、焊接等多個步驟的研究分析，總結超高層超厚外伸臂鋼桁架關鍵施工技術，希望能為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某混合框架-鋼筋混凝土核心筒的鋼-混凝土混合結構總高度184.4 m。鋼結構主要分布在主樓，柱頂標高181.86 m，材質主要為Q345B。

混凝土核心筒以埋件的形式與外伸鋼梁連接，鋼梁再通過高強螺栓連接及焊縫連接的方式與外圍鋼管柱連接，形成外伸臂鋼結構體系[2]。見圖1。

部分樓層采用桁架作為鋼結構的加強支撐。鋼管柱為圓管截面，桁架上下弦桿、腹桿均為H 型鋼，其鋼管直徑有14 種規格，其中最大截面為?1 100 mm×35 mm；最小截面為?700 mm×12 mm，主要材質為Q345C。桁架層鋼板最厚為90 mm，主要截面為H型鋼，主要材質為Q390GJC-Z15、Q390GJC-Z25、Q390GJC-Z35 等。鋼管柱通過鋼梁與混凝土核心筒連接。見圖2。

圖2 桁架層鋼梁與鋼柱連接

2 超高層超厚外伸臂桁架鋼結構安裝

2.1 深化設計和排版

1）深化設計是為了保證鋼構件在工廠加工及現場焊接過程中的可操作性，使圖紙深度不但能夠滿足鋼材采購要求，還滿足加工圖設計的要求。預先做好與土建鋼筋連接及機電設備留洞等前期設計工作。鋼結構深化設計圖紙是鋼材采購的依據，因此，圖紙的深化質量將直接影響到鋼材采購量的準確性。在鋼材采購前，充分做好設計圖紙的深化、審核、復審等工作，保證鋼材采購量盡可能的貼近實際用量，避免后期補購的情況發生[3]。

2)鋼結構工程施工，鋼板使用量控制至關重要，合理的排版圖可以有效避免鋼板在生產過程中的浪費，見圖3。

排版考慮因素包括道路交通運輸；工廠加工能力；工廠工藝條件；工廠場地條件；工廠設備條件。

2.2 構件加工

2.2.1 鋼結構制作難點

1）異形截面鋼柱加工精度控制

板拼次數多，必須經多次組裝和焊接才能成形，并且異形截面柱的制作精度由組成的各單體組裝精度決定，多次組裝增加組裝及焊接過程的誤差累計和變形；因此要嚴格控制和提高異形截面柱分解后各單體的制作精度，以保證異形截面柱的整體精度。

2）桁架加工整體尺寸控制

（1）柱節點斜牛腿的位置受其裝配精度和焊接變形影響。對單件牛腿成型誤差嚴加控制，裝配及焊接時應在各類型構件的預制胎架上加工，便于利用拘束板和擋板對組裝精度的查驗和控制，利用全站儀對桁架加工尺寸進行核對，進一步提高組裝精度。

（2）帶斜撐的梁水平面控制直接影響桁架的安裝是否處于一個垂直面內。根據梁的不同形狀，制作相應胎架，利用胎架和水平尺使鋼梁處于水平狀態裝配、焊接和驗收。

（3）桁架中部分構件接口較多，彼此間的安裝難度較大，尺寸控制較為嚴格。單獨構件嚴格按照相關要求加工完成后，進行整體預拼裝。預拼裝要求在相應的胎架上將桁架層構件在水平方向上進行模擬現場的安裝。

3）焊接應力控制

從裝配的各個環節控制可能出現變形及產生應力的誤差，包括鋼板平整度、下料、裝配及坡口尺寸精度，優化焊接順序和焊接工藝等，如有長度＞1 m的焊縫，要采用多人同時施焊或分段退焊法；異形截面柱等復雜的構件采用分部組裝、各部分焊完分別矯正，以減少整體拼裝焊接后的變形；采用CO2氣體保護焊打底，單絲埋弧焊填充，雙絲埋弧焊蓋面的焊接方法等[4]。

2.2.2 鋼結構制作

1）異形截面鋼柱、鋼桁架節點裝配。異形截面分解為多個對稱和規則的截面拼裝體，化整為零，最大限度利用生產線流水作業。桁架節點采用合適的裝配順序減小焊接難度并提高焊接質量。

2）焊接變形。根據焊接的變形特點等在制作前對其合理位置進行反變形。

3）（預）拼裝。桁架存在較多的焊接接頭和活栓接接頭，為保證安裝順利，桁架須在出廠進行拼裝。

2.3 鋼結構吊裝

2.3.1 吊裝難點

超高層建筑外觀造型奇特、高度較大，受結構自振、風振、日照和施工過程中的變形的影響，平面定位及高程控制均難以精細控制，直接造成測量難度。

2.3.2 吊裝工藝

1）鋼柱就位。鋼柱安裝就位前將地腳螺栓調節螺母的頂標高調節到柱底標高，鋼柱就位后垂直度調整完畢，緊固調整螺母使其與柱底緊密接觸。用專用角尺檢查，調整鋼柱使其定位軸線與基礎定位軸線重合，誤差控制在3 mm以內。

2）鋼柱測量校正。用2臺經緯儀從柱子側面一米線同時觀測，依靠千斤頂和攬風繩校正，見圖4。

圖4 鋼柱就位測量校正

3）鋼梁起吊。鋼梁采用2 個吊點進行吊裝，起吊時在鋼梁的兩端分別掛2 根溜繩，2 個人分別拉住溜繩，鋼梁開始起吊速度一定要慢。

4）鋼梁就位。鋼梁吊至就位位置上方后，開始下落，控制下落速度，接近就位位置時，安裝工人要分別用手扶住鋼梁，將鋼梁拖至就位位置。

5）鋼梁臨時對位固定。吊升到位后，按施工圖進行對位。用普通螺栓擰緊，普通螺栓的數量不得少于該節點螺栓總數的30%且不得少于2個。

2.4 超厚鋼板焊接施工

2.4.1 焊接難點

工程所用鋼板厚度大，壓制過程中受設備限制，Z向性能比薄鋼板差，有不同程度的層狀撕裂傾向，再加上現場超厚鋼板焊接時間長，導致鋼結構焊接一旦變形過大就無法矯正，焊縫質量難以保證。

2.4.2 焊接工藝

針對厚鋼板普遍存在小波浪的不平整現狀，加工廠在鋼板下料前應用整平機進行矯平，減小厚鋼板加工制作產生的焊件不平度；選擇1/3δ、2/3δ（δ為鋼板厚度）不對稱的坡口形式，其坡口角度宜控制在30°～60°；還要控制焊接順序，做到以變制變，根據焊件的變形情況及時調整焊接順序[5]。

由于現場厚板焊接填充量較大，采用藥芯焊絲CO2氣體保護焊，兼有氣保焊和手工焊兩方面的優點，工藝性能好、易操作，施工效率是焊條電弧焊的3～4倍，冶金反應完善，晶間腐蝕性能及低溫沖擊性能均較理想；特別是弧穩，飛濺少，焊縫成形光滑美觀，熔敷效率高，一般可達75%～85%，而且適用于全位置焊。

3 結語

本文結合某工程超高層超厚外伸臂桁架鋼結構施工技術，對深化設計及排版、鋼構件加工、鋼結構吊裝、超厚鋼板焊接施工等工藝進行細致地分析及研究，給出了施工過程中超厚鋼板節點焊接的難點解決措施，解決了超高層超厚外伸臂桁架鋼結構施工中精度及焊縫強度難以保證的問題，為類似超高層超厚外伸臂桁架鋼結構安裝施工提供了一定的參考依據。