超高層建筑頂部高聳鋼結構安裝技術

韋 斌，孔德輔

（廣西建工第一建筑工程集團有限公司，廣西 南寧 530001）

0 引言

高聳的鋼結構塔尖作為超高層建筑屋頂的標志性裝飾構件，可充分利用鋼結構工業化加工制造程度高、自重輕、抗震性好、安裝精度高等優點，但在鋼結構安裝過程中，由于結構高聳，又是在超高層建筑屋面，往往面臨吊裝困難，在高聳鋼結構塔尖安裝過程中會遇到風力影響大、垂直度精準控制困難等問題，尤其是對變截面、塔尖安裝等，節點處均為多根桿件相交，桿件下料精度要求高，安裝過程中存在塔尖頂部結構焊接工作空間受限、桿件焊接變形難控制等施工難題，高聳塔尖結構構件的加工和安裝難度較大。因此，必須根據現場施工條件，優選高聳結構安裝施工方案，確定合理安裝順序，保證高聳鋼結構施工安全和施工質量。本工程在超高層屋頂采用倒裝提升法安裝高聳鋼結構，高聳鋼結構的安裝質量直接影響整個標志性構件的安全性，其施工技術將是施工控制的重點。

1 工程概況

南寧市五象新區DK國際項目總建筑面積303366m2，其中寫字樓為最高建筑，地上32層，地下3層，總高度209m，核心筒結構。其中核心筒頂部標高為175.000m，核心筒外圍的現澆鋼筋混凝土框架頂部標高為153.420m。寫字樓核心筒外圍的現澆鋼筋混凝土框架頂部標高153.420～175.000m范圍內設置有H型鋼柱和H型鋼梁組成的鋼結構裝飾架。本工程鋼結構工程施工作業自框架結構頂部起，由框架層頂部（核心筒外圍）鋼結構裝飾架、核心筒頂部水箱間鋼架、核心筒頂部管格構結構的鋼塔組成。

核心筒頂部中心位置，標高175.000～209.000m范圍內設置有變截面的鋼結構塔尖，共由11節鐵塔組成。變截面的鋼管格構結構塔尖由4根鋼管柱、水平環桿和斜桿組成，桿件之間采用焊接連接。鋼結構裝飾架、水箱間鋼框架合計重約191t，鋼管格構結構鋼塔重約20t。鋼結構、預埋件采用Q235B級鋼，螺栓采用10.9S級扭剪型高強度螺栓，板件對接、拼接采用全熔透坡口焊縫，焊縫質量為一級。

2 施工重難點分析

本工程頂部175.000～209.000m范圍內高聳鋼結構塔尖施工與混凝土結構施工穿插作業、施工場地狹小，操作空間受限、鋼結構構件多，因此超高層結構頂部高聳鋼結構施工既要考慮現場受限空間鋼結構吊裝、相貫線拼接和高聳塔尖安裝，又要滿足結構構件的穩定性。頂部高聳鋼結構如圖1所示。

圖1 頂部高聳鋼結構三維效果

1）采用CAD、Tekla等專業軟件對高聳鋼結構塔尖進行建模分析與深化設計。對變截面節點結構進行預拼裝，用數控相貫切割機進行鋼管相貫線切割，提高鋼管構件加工制作精度，實現結構構件的精準定位，確保節點處多根相貫相交桿件的拼接質量。

2）優選結構安裝方案，根據高聳塔尖不同結構部位特點，選擇合理的安裝順序，解決超高層結構屋頂鋼結構吊裝施工環境風力較大、起重設備吊裝高度不足等施工難點。

3）采用“倒裝提升法”對高聳塔尖進行安裝，解決塔式起重機無法吊裝，構件起吊安裝位置高、難度大、危險性大的難題。

4）為保證變截面鋼管格構式結構塔尖相貫管件的焊接質量，根據鐵塔結構，按節段劃分在工廠加工成節，安裝過程中僅進行節段對接焊和部分斜桿焊接，減少現場高空焊接工程量，現場焊接的部位進行擋風、保溫措施，創造良好的焊接環境，解決鋼結構焊接難題，保證塔尖安裝質量。

3 施工流程與施工要點

3.1 施工流程

預埋件檢查驗收→第10、11節鐵塔安裝→鐵塔的導軌及限位器安裝→起重設備安裝→提升第10～11節鐵塔→安裝第9節鋼塔→提升第9～11節鐵塔→……依次安裝、提升→安裝第2節鋼塔→提升第2～11節鐵塔→安裝第1節鋼塔→鐵塔連接固定→拆除起重設備和支撐架。

3.2 施工要點

3.2.1 深化設計

結合CAD工程設計圖紙，利用Tekla軟件對高聳鋼結構各安裝節點部位進行深化設計，有效將工程建設內容進行三維可視化，結合現場施工場地、運輸條件、吊裝能力及鋼結構安裝方案等出具深化施工圖紙，保證鋼結構構件加工的精準度。

本工程預埋件有地腳螺栓預埋件及剪力墻側面預埋鋼板，預埋件采用焊接固定，安裝過程中不得切割結構主筋，安裝位置須重復測量核對，保證安裝質量符合規范要求。

3.2.2 優選吊裝方案

本工程1號樓東面設置1臺塔式起重機，塔式起重機可覆蓋整個1號樓，因核心筒高度有限，限制塔式起重機附墻件安裝，塔式起重機的附墻件最高僅可安裝在標高約170.000m的位置，塔式起重機最高可起吊到約192.000m標高處。

將本工程中塔式起重機吊運的鋼結構構件均控制在塔式起重機起重載荷范圍內，塔式起重機吊裝高度為192.000m標高往下，本工程中的鋼結構構件位于標高192.000m處以下的均可采用塔式起重機進行吊裝，位于標高192.000～201.000m的鐵塔和標高201.000～209.000m的航標燈需采用其他方式進行吊裝。

鋼結構安裝工程主要施工重點在于塔式起重機吊裝完成鋼塔的塔尖后，拆除塔式起重機，利用環鏈葫蘆組進行鋼塔的倒裝提升。最后采用扒桿將支撐架等材料從核心筒頂部運輸到框架層屋頂。

3.2.3 鋼架提升系統設計

鋼塔支撐架系統用于水箱間屋面鋼梁的支撐、鋼塔提升支撐、提升過程中的水平限位和豎向限位裝置的固定，同時配備側向限位、豎向限位及牽引等措施，具有充足的安全保障。支撐架系統由4個支撐架組成，每個支撐架0.8m×0.8m的格構式架體，由4個支撐架之間采用型鋼連接組成一套格構式支撐系統，在支撐系統的頂部（此處將設置鐵塔的上端垂直度調整器）沿4個方向設置纜風繩，纜風繩的底端部于倒鏈葫蘆連接并錨固于核心筒頂面的地錨處。在距核心筒頂部高3m處設置鋼斜撐（此處將設置鐵塔的下端垂直度調整器），鋼斜撐的底端部焊接固定于核心筒頂部預埋件，支撐架系統中的支撐架安裝時應保持豎直。支撐系統、提升系統如圖2，3所示。

圖2 支撐系統

圖3 提升系統

按鋼塔提升過程傾斜6°的不利工況，4個提升點中，在進行最后一次提升時，當相對的2個提升點水平高差滿足200mm時傾斜度才達到6°，采用Tekla軟件對支撐系統的設計及受力分析，保證支撐系統的穩定、安全、可靠。

3.3 高聳塔尖安裝

采用“倒裝提升法”對鋼塔進行安裝，鋼塔劃分為11個節段（總高度約34m，總重量約20t），采用塔式起重機吊裝第10～11節（高度約16.3m）塔身及塔尖臨時安裝在核心筒頂部，利用環鏈電動葫蘆提升已安裝的鋼塔安裝第9～1節。

本工程采用4套環鏈電動葫蘆作為主要提升設備，該設備轉動速度緩慢且穩定，提升速度為1.5mm/s（即若4套環鏈葫蘆存在提升開/停時刻不一致，其時間差為130s時，則提升點水平高差最大為200mm，此時塔身傾斜6°），可有效控制提升點的高差，提升設備進行聯動控制，能夠大幅提升安全性能。

20t環鏈電動葫蘆（產品規格DHP-20）額定起重荷載為20t，額定起升高度6m，起升速度90mm/min，本工程利用4套20t環鏈電動葫蘆組合起重提升鋼塔，鋼塔的最大起重量為20t，故起升設備功率滿足要求。

為保證高聳鋼塔結構在提升過程中，保持平衡穩定、安全可靠，根據鋼塔結構特點，吊點應均衡，各提升設備同步控制位移，分級卸載就位的防墜控制策略。

3.3.1 分級提升加載

通過對鋼塔結構進行試提升，對鋼塔提升設施、鋼塔結構、提升設備系統進行監測，與模擬工況和設計條件進行對比分析，如有偏差及時調整，保證提升過程安全。

根據軟件仿真模擬分析計算的各提升吊點反力值，對鋼塔結構進行分級加載提升，提升系統的各個吊點緩慢分級加載。按照反力值的20%，40%，60%，80%，90%，95%，100%，依次分級緩慢增加。在各吊點分級加載的過程中，每一階段的分級荷載按要求加載完畢后，均應暫時停止繼續加載，并檢查鋼結構、上吊點、下吊點的變形情況、提升系統的運行情況等，各項檢查合格后，繼續進行下一步分級加載，直至鋼塔全部脫離地面。

如果存在結構各點未能同時離地，應立即降低加載速率，減緩提升速度，必要時可以對各吊點進行“單點動”提升，確保結構平穩離地，各點同步。

3.3.2 結構離地檢查、調整

先提升鋼結構塔尖離開地面約100mm，然后利用提升系統設備鎖定，對承重體系、吊點結構、提升設備、鋼塔垂直度等進行全面檢查和調整。如果存在垂直度偏差，通過提升系統設備各吊點微調高度，及時糾偏，使結構達到豎直狀態。

3.3.3 整體同步提升

各項工作準備就緒，各方檢查無誤，才能正式提升。在結構整體提升過程中，保持平穩、同步，直至提升到指定標高。提升施工過程中，整體提升速度約1.5mm/s。

3.3.4 提升過程微調

鋼塔結構在提升和下降程中，對單個吊點或者整個提升系統中各個吊點的提升器進行微動調整，及時糾偏，以滿足安裝的精度要求。

3.3.5 提升就位、卸載

當結構提升至指定位置后，暫停提升系統設備工作，提升系統設備鎖定，然后安裝鋼塔下節塔身，如此往復，直至對接安裝完成。全部對接完成整個鋼塔后，提升系統設備同步卸載，以實際提升載荷為基準，所有吊點同時緩慢下降卸載10%，調整下降速率，密切監測位移值，至倒鏈完全松弛，最后拆除液壓提升設備及相關臨時措施，完成鋼塔的倒裝提升安裝。

3.3.6 防墜落措施

電動環鏈葫蘆設備擁有防自轉動功能，為了防止電動環鏈葫蘆設備的防自轉功能失效，結合塔身提升速度勻慢、并設置有導軌的特點，本工程擬在導軌上設置機械式自動防墜裝置，由此為塔身提升過程的防墜提供雙層保障。機械式自動防墜裝置做法：在每根導軌的側面開直徑34mm的孔，豎向孔距160mm，用32圓鋼貫通兩側孔，圓鋼長出導軌外表面80mm，在距離地面3.0，3.2，3.4，3.6m處導軌的側面分包設置2組防墜落卡扣，如此可將鋼塔的下墜幅度控制在40mm以內。豎向防墜裝置如圖4所示。

圖4 豎向防墜裝置

4 質量控制措施

采取工廠預拼裝的方法保證整個鋼塔安裝精度。在平整地面上，先采用型鋼拼裝，搭設胎架，再將安裝控制線投射到搭設好的型鋼上。拼裝時，將鋼梁中心線做好點位標記，然后進行距離與角度測量、閉合，邊長誤差應控制在1/15 000范圍以內，角度誤差應控制在6″范圍以內。

由于鋼塔為變截面變化，塔身側面上各點標高也不一樣，因此，根據鋼塔的分段長度距離，可選定標高控制點，將標高逐個引測至胎架上并做好標記，作為剛架分段組裝過程中標高控制的依據，標高應控制在±3mm范圍以內。將剛架標高調整校核完畢后，進行剛架垂直度的測量和控制。垂直度偏差允許值為5mm（相對誤差）。

本工程鋼結構最大板厚為20mm，但本工程構件存在變截面管塔架構件，構造復雜，接頭形式多樣，構件節點構造復雜，容易造成應力集中。加之構件均屬彎扭結構，一旦產生焊接變形，矯正較為困難。根據構件的截面尺寸、厚度，制定合理的工藝措施和焊接順序，控制焊接變形，保證焊接質量。同時，節點內施焊空間小，焊縫十分密集，使焊接操作難度很大。需指定合理的組裝、焊接順序及焊接參數，保證構件焊接質量，具體措施如下。

1）鋼管桿件拼接接頭距離節點間距大于1m，且不超過該節間長度的1/3，拼接位置應盡量錯開，不得集中布置。

2）桁架弦桿每兩個節間最多允許設置1個接頭，腹桿長度≤3m時禁止拼接，腹桿長度＞3m時最多允許1個接頭，且不得集中布置。

3）相同桿件的對接，應采取加襯管單面全熔透焊縫連接。當桿件壁厚超過5mm時，采用V形坡口；當桿件壁厚小于5mm時，可采用Ⅰ形坡口。

5 結語

結合工程實踐，采用Tekla模擬分析，制定節點處多根相貫相交桿件拼接質量控制措施，確保安裝一次合格，具有較高的應用推廣價值。

不斷改良創新，采用CAD、Tekla仿真模擬，優化鋼架臨時支撐系統，成功解決了高空高風壓下受限空間鋼結構安裝難題，確保安裝精度。

通過采用“倒裝提升法”工藝進行高聳鋼結構安裝，有效提高施工效率，提升安裝質量。