超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

杜建江 潘寧濤 何央素 沈 燕

1. 寧波高專建設(shè)監(jiān)理有限公司 寧波 315100；2. 杭州恒鼎園林建設(shè)集團(tuán)有限公司 杭州 310052；3. 保億置業(yè)集團(tuán)有限公司 杭州 310052；4. 浙江省二建建設(shè)集團(tuán)有限公司 寧波 315000

1 工程概況

寧波財富中心是寧波三江口建筑群中單體規(guī)模最大、建筑高度最高的地標(biāo)性建筑，地處甬江東岸，南鄰驚駕路，東銜江東北路，西接濱江大道，與寧波書城比鄰，與老外灘、美術(shù)館隔水相望。

項目總用地面積約2.5萬 m2，總建筑面積138 632 m2，地下2 層，地上38 層，建筑高度188 m。外立面設(shè)計新穎表現(xiàn)在外立面為曲面、塔樓頂部為“花瓣”造型，整個建筑外形宛如“含苞待放的郁金香”（圖1），是寧波市高層建筑中施工難度較大，單體體量最大的鋼結(jié)構(gòu)項目，具有“高、重、曲”的特點，其施工難度大，技術(shù)復(fù)雜。

本工程為超高層鋼-混凝土結(jié)構(gòu)，塔樓采用混合框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。核心筒采用暗埋鋼柱、鋼梁的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，自地下室底板起，至28層的核心筒剪力墻內(nèi)暗埋鋼柱和鋼梁。

外圍框架由鋼管混凝土柱、H型鋼梁以及鋼筋桁架樓承板組成。鋼管柱自地下室底板起，至37層結(jié)束。地下室鋼管柱呈垂直狀態(tài)，出地面后先向外傾斜，至12層后逐漸向內(nèi)傾斜，自下而上，斜率多變。內(nèi)灌混凝土鋼管柱底部最大直徑達(dá)1.1 m，隨結(jié)構(gòu)高度的增加，縮減至600 mm。在27層至28層，設(shè)有1 道桁架層，由4 組連系核心筒角部與外圍鋼柱的徑向桁架以及外圍的環(huán)形桁架組成。頂部“花瓣”造型鋼結(jié)構(gòu)起始于173.87 m，頂標(biāo)高為187.7 m，由箱形柱、環(huán)梁及放射狀支撐等組成。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)三維實體模型

2 工程關(guān)鍵技術(shù)和措施[1,2]

2.1 施工部署

由于高層主體施工過程中鋼柱的吊裝與混凝土核心筒施工是本工程垂直施工的2 條主線，存在多工種、多工序穿插配合、交替作業(yè)等情況，為保障各工種之間銜接配合、有序施工， 合理統(tǒng)籌主體鋼結(jié)構(gòu)的施工與混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的施工是關(guān)鍵所在，也是保證項目工期、施工質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

核心筒內(nèi)勁性鋼柱起始于底板至28層結(jié)束，有焊接H型截面和位于角部的焊接異型十字截面2 種形式。勁性鋼柱之間設(shè)置1 100 mm×200 mm×18 mm×25 mm勁性H型鋼梁連接。

2.1.1 深化設(shè)計階段

針對鋼骨混合結(jié)構(gòu)設(shè)計，混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋與鋼構(gòu)件之間的矛盾，需要在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計階段協(xié)調(diào)解決，是確保順利施工的基礎(chǔ)。

2.1.2 施工階段

由于鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)之間存在大量的交叉施工，核心筒內(nèi)勁性鋼柱鋼梁、外圍鋼管柱內(nèi)灌混凝土和鋼結(jié)構(gòu)安裝搭接穿插，相互間亦有影響，桁架層施工更是復(fù)雜。處理好鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)施工的合理搭接，亦是本有序施工進(jìn)行的關(guān)鍵。

2.1.3 施工段劃分與施工工藝

主體施工在垂直方向上分為3 個階段：地下室施工階段，地上標(biāo)準(zhǔn)層施工階段，屋頂層以上施工階段。

1）結(jié)構(gòu)整體工藝流程：筒體內(nèi)墻板鋼勁性柱就位→勁性柱初始校正→鋼梁骨架安裝→鋼骨架整體校正→焊接→焊縫檢測→核心筒鋼筋綁扎→模板工程→核心筒混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)→核心筒上節(jié)鋼骨的安裝。

核心筒結(jié)構(gòu)高于鋼結(jié)構(gòu)框架6 層→鋼結(jié)構(gòu)框架安裝、調(diào)整、校正、焊接與驗收→樓層板安裝→鋼柱灌心混凝土→樓層混凝土施工。

2）核心筒工藝流程。核心筒鋼骨施工應(yīng)領(lǐng)先于核心筒土建結(jié)構(gòu)施工1 節(jié)（3 層），核心筒土建結(jié)構(gòu)需要高出鋼結(jié)構(gòu)框架6 層，同時考慮塔吊的自由端懸臂高度的限制。核心筒施工采用鋼框竹膠合板大模板、整體電動爬架施工工藝，泵送混凝土，噴淋法養(yǎng)護(hù)。

3）核心筒內(nèi)勁性柱與鋼梁骨架吊裝與加固。首節(jié)鋼柱柱腳錨固于基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)上，塔吊采用一點法吊裝勁性柱。先吊裝4 個拐角處的8 個勁性柱，然后再依次吊裝就位中間部位的勁性柱；臨時固定勁性柱后對勁性柱初步校正。為了保證核心筒內(nèi)勁性柱骨架的穩(wěn)定和安裝精度采取加固措施，即在勁性柱和鋼梁鋼骨整體校正后，通過中間帶有調(diào)節(jié)螺栓的鋼管來連接整體、增加整體剛度、形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

2.1.4 外筒鋼柱與核心筒施工的銜接協(xié)調(diào)

1）地下室施工階段。在基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)施工完成后，先安裝核心筒內(nèi)鋼柱鋼梁，之后進(jìn)行筒體混凝土的結(jié)構(gòu)施工、鋼構(gòu)安裝等流水作業(yè)；其次待核心筒施工至地上1層時開始外圍第1段鋼柱安裝，安裝好后用纜風(fēng)繩臨時固定，待土建施工地下室頂板后，再開始外圍第2段鋼柱的安裝。

2）地上標(biāo)準(zhǔn)層施工階段。核心筒施工高于鋼管柱吊裝作業(yè)面6 層后，開始安裝地上標(biāo)準(zhǔn)層鋼柱、鋼梁。為了保證結(jié)構(gòu)單元的幾何穩(wěn)定，每節(jié)鋼柱吊裝時要用臨時連接系統(tǒng)連接于核心筒。首層鋼柱高度10.4 m，用纜風(fēng)繩臨時固定，并采用鋼管與核心筒臨時固定，吊裝相鄰鋼管柱時，與第1根鋼管柱相連接，形成穩(wěn)定體系。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)吊裝

選用TC7035B-16內(nèi)爬塔吊作為起重設(shè)備，當(dāng)塔吊自由懸臂獨立工況不能滿足吊裝高度需要時，采用隨結(jié)構(gòu)升高而自升內(nèi)爬工況，直至塔樓結(jié)構(gòu)封頂。按塔吊起重能力和樓層鋼梁布置狀況劃分吊裝單元。

2.2.1 鋼柱吊裝

鋼柱（勁性鋼柱及外圍框架柱）基本以2 層或3 層為1 節(jié)來劃分吊裝單元。

1層鋼柱以1層高度（10.4 m）為1 個吊裝單元；在2～8層鋼柱吊裝時，以每2 層（高9 m）為1 個吊裝單元；8層至屋頂層，以每3 層（高13.5 m）為1 個吊裝單元。

外圍鋼管柱最長分段為13.5 m，最重分段質(zhì)量為10.53 t，鋼梁最大截面質(zhì)量約0.2 t/m，最長16 m，質(zhì)量3.6 t。

地上部分鋼管柱呈傾斜姿態(tài)，為確保施工階段穩(wěn)定，以4 個角部為起始吊裝，及時安裝連系鋼梁，增設(shè)輔助支撐，形成穩(wěn)定體系。然后對稱安裝其余鋼框架。

傾斜鋼柱采用全站儀坐標(biāo)法定位，依據(jù)施工模擬分析及工程經(jīng)驗確定預(yù)調(diào)值。斜柱通過柱頂精確定位，柱底接縫處調(diào)整變形，利用千斤頂逐節(jié)調(diào)整，防止變形累積。鋼柱安裝后在頂部鋼管口設(shè)置封蓋，以有效阻止垃圾、雨水等進(jìn)入鋼管內(nèi)部，影響后續(xù)混凝土灌注施工。

2.2.2 塔樓頂部的“花瓣”造型鋼結(jié)構(gòu)吊裝

采用高空散裝法安裝。搭設(shè)滿堂腳手輔助安裝，以解決構(gòu)件的穩(wěn)定性、臨時支承及操作腳手架搭設(shè)難題。吊裝機(jī)械利用TC7035B-16內(nèi)配塔吊，吊裝順序遵循自下而上、逐段逐層吊裝的原則，相鄰豎向構(gòu)件吊裝完后及時補缺其間的連系桿件，以便形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

2.2.3 鋼桁架吊裝

塔樓27～28層為桁架層，桁架高1 層樓，由4 組連系核心筒角部與外圍鋼柱的徑向桁架以及外圍的環(huán)形桁架組成。桁架層分兩階段安裝，核心筒內(nèi)部分與勁性鋼柱同步安裝，核心筒外部分與外框架一起施工，先安裝4 個角部的徑向和環(huán)向桁架，以形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。整榀吊裝的桁架最大質(zhì)量約8.4 t。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)安裝預(yù)調(diào)值計算分析及施工控制

考慮海邊大風(fēng)、臺風(fēng)、暴雨、雷電、結(jié)構(gòu)溫差等構(gòu)成的不利氣候環(huán)境條件，除了選擇合理的焊接手段、工藝參數(shù)外，合理的焊接順序?qū)Y(jié)構(gòu)變形的控制亦不容忽視。不同材質(zhì)的內(nèi)外筒，因變形性能的微小差別引起的變形差及由于結(jié)構(gòu)形式（環(huán)閉狀）特殊，焊接收縮引起的結(jié)構(gòu)變形也不可忽視。

在結(jié)構(gòu)自重荷載、溫度荷載、風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形和安全問題、在施工荷載（如起重機(jī)械、混凝土施工等）作用下結(jié)構(gòu)整體或局部可靠度問題，均必須進(jìn)行各施工過程的結(jié)構(gòu)驗算和分析，之后才可用以指導(dǎo)和控制施工。

根據(jù)多種載荷條件及不同施工工況，采用有限元分析軟件進(jìn)行施工階段結(jié)構(gòu)計算，并結(jié)合工程經(jīng)驗，確定施工預(yù)調(diào)值，通過施工控制指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)安裝。

2.3.1 鋼構(gòu)件的施工預(yù)調(diào)值

建筑結(jié)構(gòu)的施工是一個建筑物逐漸成型的時變過程，包括建筑物幾何形狀、參數(shù)和荷載條件等均在變化，結(jié)構(gòu)在各種荷載的動態(tài)變化下變形非常復(fù)雜，成型結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了一個逐漸增長、依次加載和分步變形的復(fù)雜力學(xué)成型過程。

對于一般的鋼結(jié)構(gòu)建筑，基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計位形進(jìn)行構(gòu)件加工和安裝， 施工成型結(jié)構(gòu)的位形將達(dá)不到結(jié)構(gòu)的設(shè)計位形，對于結(jié)構(gòu)形式簡單的結(jié)構(gòu)這種偏差非常小，然而對于復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)這種偏差將非常大，甚至使結(jié)構(gòu)無法按照預(yù)定的施工方案成型，或成型結(jié)構(gòu)不滿足設(shè)計允許誤差的要求。

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工預(yù)調(diào)值計算的綜合迭代算法具有較好收斂性和穩(wěn)定性，通過采用大型分析軟件ANSYS的單元“生死”技術(shù)和坐標(biāo)更新功能，可以準(zhǔn)確地實現(xiàn)該算法。

正裝迭代法確定結(jié)構(gòu)各安裝位形的基本思路為：按照結(jié)構(gòu)實際施工方案和順序來進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形和受力分析，得到結(jié)構(gòu)施工成型的位形，把該位形反號疊加到結(jié)構(gòu)的設(shè)計位形上，即得出結(jié)構(gòu)的施工階段初始位形。

主樓施工預(yù)調(diào)值計算綜合迭代法方法：根據(jù)設(shè)計狀態(tài)通過迭代得到施工的初始位形，獲得初始狀態(tài)的同時就得到了結(jié)構(gòu)施工的各分步位形以及構(gòu)件的加工預(yù)調(diào)值和安裝預(yù)調(diào)值。

2.3.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工預(yù)調(diào)值計算的條件

為簡化計算對實際施工步驟進(jìn)行調(diào)整：2層作為1 個施工步；樓面梁和外框筒同時施工；樓面混凝土和壓形鋼板同時施工；機(jī)電和裝飾等同時施工。

整個結(jié)構(gòu)分38 步進(jìn)行，在施工模擬計算過程中，荷載的取值根據(jù)施工階段實際的荷載確定。荷載工況如下：

1）鋼框架分項工程按自重取值；

2）樓板混凝土分項工程完成時樓面荷載：樓板自重+施工活荷載；

3）幕墻分項工程；

4）裝飾及機(jī)電工程施工完成時樓面荷載：樓板自重+附加恒載+施工活荷載；

5）塔吊荷載按塔吊說明書提供的荷載考慮。各樓層施工成型總恒載按照荷載值等效成樓面荷載。

2.3.3 安裝預(yù)調(diào)值分析

對本工程塔樓進(jìn)行有限元建模，依據(jù)施工過程進(jìn)行施工階段結(jié)構(gòu)分析，得出理論的鋼構(gòu)件（主要是鋼柱）預(yù)調(diào)值，實際施工采用的預(yù)調(diào)值應(yīng)在計算分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程經(jīng)驗取值。如此，有針對性地對各構(gòu)件采取安裝施工預(yù)調(diào)，從而滿足設(shè)計允許誤差的要求。

3 鋼結(jié)構(gòu)施工控制技術(shù)[3-5]

3.1 閉環(huán)控制方法

鋼結(jié)構(gòu)工程施工采用閉環(huán)控制方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工控制，包括分析預(yù)測（計劃）、實施、監(jiān)測、反饋和調(diào)整。

3.2 施工監(jiān)測

施工監(jiān)測主要有結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測。在實施監(jiān)測前，根據(jù)國家規(guī)范的要求以及結(jié)構(gòu)分析預(yù)測結(jié)果來確定監(jiān)測閾值。

3.2.1 施工過程結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測

結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測包括結(jié)構(gòu)形體監(jiān)測和結(jié)構(gòu)標(biāo)高監(jiān)測。結(jié)構(gòu)形體監(jiān)測是觀測已施工結(jié)構(gòu)的中心相對于預(yù)定軸線位置的偏位，使用全站儀結(jié)合測距棱鏡進(jìn)行測量；結(jié)構(gòu)標(biāo)高監(jiān)測是觀測樓層結(jié)構(gòu)是否達(dá)到設(shè)計標(biāo)高。

3.2.2 施工過程應(yīng)力監(jiān)測

鋼結(jié)構(gòu)施工過程是一個從下部逐級而上到逐步成型、從不完整到完整的過程，施工過程中伴有結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化，不同施工階段有不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)和不同的受力特性，且每個施工階段的內(nèi)、外部荷載條件也不盡相同。

故根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點以及施工方案建立專門的施工應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，在核心受力構(gòu)件及受力情況復(fù)雜的部位設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測點，在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置布置變形監(jiān)測點，在結(jié)構(gòu)施工過程中實時監(jiān)測其應(yīng)力、位移參數(shù)的變化情況，以此來判斷設(shè)計計算的準(zhǔn)確性與施工過程的安全性，從而掌握施工過程關(guān)鍵構(gòu)件關(guān)鍵截面的應(yīng)變（應(yīng)力）的變化歷程，分析實測應(yīng)變數(shù)據(jù)，與施工階段計算的理論數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較，保證施工安全和工程質(zhì)量。

4 結(jié)語

通過對寧波財富中心鋼結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)的研究和實踐，實現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)、掌握了超高層鋼結(jié)構(gòu)工程的施工技術(shù)，對今后同類工程的施工提供了寶貴的經(jīng)驗。