超高層建筑頂部高聳鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)

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(jié)構(gòu)塔尖作為超高層建筑屋頂?shù)臉酥拘匝b飾構(gòu)件，可充分利用鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化加工制造程度高、自重輕、抗震性好、安裝精度高等優(yōu)點，但在鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中，由于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的加工和安裝難度較大。因此，必須根據(jù)現(xiàn)場施工條件，優(yōu)選高聳結(jié)構(gòu)安裝施工方案，確定合理安裝順序，保證高聳鋼結(jié)構(gòu)施工安全和施工質(zhì)量。本工程在超高層屋頂采用倒裝提升法安裝高聳鋼結(jié)構(gòu)，高聳鋼結(jié)構(gòu)的安裝質(zhì)量直接影響整個標志性構(gòu)件的安全性，其施工技術(shù)將是施工控制的重點。

1 工程概況

南寧市五象新區(qū)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(jié)構(gòu)。其中核心筒頂部標高為175.000m，核心筒外圍的現(xiàn)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(xiàn)澆鋼筋混凝土框架頂部標高153.420～175.000m范圍內(nèi)設(shè)置有H型鋼柱和H型鋼梁組成的鋼結(jié)構(gòu)裝飾架。本工程鋼結(jié)構(gòu)工程施工作業(yè)自框架結(jié)構(gòu)頂部起，由框架層頂部（核心筒外圍）鋼結(jié)構(gòu)裝飾架、核心筒頂部水箱間鋼架、核心筒頂部管格構(gòu)結(jié)構(gòu)的鋼塔組成。

核心筒頂部中心位置，標高175.000～209.000m范圍內(nèi)設(shè)置有變截面的鋼結(jié)構(gòu)塔尖，共由11節(jié)鐵塔組成。變截面的鋼管格構(gòu)結(jié)構(gòu)塔尖由4根鋼管柱、水平環(huán)桿和斜桿組成，桿件之間采用焊接連接。鋼結(jié)構(gòu)裝飾架、水箱間鋼框架合計重約191t，鋼管格構(gòu)結(jié)構(gòu)鋼塔重約20t。鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)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(zhì)量為一級。

2 施工重難點分析

本工程頂部175.000～209.000m范圍內(nèi)高聳鋼結(jié)構(gòu)塔尖施工與混凝土結(jié)構(gòu)施工穿插作業(yè)、施工場地狹小，操作空間受限、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件多，因此超高層結(jié)構(gòu)頂部高聳鋼結(jié)構(gòu)施工既要考慮現(xiàn)場受限空間鋼結(jié)構(gòu)吊裝、相貫線拼接和高聳塔尖安裝，又要滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性。頂部高聳鋼結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 頂部高聳鋼結(jié)構(gòu)三維效果

1）采用CAD、Tekla等專業(yè)軟件對高聳鋼結(jié)構(gòu)塔尖進行建模分析與深化設(shè)計。對變截面節(jié)點結(jié)構(gòu)進行預(yù)拼裝，用數(shù)控相貫切割機進行鋼管相貫線切割，提高鋼管構(gòu)件加工制作精度，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的精準定位，確保節(jié)點處多根相貫相交桿件的拼接質(zhì)量。

2）優(yōu)選結(jié)構(gòu)安裝方案，根據(jù)高聳塔尖不同結(jié)構(gòu)部位特點，選擇合理的安裝順序，解決超高層結(jié)構(gòu)屋頂鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工環(huán)境風力較大、起重設(shè)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(gòu)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(gòu)式結(jié)構(gòu)塔尖相貫管件的焊接質(zhì)量，根據(jù)鐵塔結(jié)構(gòu)，按節(jié)段劃分在工廠加工成節(jié)，安裝過程中僅進行節(jié)段對接焊和部分斜桿焊接，減少現(xiàn)場高空焊接工程量，現(xiàn)場焊接的部位進行擋風、保溫措施，創(chuàng)造良好的焊接環(huán)境，解決鋼結(jié)構(gòu)焊接難題，保證塔尖安裝質(zhì)量。

3 施工流程與施工要點

3.1 施工流程

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

3.2 施工要點

3.2.1 深化設(shè)計

結(jié)合CAD工程設(shè)計圖紙，利用Tekla軟件對高聳鋼結(jié)構(gòu)各安裝節(jié)點部位進行深化設(shè)計，有效將工程建設(shè)內(nèi)容進行三維可視化，結(jié)合現(xiàn)場施工場地、運輸條件、吊裝能力及鋼結(jié)構(gòu)安裝方案等出具深化施工圖紙，保證鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工的精準度。

本工程預(yù)埋件有地腳螺栓預(yù)埋件及剪力墻側(cè)面預(yù)埋鋼板，預(yù)埋件采用焊接固定，安裝過程中不得切割結(jié)構(gòu)主筋，安裝位置須重復測量核對，保證安裝質(zhì)量符合規(guī)范要求。

3.2.2 優(yōu)選吊裝方案

本工程1號樓東面設(shè)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(jié)構(gòu)構(gòu)件均控制在塔式起重機起重載荷范圍內(nèi)，塔式起重機吊裝高度為192.000m標高往下，本工程中的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(huán)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?shù)娇蚣軐游蓓敗?/p>

3.2.3 鋼架提升系統(tǒng)設(shè)計

鋼塔支撐架系統(tǒng)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(cè)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(tǒng)由4個支撐架組成，每個支撐架0.8m×0.8m的格構(gòu)式架體，由4個支撐架之間采用型鋼連接組成一套格構(gòu)式支撐系統(tǒng)，在支撐系統(tǒng)的頂部（此處將設(shè)置鐵塔的上端垂直度調(diào)整器）沿4個方向設(shè)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(shè)置鋼斜撐（此處將設(shè)置鐵塔的下端垂直度調(diào)整器），鋼斜撐的底端部焊接固定于核心筒頂部預(yù)埋件，支撐架系統(tǒng)中的支撐架安裝時應(yīng)保持豎直。支撐系統(tǒng)、提升系統(tǒng)如圖2，3所示。

圖2 支撐系統(tǒng)

圖3 提升系統(tǒng)

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(tǒng)的設(shè)計及受力分析，保證支撐系統(tǒng)的穩(wěn)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(jié)段（總高度約34m，總重量約20t），采用塔式起重機吊裝第10～11節(jié)（高度約16.3m）塔身及塔尖臨時安裝在核心筒頂部，利用環(huán)鏈電動葫蘆提升已安裝的鋼塔安裝第9～1節(jié)。

本工程采用4套環(huán)鏈電動葫蘆作為主要提升設(shè)備，該設(shè)備轉(zhuǎn)動速度緩慢且穩(wěn)定，提升速度為1.5mm/s（即若4套環(huán)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(shè)備進行聯(lián)動控制，能夠大幅提升安全性能。

20t環(huán)鏈電動葫蘆（產(chǎn)品規(guī)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(huán)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(shè)備功率滿足要求。

為保證高聳鋼塔結(jié)構(gòu)在提升過程中，保持平衡穩(wěn)定、安全可靠，根據(jù)鋼塔結(jié)構(gòu)特點，吊點應(yīng)均衡，各提升設(shè)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(jié)構(gòu)進行試提升，對鋼塔提升設(shè)施、鋼塔結(jié)構(gòu)、提升設(shè)備系統(tǒng)進行監(jiān)測，與模擬工況和設(shè)計條件進行對比分析，如有偏差及時調(diào)整，保證提升過程安全。

根據(jù)軟件仿真模擬分析計算的各提升吊點反力值，對鋼塔結(jié)構(gòu)進行分級加載提升，提升系統(tǒng)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(yīng)暫時停止繼續(xù)加載，并檢查鋼結(jié)構(gòu)、上吊點、下吊點的變形情況、提升系統(tǒng)的運行情況等，各項檢查合格后，繼續(xù)進行下一步分級加載，直至鋼塔全部脫離地面。

如果存在結(jié)構(gòu)各點未能同時離地，應(yīng)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(jié)構(gòu)平穩(wěn)離地，各點同步。

3.3.2 結(jié)構(gòu)離地檢查、調(diào)整

先提升鋼結(jié)構(gòu)塔尖離開地面約100mm，然后利用提升系統(tǒng)設(shè)備鎖定，對承重體系、吊點結(jié)構(gòu)、提升設(shè)備、鋼塔垂直度等進行全面檢查和調(diào)整。如果存在垂直度偏差，通過提升系統(tǒng)設(shè)備各吊點微調(diào)高度，及時糾偏，使結(jié)構(gòu)達到豎直狀態(tài)。

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(jié)構(gòu)整體提升過程中，保持平穩(wěn)、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(diào)

鋼塔結(jié)構(gòu)在提升和下降程中，對單個吊點或者整個提升系統(tǒng)中各個吊點的提升器進行微動調(diào)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(jié)構(gòu)提升至指定位置后，暫停提升系統(tǒng)設(shè)備工作，提升系統(tǒng)設(shè)備鎖定，然后安裝鋼塔下節(jié)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(tǒng)設(shè)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(diào)整下降速率，密切監(jiān)測位移值，至倒鏈完全松弛，最后拆除液壓提升設(shè)備及相關(guān)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(huán)鏈葫蘆設(shè)備擁有防自轉(zhuǎn)動功能，為了防止電動環(huán)鏈葫蘆設(shè)備的防自轉(zhuǎn)功能失效，結(jié)合塔身提升速度勻慢、并設(shè)置有導軌的特點，本工程擬在導軌上設(shè)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(cè)面開直徑34mm的孔，豎向孔距160mm，用32圓鋼貫通兩側(cè)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(cè)面分包設(shè)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(nèi)。豎向防墜裝置如圖4所示。

圖4 豎向防墜裝置

4 質(zhì)量控制措施

采取工廠預(yù)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(shè)胎架，再將安裝控制線投射到搭設(shè)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(yīng)控制在1/15 000范圍以內(nèi)，角度誤差應(yīng)控制在6″范圍以內(nèi)。

由于鋼塔為變截面變化，塔身側(cè)面上各點標高也不一樣，因此，根據(jù)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(jù)，標高應(yīng)控制在±3mm范圍以內(nèi)。將剛架標高調(diào)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(jié)構(gòu)最大板厚為20mm，但本工程構(gòu)件存在變截面管塔架構(gòu)件，構(gòu)造復雜，接頭形式多樣，構(gòu)件節(jié)點構(gòu)造復雜，容易造成應(yīng)力集中。加之構(gòu)件均屬彎扭結(jié)構(gòu)，一旦產(chǎn)生焊接變形，矯正較為困難。根據(jù)構(gòu)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(zhì)量。同時，節(jié)點內(nèi)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(shù)，保證構(gòu)件焊接質(zhì)量，具體措施如下。

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

2）桁架弦桿每兩個節(jié)間最多允許設(shè)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(yīng)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(jié)語

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

不斷改良創(chuàng)新，采用CAD、Tekla仿真模擬，優(yōu)化鋼架臨時支撐系統(tǒng)，成功解決了高空高風壓下受限空間鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)安裝，有效提高施工效率，提升安裝質(zhì)量。