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超高层钢结构安装技术

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:10 [收藏]
中国国际贸易中心三期工程主楼高330m，是目前北京最高的单体钢结构建筑，它独特的伸臂桁架设计将核心筒和外框筒结构牢固地连接成一个整体，结构的四个外立面均向核心简内倾斜。
    关键词：超高层钢结构安装技术
    摘要：中国国际贸易中心三期工程主楼高330m，是目前北京最高的单体钢结构建筑，它独特的伸臂桁架设计将核心筒和外框筒结构牢固地连接成一个整体，结构的四个外立面均向核心简内倾斜。节点构造复杂，施工场地狭小，对构件吊装、测量定位、变形控制及施工管理的要求非常高，需要有先进的管理水平以及施工技术和施工措施。
    关键词：超高层；钢结构；钢柱；桁架；安装
    中国国际贸易中心三期A阶段工程主楼建筑高330m，地下4层，地上74层，总建筑面积为28万?，主楼建筑面积20万?，用钢量达5万t，钢构件数量约为2．7万件。在安装过程中使用高强螺栓47万套，压型钢板17万?．栓钉241万套。
    主楼地面平面外轮廓尺寸在地面层约为55-3 mx55．3 m，至73层时收到约44 mx44 m，塔楼从底部到顶部向内倾斜11．3m。核心简与周边框架柱的间距为16～10m,外框柱间距56层以下办公区为4．2m，56层以上旅馆区为5．6m(表1)。

    主楼由外框筒和核心简两部分组成。外框筒钢柱
    由中间腰桁架分三次调整斜率向内侧倾斜。外框筒与和核心筒之间除一般的平面连接外，还有分别在28—29层、54—56层两道伸臂桁架连接，形成整体的钢结构体系(图1)。

    国贸三期主楼钢结构主要构件为重型钢柱、超大异型钢柱、巨型斜柱、直柱、单层钢板墙、双层钢板墙、钢梁、斜撑和巨型伸臂桁架。单节钢柱最重达60t，有箱形、H形、异形等多种截面形式，核心筒钢柱截面最大截面为3 710mmx2550mm，由多个H形、箱形等组成的复杂异型截面。
    工程主要采用Q345C、Q345GJC和Q345GJD等钢材，其中Q345GJ钢材采用正火或控轧状态交货，除腰桁架和伸臂桁架外，所有钢材均满足0℃时的冲击功不小于34j，腰桁架和伸臂桁架的钢材需满足-20％时的冲击功不小于34j。40 mm以上钢板均有Z向性能要求。现场焊接70％为高强厚板焊接，焊接母材强度高，焊接量大，焊缝长，焊接收缩变形大，焊接质量要求高。如何控制变形和应力消除，将直接影响结构安装成型，特别是双向倾斜重型钢柱的空间位置及双钢板墙的安装焊接。
    1工程重点和难点
    1．1计算结构安装误差预调正分析
    国贸三期属于超高层建筑，其构件有着大型化、异型化的特点，导致其施工技术和施工精度要求都非常高，所以本工程的结构施工计算分析和施工误差调整分析尤为重要，这是本工程施工最关键的技术措施之一。因此首先要保证结构施工计算的正确性，其次确保施工误差调整的可控性。
    本工程各项施工方案在实施前都运用结构分析软件进行了大量的结构施工虚拟计算分析，为防止安装过程中产生较大误差而制定了行之有效的措施。
    1．2倾斜钢柱安装稳定性控制
    在吊装过程中，倾斜钢柱构件本身带有双向倾斜角度，属于非稳定体系，安装精度和安装技术要求高。
    为保证钢柱开始安装时的稳定性，采用多台塔吊同时进行协作吊装。为了多塔近距离协作的安全施工，不仅聘用技术过硬经验丰富的信号工进行指挥，而且所有构件的安装角度位置、连接形式等都通过计算机进行预先计算，并通过专家论证。
    1．3大吨位异型柱吊装就位
    本安装工程中最重的钢柱达60 t，而且钢柱截面复杂、不对称，这些都对构件吊点重心的选择、起吊、就位等造成困难，极易造成构件起吊后，构件的安装面不在同一水平面，增加了施工过程中的安装难度。
    通过对核心筒非对称特重构件分析计算，找出构件中心，合理布置吊耳，并采用多绳多吊点滑轮组吊装．保证钢柱准确就位。根据现场布置塔吊的起重性能，部分重型钢柱吊装需要使用两台吊车进行吊装：一台主吊，另一台辅助吊装。
    1．4钢板剪力墙的吊装与安装
    本工程在15层顶以下核心筒内剪力墙放置钢板剪力墙，但由于钢板剪力墙长细比较大，刚度较小，在构件单体起吊时产生变形。同时，由于钢板剪力墙与核心筒钢柱连接形式有两种：即超长焊缝的焊接和高强螺栓连接。超长焊缝易产生焊接变形，高强螺栓的一次穿孔率很难保证。
    为避免吊装时构件产生吊装变形，在吊装时采用双机抬吊递送法。为保证螺栓的一次穿孔率，采用加工厂和现场各钻一半的孔。
    1．5伸臂桁架高空拼装精度的保证
    本工程伸臂桁架整体重量大，现场塔吊无法进行整体吊装，同时伸臂桁架又直接受内外简不均匀沉降影响，这要求现场安装精度高。
    为保证伸臂桁架的安装精度，现场构件起吊前，在地面上由专人对构件进行详细的构件检查，与图纸进行仔细核对。同时为将日后伸臂桁架受内外简不均匀沉降的影响降至最低，不仅由专家论证制定了行之有效的专项方案，而且在安装过程中全程测量检测，并在日后分阶段复测起变化值。
    1．6腰桁架高空拼装精度的保证
    本工程中四道腰桁架均跨越多层，桁架支撑多。截面大。为保证腰桁架的安装精度，除了加工厂对桁架全部进行预拼装以外，现场构件起吊前，将构件与图纸仔细核对。同时制定行之有效的专项方案，并通过专家论证。腰桁架安装以中心轴线对称向两边安装，安装过程全程进行测量跟踪。为保证结构整体几何尺寸的准确，在最后一根钢柱就位后，再次进行复测，按现场实际尺寸对最后一根钢梁进行现场测量加工的方法安装，保证桁架的安装精度。
    1．7施工平面布置
    由于本工程施工现场场地狭窄，而钢结构安装作业面广，构件的现场运输和起吊区设置受场地限制。
    根据国贸三期现场场地的大小、主楼钢结构的构件重量分析以及吊装设备回转所需的空间，在主楼的顶部选择了一台澳大利亚生产的内爬式M760D动臂塔吊和一台M440D动臂塔吊，分别负责整个吊装区域的吊装，各塔吊随主体钢结构的安装上升而爬升。
    为解决构件运输和临时堆放，满足现场最大塔吊的起重性能，在主楼的南侧设置了一台外附着中升ZSL750动臂塔吊，在主楼西侧料场设置一合K50／50塔吊．


    2．2总体安装顺序
    2．2．1竖向施工顺序
    钢结构总体竖向施工顺序为核心筒施工先行．紧跟着的是外框筒施工，内外筒始终保持相差3.6层高度；然后是焊接施工、压型钢板铺设、混凝土浇筑等工序，形成流水施工，保持6—10层的施工节奏。
    2．2．2平面施工分区
    (1)标准层平面分区
    标准层平面共分8个施工区，其中西北侧为M440D塔吊施工区，东南侧为M760D塔吊施工区，现场两台塔吊同时吊装，施工顺序为第一施工区_第二施工区一第三施工区_+第四施工区(图3)。
    (2)核心筒平面分区 ．
    核心筒部分钢结构施工分为A、B、C、D四个区域进行吊装，其中A、B两个施工区为M440D塔吊施工区．C、D两个施工区为M760D塔吊施工区。
    (3)腰桁架平面施工顺序及分区


    本工程腰桁架结构复杂，而且构件立面方向带有双向角度，根据现场实际情况和构件分段情况综合分析，决定将腰桁架部分施工平面分为8个施工区，现场两台塔吊各负责四个施工区域，同时吊装，总体安装顺序为从结构中部向两侧，施工区域顺序为第一施工区一第二施工区一第三施工区一第四施工区。
    2．3主楼主要节点处理
    2．3．1外框筒
    周边框筒平面为削角的正方形，外轮廓尺寸在地面层约为55．3 m，至73层收到约44 m。周边框简在旅馆层(即57层以上)的柱距为5．6m，而在其他楼层(桁架层和底部巨型斜撑处除外)柱距均为4．2 m，尽量提高框筒结构的整体刚度。
    为使周边框筒能更有效地承担底部剪力，减轻核心筒底部的负担，同时满足塔楼地面入口处大开间的需要，在1-5层设置巨型支撑外简。此支撑外简之上为6-7层的腰桁架与上部框筒连接，在地面层亦设置深1m的型钢混凝土梁以提供联系和约束。
    考虑到建筑的曲线外形导致框架数目随高度增加而减少，在6-7层、28-29层及54-56层的机电层处设置3个两层高的腰桁架，以满足不同柱网布置。同时腰桁架也增强了框筒的整体抗弯和抗剪刚度，提高了框筒的抗侧性能。
    框筒所有柱均采用型钢混凝土截面。以增加延性及减少钢材用量。腰桁架的斜杆及所有的框架梁均为H型钢截面。在外筒钢柱施工同时，考虑到外包混凝土中钢筋到钢柱节点处的处理，在节点处如钢筋需穿过钢梁翼缘时，为保证钢筋在结构上正常传力，同时又保证钢结构受力不被削弱，在钢梁的上翼缘加焊钢筋连接板，大小由所需要连接钢筋的长度决定：在节点处如钢筋需穿过钢梁腹板时，若为箍筋就在腹板上开孔，若为主筋则同样在腹板处加焊钢筋连接板，大小由所需要连接钢筋的搭接长度决定(图4)。

    (a)8—27和30一53层顶单钢骨外框组合柱；（b)
    56—68层顶双钢骨外框组合柱
    2．3．2核心筒
    核心筒的外笼尺寸为26．8 mx20．7 m(B3-33层)、23．8 mx20．7 m(33-57层)禾N20 mx20 m(57-73层)。核心筒周边框架为型钢混凝土(SRC)巨型柱和实腹式工字型钢梁及支撑形成的支撑框架，16层以下墙体中还有钢板剪力墙。SRC柱有L形和矩形，内含2～5支型钢截面。57层以上核心筒尺寸有所缩小，同时结构的侧向刚度中外框架承担的份额增大。为减小承台厚度并改善承台内力分布，在B3-1层核心筒四角各有两片钢板翼墙，长度由上至下逐层增加(图5)。
    2．3．3腰桁架及伸臂桁架连接节点
    腰桁架为H型钢截面组合而成的立面桁架。根据腰桁架的设计节点、工厂制作条件、构件运输条件、施工现场场地条件、现场其重机械性能等多方面对比。综合分析，并与有关专家论证后，将腰桁架分段成多个散

    (b)
    图5核心筒典型节点示意
    (a)用于翼缘垂直的支撑斜杆；(b)钢梁与钢支撑连接节点
    (c)用于腹板垂直的支撑斜杆件进行制作、运输、安装。腰桁架的散件现场安装采用腹板高强度螺栓连接和翼缘焊接连接的方式。伸臂桁架与该层的腰桁架相连，因而每个伸臂桁架可以将倾覆力同时传于两边支柱。
    在28-29层顶及54-56层顶之间均设有伸臂桁架。此伸臂桁架可以更好地发挥周边框筒抵抗侧向力的作用，减少核心筒整体受力(图6)。
    为避免伸臂桁架施工完成后被内外不均匀沉降所产生的内力拉坏，故在伸臂桁架两端连接处做长孔。先用销轴连接，然后阶段性观测，待内外筒沉降差变化很小，核查无误后，再进行最后的焊接。
    腰桁架典型节点见图7，伸臂桁架连接节点见图8。
    2．4安装方法
    2．4．1双向倾斜巨型钢柱
    巨型钢柱的安装使用现场的两台动臂塔吊和外附着动臂塔吊辅助进行安装。由于巨型钢柱双向倾斜，而且大部分属于超重构件，倾斜角度较大，安装开始时采用三台塔吊同时作业，当安装出一个节间后就可以根据巨型钢柱所安装的位置，采用一台塔吊为主吊．另一台塔吊为辅吊，两台塔吊同时作业。

    图6腰桁架及伸臂桁架示意
    (a)28-29层；fb)54—56层

    图7腰桁架典型节点示意
    (a)L1、L69层；Co)LS-L6层；(c)L8层；(d)L7层；(e)L30层-；(t)L28-L29层
    (g)L29,L55层；(h)L56层
    总体安装顺序共划分了8个流水段施工，平面施工顺序为从各个立面中心向四周扩散安装，具体单元体安装如下。
    (1)先将侧立面中间的钢柱吊装就位。同时安装
    此钢柱与核心筒支撑的钢梁，以支撑外筒斜柱向内侧倾斜(图9)。
    (2)吊装与已就位的钢柱最近的一根钢柱。因为

    巨型斜柱在就位后为倾斜状态，其重心在构件外，为保持钢柱吊装时的平衡及就位后钢柱的稳定，所以安装时将两钢柱间的钢梁与钢柱用安装螺栓暂时连接并同时起吊。就位时，连接钢柱柱脚的临时连接耳板和随钢柱同时起吊的两钢柱之间的框架梁(图10)。
    (3)将第二根就位钢柱与核心筒之间相连的钢梁安装完毕，以便形成框架，使已安装的构件稳定。此时第一个节间安装完毕。在安装过程中两钢柱上的吊钩一直未摘，此时可以进行摘钩(图11)。
    (4)向已安装完成的节间左右逐渐扩散安装。一台塔吊吊装钢柱，同时另一台塔吊进行此钢柱与核心筒相连的钢梁和与已安装完成的节间相连的钢梁安装(图12)。 ’
    (5)两个相连侧立面安装完毕(图13)。
    (6)对两个已安装完毕相连侧立面之间的角柱及角柱之间的钢梁进行安装(图14)。



    图13巨型柱安装步骤五
    2．4．2大吨位异型柱
    核心筒内的结构柱由13种异型截面钢柱组成。最重的单根单节达60t，截面为3 710mrnx2550ram。根据钢柱重量采取不同的卸车、倒运方法。

    这种大吨位异型柱的吊装，钢柱截面复杂不对称．对构件吊点重心的选择、起吊、就位等都相当困难。而且由于核心简钢柱截面复杂多样且不对称，钢柱测量校正点较多，整体标高轴线及垂直度调整难度大，极易造成构件起吊后，构件的安装面不在同一水平面．不但给构件的高空安装增加了极大的危险系数，同时也增加了施工过程中的安装难度。
    为保证钢柱在高空就位后的垂直调整，在吊装前对每一根异型钢柱都进行认真计算，放置吊耳，以确保构件安装精度。
    2．4．3钢板墙
    本工程在核心筒钢柱之间设置单(双)钢板墙，单钢板墙采用螺栓连接，在核心筒四个角位置设置了双钢板墙，双钢板墙采用焊接连接，其中单钢板墙一块连接板螺栓最多达100颗，施工难度大，而双钢板墙最长一条焊缝为16m。
    钢板剪力墙的分段原则是：根据现场实际情况、塔吊起重能力及构件运输车的运输能力分段，经过计算，钢板剪力墙均不超重，故宽度不超过3 m的均可采取汽车公路运输。
    宽度不超过3 m的钢板剪力墙，制作时与钢梁一体拼成三层一整体；宽度超过3 m的钢板剪力墙，分段制作为高度方向不超过3 m的构件。
    所有钢板剪力墙均在夜间进行卸车，所有钢板剪力墙构件均可以单机卸车，卸车使用四个吊装夹具均匀抬吊卸车，卸车后摆放在主楼西侧料场。
    钢板剪力墙在起吊时，根据要起吊的钢板墙所要安装的位置选用相应塔吊作为主吊进行吊装，为避免起吊时钢板剪力墙因自重而变形，钢板剪力墙以双机递送的方式起吊，后由主吊塔吊提升，直至钢板剪力墙提升至垂直后将辅助递送塔吊摘钩，由主吊进行安装。
    钢板剪力墙吊装就位后，先由提前焊好的防滑铁固定在其安装位置(图15)。在核心简钢柱之间的单(双)钢板墙采用螺栓连接，在核心筒四个角位置的双钢板墙采用焊接连接。为保证高强螺栓的一次穿过，在加工厂只钻一侧连接板的孔，另一侧根据现场钢板剪力墙安装就位后将两侧孔眼的实际数据在钢板剪力墙的连接板上放样，由现场的钻孔设备进行现场钻孔(图16、17)。

    2．4．4腰桁架
    腰桁架的吊装采用双塔同时配合作业，一台塔吊吊装钢柱，同时另一台塔吊辅助吊装钢柱与核心筒连接的钢梁，保证钢柱在结构内外方向有固定的支撑，保持稳定。另外使用缆风绳将钢柱框架方向拉住，保持钢柱双向倾斜稳定。然后继续向两侧依次安装钢柱，直至安装完毕。具体安装顺序如下。
    (1)首先安装中间的蝶形桁架构件，同时连接其与核心简的连接钢梁(图18)。
    (2)继续向两侧扩散安装蝶形桁架柱，同时连接其与核心筒的连接钢梁(图19)。


    (4)当两个立面的桁架安装完毕后，进行这两个面之间的角部桁架安装。用此方法直至桁架全部安装完毕(图21)。

    3结束语
    在国贸三期工程的施工中，遇到并解决了许多普通超高层钢结构施工中没有出现过的问题，尤其是针对倾斜结构的安装、钢板墙的安装、腰桁架的安装等一系列施工技术。将是对我国复杂高层钢结构施工技术的有力补充，同时对国内建筑钢结构行业的持续发展具有相当积极的作用。

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