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俄罗斯联邦大厦转换层钢结构施工技术

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:20 [收藏]
摘 要：本文着重从转换层钢结构的预拼装、吊装、高强螺栓施工、测量等方面来阐述俄罗斯联邦大厦工程钢结构施工工艺，并通过图文来记述实际施工过程。
    关键词：俄罗斯联邦大厦 转换层钢结构施工技术
    一、工程概况
    俄罗斯联邦大厦A塔为93层钢筋混凝土结构（340m），该工程为欧洲第一高楼（448m），世界第一高的混凝土为主体结构的高楼（创造了吉尼斯世界记录）。为了侧面承重和结构墙分压，在32～36，46～50和60～64增加技术转换层（加强层）采用嵌入式钢结构，将核心筒与周边柱子相连（外伸臂桁架），并将周边的柱子也连接起来（带型桁架）。32-36层转换层钢结构外围带状桁架3榀，外伸臂桁架6榀，传递桁架2榀，共计11榀桁架，核心筒内外伸臂桁架有4根。钢结构总重约为11000吨。结构连接：生根于混凝土楼板上的30根落地立柱，采用将支撑板与地脚螺栓连接整体预埋于混凝土中，转换层安装时立柱与支撑板焊接的方法；其余所有构件全部为12.9级高强度螺栓连接。高强螺栓总数为62020颗。本工程第一道转换层钢结构位于32-36层之间 ，转换层钢结构分为外围带状桁架和核心外伸臂桁架两部分，转换层钢结构安装使用一台FAVCO M600D、一台LIEBHERR 355HCL和一台LIEBHERR 160HCL 塔式起重机进行分段高空散拼。整体安装顺序为首先安装核心部分然后安装外围部分，结构安装顺序为先安装立钢柱，然后安装桁架下弦杆件，再安装斜腹杆，最后安装上弦杆件。


    二、工程特点及关键技术
    （一）工程特点
    本转换层钢结构平面形状为三条弧线组成曲面形状，主要构件重量较大(少部分构件单机吊装不可实施)、跨度较大、高度高（13m），整个转换层构件的连接为高强螺栓连接，要求构件制作和安装精度高，施工难度大。
    （二）工程难点及关键技术
    1．超厚钢板焊接
    本工程最厚的钢板为125厚，为卢森堡阿赛罗厂家制作，钢材的含碳量较高，对焊接不利，所以厚板焊接是本工程的难点之一。

    2．桁架预拼装
    本工程桁架基本连接均为螺栓连接，所以构件的加工和安装的精度要求很高，所以桁架必须每榀进行预拼装来保证桁架整体的安装精度。
    3．支撑架安装
    由于桁架下弦有局部节点为断开设计，需要下部做临时支撑来进行构件的固定。在桁架安装准备阶段需要按桁架断开位置安装支撑架。

    4．高强螺栓的安装
    本工程大部分节点均为高强螺栓连接，共需66000套12.9级M27高强螺栓，所以高强螺栓的连接质量也是本工程的关键。

    三、施工方法
    （一）施工依据：
    钢结构施工图纸KM2（设计院7月23日签发）、加工厂构件加工图、转换层钢结构施工方案与《支撑与维护结构》第四章。
    （二）施工步骤：
    柱脚组件预埋→安装桁架钢柱→缆风绳和柱脚临时固定→支撑承重架的固定→安装桁架下弦→安装斜腹杆→安装桁架上弦→形成稳定体系

    （三）地脚螺栓预埋
    1．地脚螺栓安装准备
    地脚螺栓工厂制作完毕后提前运至施工现场，待土建结构施工到该楼层标高位置后，进行预埋。将地脚螺栓定位轴线测放到安装位置附近的模板上,将标高测放在柱钢筋上。
    2．地脚螺栓安装方法
    31层混凝土柱剪力墙施工到32层地面标高116.971m以下750mm（即埋件组件的安装位置）时暂停竖向混凝土施工，在该位置预埋钢板埋件，作为地脚螺栓临时支撑及固定板。使用经纬仪测量确定埋件安装轴线位置。将地脚螺栓组件使用塔吊吊装至安装位置就位使用经纬仪测量确定地脚螺栓组件安装定位轴线，使用经纬仪测量确定地脚螺栓组件安装轴线，水准仪测量确定地脚螺栓组件安装标高。地脚螺栓组件测量定位后，将其与临时定位钢板点接固定，以保证在浇注混凝土施工过程中的稳定可靠。

    （四）转换层桁架安装
    1．安装准备
    立柱安装前，对进场的立柱进行进场验收，仔细检查立柱的长度、高度、截面等几何尺寸及工厂焊缝等质量问题，验收合格后方可进行安装。根据图纸设计要求立柱与柱脚板为分开，为了对立柱进行临时固定，保证立柱安装过程安全稳定，采取连接角铁的形式进行临时固定。
    钢柱柱脚连接板设计


    （2）立柱安装
    本工程立柱使用现场安装的塔吊进行安装，吊装时钢柱带一侧的连接板，钢梁带另一侧连接板。





    （3）钢柱测量校正


    2．操作架搭设
    脚手架分两种，在弦杆连接位置采取承重结构体系，在承重结构和节点之间搭设作为施工人员行走及操作的平台。操作脚手架将整个转换层11榀桁架连接起来，以便于施工人员操作及行走。安装操作架平面位置具体见下图：


    3．转换层桁架下弦安装

    4．继续搭设安装操作架

    5．转换层桁架斜腹杆及小立柱安装

    6．转换层桁架上弦安装

    （五）高强螺栓保管
    1．高强螺栓在运输、保管及使用过程中应轻装轻卸，防止损伤螺纹，发现螺纹损伤严重或生锈的螺栓不得使用。
    2．螺栓连接副应成箱在室内仓库保管，地面应有防潮措施，并按批号、规格分类堆放，不得混批使用，高强螺栓连接副包装箱底层距地面高度30mm，架两道方木，一层50木板，堆放高度不大于6层。
    3．高强螺栓在使用前不得开箱，以免破坏包装的密封性，开箱后取出部分螺栓后也应原封包装好，以免沾染灰尘。
    4．高强螺栓连接副在安装使用时，工地应按当天计划使用的规格和数量领取，当天安装剩余的螺栓应妥善保管。
    5．在使用过程中应注意保护螺栓，不得沾染泥砂等脏物和碰伤螺纹，在使用过程中发现异常情况，应立即停止施工，经检查确认无误后再进行施工。
    6．螺栓仓库应有专人负责发放，并做好螺栓发放记录。
    7．高强螺栓的领用应分节点按规格、型号分批进行，一次不可领用过多堆放到室外，防止螺栓乱用、丢失；
    8．施工中的高强螺栓应和临时螺栓分别堆放管理，切忌混淆使用。
    （六）高强螺栓施工方法
    本工程采用12.9级大六角头型高强螺栓，采用专用扭矩扳手施工。
    1．高强度螺栓及连接板数量统计（按施工分区）

    2．结构安装初期采用安装螺栓进行临时固定，安装螺栓采用10.9级M27高强度螺栓，安装螺栓使用数量为连接节点螺栓群数量的1/2，安装销子至少为连接节点螺栓群数量的1/10。待结构测量校正完毕后再将安装螺栓换为12.9级M27高强度螺栓。
    3．高强螺栓替换时，应先补穿未装螺栓的螺栓孔，然后逐条替换临时螺栓。螺栓的穿入方向尽量一致，品种、规格要按照设计要求进行安装。
    4．高强螺栓安装应能自由穿入螺栓孔，严禁强行穿入，如不能自由穿入时，该孔应用电动磨头进行修整。
    5．高强螺栓施工时分为初拧和终拧两个步骤，初拧时主要为消除扳间间隙，初拧的力矩一般为终拧力矩的50%～70％左右。初拧合格后应做出标记，如下图：


    6．高强螺栓初拧完毕，用专用工具进行终拧，不得用终拧扳手代替初拧扳手使用。终拧的次序从中间向两边或四周对称进行，不得出现漏拧现象。同一高强度螺栓初拧和终拧的时间间隔，要求不得超过一天。
    7．高强螺栓终拧完毕，应及时进行螺栓的检查验收工作。
    8．制作厂制作时在节点部位不应涂装油漆，终拧检查完毕的高强度螺栓节点及时进行油漆封闭
    9．高强度螺栓施工顺序
    高强度螺栓安装依据安装施工顺序依次进行，根据转换层钢桁架结构特点及施工分区，将高强度螺栓施拧分为七个区域进行施工。

    高强度螺栓施拧时，采取从中心向四周扩散的原则进行。本工程节点复杂的多组螺栓群组合体系，我们将钢柱作为施拧节点中心部分，以此向四周扩散施拧，保证高强度螺栓施拧质量及连接板顶紧面的完全贴紧。
    转换层高强度螺栓整体施拧顺序
    针对本工程螺栓节点的复杂多样，经与专家及多次讨论确定螺栓施拧顺序为先施拧钢柱部分螺栓群，然后施拧上下弦螺栓群，最后施拧斜腹杆部分螺栓群。


    单个高强度螺栓群施拧顺序

    （七）厚板焊接的施工工艺
    1．对高强度厚板的焊接结构和接头应进行认真分析，尽可能避免板厚方向承受较大的焊接收缩应力，加强与设计单位沟通，必要时改变接头板厚度方向上的传力方向，避免层状撕裂。
    2．板厚方向承受较大焊接应力的焊透T型接头，下料后装配前对翼板进行UT检查，确保厚板内无分层或其它层状杂质，避免层状撕裂产生。
    3．严格控制厚板构件的装配和焊接顺序，确保接头的焊接应力最小。通过对构件拘束度的水平计算和推算出厚板待焊接接头的应力水平和状态，根据焊接接头应力或拘束最小原则，确定厚板接头的装配和焊接顺序。
    4．严格控制高强度厚板焊缝中的含氢量水平，使焊缝含氢量处于H4的状态以下。通过严格筛选焊接材料确保含氢量处于低水平；严格清除接头周围的铁锈和油污等杂质，减少焊缝氢的来源；避免直接在雨、雪及空气湿度较大的环境下施焊，避免水分和氢的直接侵入；严格控制焊接预热和层间温度，避免钢材本身的水分侵入焊缝并使焊缝中氢能充分溢出。
    5．严格控制焊接接头的淬硬性。焊接施工时控制预热和层间温度，焊后采取缓冷和后热处理。承受拉应力的对接焊缝进行焊后热处理。
    6．严格控制厚板焊接接头的热输入（线能量），避免焊接接头的淬化。开工前作好焊接工艺评定和试验，优选焊接材料和焊接工艺参数范围，根据合格的工艺评定报告（PQR）制定厚板焊接工艺规范（WPS），按照（WPS）的要求进行车间厚板施焊，确保接头的性能结合优良。
    7．选择有厚板焊接经验的优秀焊工担任厚板焊接工作，选择有经验的焊接检验员进行厚板结构的焊接检查和控制。
    8．厚板焊缝工艺保证措施


    四、测量控制方法
    本方案为转换层钢结构测量专项方案。结构型式复杂，根据工程涉及图纸和工程本身的具体情况，结合俄罗斯当地的测量工作习惯，遵照当地的施工测量规范（СНиП 3.01.03-84），参考中国相关测量规范，编制本工程钢结构施工测量方案。
    （一）轴线竖向传递施工测量
    31层楼板施工完成后，依据已有内部测量控制点引测到施工作业面。内部控制点引测使用铅直仪进行，通过在内部控制点上架设铅直仪，对中、精密整平。在施工层用有机玻璃板制作的接收靶接收。控制点引测完成进行校核角度和尺寸关系，符合要求后作为施工层地脚螺栓预埋、钢柱校正控制线定位的依据。



    （二）高程施工测量
    高程的竖向传递，依据地下三层A9A柱-12.450m为基准采用悬掉钢尺与水准尺相配合的方法进行，直至达到需要投测标高的楼层，并作好明显标记。所在楼层必须保证3个高程控制点。
    施工层螺栓预埋、钢柱校正之前，应先校测传递上来的高程控制点，当较差小于3mm时，取其平均高程引测水平线。抄平时，应尽量将水准仪安置在测点范围的中心位置。

    （三）测量仪器设备

    （四）地脚螺栓测控
    地脚螺栓的埋设正确与否是钢结构吊装过程中的一个重要环节，包括地脚螺栓的安装就位、浇筑混凝土过程中与混凝土凝固后偏差的测量。
    准备工作：安装地脚螺栓前，在地脚螺栓的钢板上刻画“十”字中心线；钢筋绑扎完成后，在钢筋上准确投测地脚螺栓理论“十”字中心线；地脚螺栓附近利用高程控制网引测高程点。
    地脚螺栓安装测控：首先将地脚螺栓摆放在钢筋上，并使地脚螺栓钢板上刻画的“十”字线和钢筋上投测的理论“十”字中心线完全吻合，地脚螺栓中心线方向上架设2台全站仪，准确指挥地脚螺栓的安装就位；利用水准仪指挥调整地脚螺栓的高度。重复上述过程，直至地脚螺栓的平面位置及高程都达到规范要求为止。然后固定螺栓并焊牢，同时记录偏差数据。砼浇注过程中，在地脚螺栓纵横两个方向架设全站仪，对螺栓进行监测校正。砼凝固后将放样出地脚螺栓十字中心线，并再次测量螺栓偏差，作为钢柱就位的依据。

    （五）钢柱安装测控
    柱子的安装工序：构件偏差检查、构件刻画中线、轴线控制线引测、标高控制线引测、构件就位（调整标高、调整位置同时调整上柱和下柱的扭转）、调整垂直度。如果不按这样的工序调整，会很费时间，效率很低。
    准备工作：根据轴线控制点，将轴线投测到地脚螺栓附近，并作出明显标记；在加工好的钢柱侧面画出与地脚螺栓 “十”字线（或下节柱的控制线）对应的控制线；在首节钢柱安装时，在地脚螺栓附近引测细部高程控制点。
    钢柱校正：测量校正时，用两台全站仪分别架设在钢柱纵横轴附近，但偏离的角度应不大于15度。离柱的距离约为1.5倍柱长。校正时先瞄准柱子下部的控制线，全站仪照准部固定后，再仰视柱顶部控制线；如果重合，则表示这个柱子在这个方向上就是竖直的，如果不重合，应进行调整，直到相互垂直的两个方向都符合要求为止。每根钢柱就位时除了要校正垂直度外，还要对柱底的标高进行调整，通过调整柱底的螺母对每根柱的高程进行调整，保证钢梁的准确就位。


    用缆风绳或支撑校正钢柱时，在松开缆风绳或支撑时，柱子能保持0位移状态，才能算校正完毕。如果缆风绳和支撑的力量很大，柱子就有很大的安装内力，松开缆风绳或支撑。柱子的位置就会发生变化，这样也会使结构产生较大的变化，此时不能算校正完毕
    标高控制测量：钢柱标高控制测量主要是控制各根钢柱的柱顶标高，将水准仪架设在施工层上，采用中丝读数法，进行柱顶标高测控。

    （六）桁架与钢梁安装测控
    首先平面解析出桁架结构与轴线的尺寸关系，采用放大样的方法将桁架的正投影线，放样在附着面上，解算出各监测点的坐标。并在桁架附近，刻画明显标高控制点，作为桁架竖向就位的标高控制依据。安装时架设水准仪，实施监控桁架上弦杆件的标高变化。
    对于桁架的测控采用全站仪实时跟踪测量系统，架好全站仪对中整平后，观测各点的坐标，和理论值进行比较，计算出偏差值，指导工人安装。
    钢梁标高控制使用水平仪观测梁两端标高并进行调整。
    （七）整体垂直与整体平面弯曲
    钢结构整体垂直度和整体平面弯曲，选用铅直仪配合全站仪的方法，对建筑物进行整体测量。
    （八）钢柱校正保证措施
    校正用的全站仪事前应经过严格检校，因为校正柱子竖直时，往往只用盘左或盘右观测，仪器误差影响很大，操作时还应注意使照准部水准管气泡严格居中。柱子在两个方向的垂直度都校正好后，应再复查平面位置，看钢柱下部的中线是否仍对准基础的轴线。当校正变截面的柱子时，经纬仪必需放在轴线上校正，否则容易产生差错。当安置一次仪器校正几根柱子时，仪器偏离轴线的角度最好不超过15°。当夏季气温超过25oC或有阳光直射时测量仪器要架设防晒伞，避免仪器受热造成读数不准。在负温度下安装钢结构时，要注意温度变化引起的钢结构外形尺寸的偏差。如钢结构在常温下制作在负温下安装时，要采取措施调整偏差。钢结构制作和安装用的钢尺、量具，应和土建施工单位使用的钢尺、量具用同一精度级别进行检定。


    五、预拼装控制
    （一）预拼装方法
    根据施工顺序，将钢构件划分成预拼装单元后，将每个预拼装单元逐个进行拼装。根据设计图纸及拼装单元形式，桁架拼装方法采用分单元卧拼。
    1．预拼装工艺流程
    预拼装采用工厂吊车作为主要机械，桁架采取卧拼形式进行。因桁架多为带弧度曲线形式，所以在卧拼期间采取型钢支架（枕木）作为调节桁架曲线水平标高的支点，待每预拼装单元所有杆件都就好位以后，对桁架进行整体校正并穿装安装螺栓，预拼装完成，进行验收，将桁架拆散运输出厂。预拼装工艺流程见下图：

    图37预拼装工艺流程

    2．预拼装步骤





    3．预拼装原则上尽量拼装整榀桁架，如果由于场地条件限制，没有足够的场地进行预拼装，可以按下图方法进行拼装，但是必须保证最少的拼装单元不能少于三跨间进行连续拼装，以保证真正达到预拼装检验工厂制作精度的目的。下面以33TR-1桁架为例进行详细说明：


    （二）构件预拼装的质量要求


    六、 结束语
    本工程在钢结构施工技术上充分运用了混凝土结构来进行柱脚埋设和支撑架、脚手架安装，这样既保证钢结构的稳定性又为钢结构工序的开展提供作业面，减少了结构体系不稳的因素，确保了工程的整体工期和及经济效益，为同类工程的施工提供了宝贵的经验。

    图46转换层钢结构造型初现
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