巨型格構(gòu)柱施工技術(shù)

葉倍君 浦建剛

中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 江蘇 蘇州 215131

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)概況

ABB廈門工業(yè)中心TP-02C項目測試塔長49.7 m，寬43 m。測試塔屋面鋼架為單跨，跨度39 m，柱距離為7.1 m。本工程屬重型鋼結(jié)構(gòu)廠房，采用格構(gòu)柱＋屋面桁架形式，柱腳為杯口式基礎(chǔ)。格構(gòu)柱主柱插入承臺2.95 m，檐口高度41.44 m，下肢格構(gòu)柱至31.6 m，以上為單H型鋼柱，屋脊高度42.5 m（圖1）。

1.2 施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)分析

1）鋼柱總長度達(dá)44.5 m，最大寬度為3.65 m。吊裝時分段越多，高空焊接風(fēng)險越大，焊接成本越高；吊裝時分段少，吊裝困難，可能造成永久變形。因此如何選擇鋼柱吊裝分段點(diǎn)是安裝的重點(diǎn)。

2）工程混凝土杯口尺寸為420 mm×900 mm×1 850 mm與600 mm×900 mm×1 850 mm，杯口開口小，深度深。應(yīng)用傳統(tǒng)打鋼楔千斤頂調(diào)整鋼柱軸線與垂直度費(fèi)時費(fèi)工且精度難保證，因此杯口基礎(chǔ)鋼柱精度調(diào)整是難點(diǎn)一。

圖1 巨型格構(gòu)柱BIM模型

3）巨型格構(gòu)柱上部為實腹式焊接H型鋼柱，下部為格構(gòu)柱，且上部與下部寬度差將近3 m，重心點(diǎn)和中心點(diǎn)不在一條直線上，吊裝過程中容易產(chǎn)生扭曲變形。如何控制吊裝過程中巨型格構(gòu)柱扭曲變形甚至永久變形是難點(diǎn)二。

2 巨型格構(gòu)柱吊裝時分段點(diǎn)方案選擇

根據(jù)施工經(jīng)驗，我們提出了2種實施方案，即地面拼接完成整根吊裝法、分段吊裝空中拼接法[1-2]。

1）地面拼接完成整根吊裝法：工廠分段加工巨型格構(gòu)柱，并將其運(yùn)輸至現(xiàn)場，在地面用胎架對鋼柱進(jìn)行拼裝焊接成整體，用大型吊車進(jìn)行吊裝。其優(yōu)勢為一次吊裝成型，縮短安裝工期，地面拼裝焊縫質(zhì)量容易得到保證；其劣勢為胎架數(shù)量多，鋼柱占地面積大，使用機(jī)械相對較大，起吊過程更容易發(fā)生變形。

2）分段吊裝空中拼接法：工廠分段加工巨型格構(gòu)柱，并將其運(yùn)輸至現(xiàn)場，用吊車分段吊裝，空中拼裝焊接。其優(yōu)勢為使用吊裝機(jī)械相對較小，起吊質(zhì)量小，鋼柱起吊過程不易變形；其劣勢為需高空對接，空中對接難度大，防風(fēng)措施實行困難，焊縫質(zhì)量控制比較困難，施工周期長。

針對地面拼接完成整根吊裝法，我們用3D3S進(jìn)行了力學(xué)建模，經(jīng)計算，即使采用雙機(jī)抬吊（4吊點(diǎn)），最大變形仍然達(dá)到83 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范允許值，無法采用地面拼接完成整根吊裝法。

通過以上的對比分析，我們認(rèn)為最佳方案為分段吊裝空中拼接法。

根據(jù)加工廠至吊裝現(xiàn)場的運(yùn)輸條件選擇分3段加工。分段后對于選擇分3次吊裝空中2次拼接還是選擇分2次吊裝空中1次拼接，我們也做了比對。

1）單吊車分3段吊裝，空中2次拼接：分段進(jìn)行安裝，吊車需反復(fù)進(jìn)行吊裝程序，且需2次高空對接焊接，比雙機(jī)吊裝略慢；空中拼裝，質(zhì)量較難把握；2次空中拼裝，存在一定風(fēng)險；吊車在選型上略小于雙機(jī)吊裝，但吊裝時間較長；分段進(jìn)行安裝，時間長，危險性大，且焊接質(zhì)量不容易控制，因此不建議采用。

2）雙機(jī)吊裝，分2段安裝（1臺吊裝，1臺輔助），空中1次拼接：地面拼裝成整體，2次吊裝整根鋼柱，1次空中拼裝用時較短。且地面拼裝有2臺吊車可用，可以加快施工速度；大部分對接在地面進(jìn)行，由于地面風(fēng)力小，施工方便，因此焊接質(zhì)量容易保證；1次空中拼裝，減少了高空作業(yè)的次數(shù)，減少了風(fēng)險；雙機(jī)吊裝，主吊車型號較大，但由于較小，綜合費(fèi)用僅比分段吊裝略貴；雙機(jī)吊裝采用地面進(jìn)行拼裝，減少了高空拼裝節(jié)點(diǎn)的數(shù)量及施工的風(fēng)險，并有利于工期和質(zhì)量的控制，為較合理的施工方法。

從上述分析中可以看出，采用雙機(jī)吊裝，分2段安裝（1臺吊裝，1臺輔助），空中1次拼接吊裝方案更優(yōu)。15 m標(biāo)高處有整圈鋼馬道，將1節(jié)柱分段點(diǎn)設(shè)置在16 m標(biāo)高處，馬道可用作焊接平臺，便于空中焊接（圖2）。

分段以后，采用雙機(jī)抬吊，第1段最大變形為－3.3 mm，第2段最大變形為－8.8 mm，均滿足規(guī)范要求，且經(jīng)原設(shè)計同意后實施。

3 結(jié)構(gòu)安裝

3.1 第1段鋼柱安裝

圖2 鋼柱吊裝分段位置

本項目為插入式柱腳，杯口基礎(chǔ)（圖3），杯口開口小，深度深。目前主流的杯口基礎(chǔ)安裝鋼柱的方法為鋼柱吊入杯口后，放置墊木或鐵楔固定、校正，校正后再包混凝土。通過調(diào)整鋼楔與杯口咬合松緊來固定鋼柱與調(diào)整垂直度，通過千斤頂來調(diào)節(jié)軸線，要同時解決柱的標(biāo)高、軸線、垂直度以及臨時固定的問題的確有點(diǎn)難度。

圖3 杯口基礎(chǔ)設(shè)計

若能在鋼柱吊裝前就能解決標(biāo)高、垂直度、軸線或臨時固定這4個問題中的1項或2項，鋼柱精度調(diào)整的問題將迎刃而解。

首先解決標(biāo)高問題，大體積混凝土杯口基礎(chǔ)，杯口模板為內(nèi)插式，且澆筑大體積混凝土?xí)r，杯口模板承受混凝土很大的浮力，杯口底標(biāo)高本身比較難控制。和設(shè)計人員及土建技術(shù)負(fù)責(zé)人商議采取杯口混凝土分2次澆筑的方式，即：第1次澆筑大體積混凝土前杯口底標(biāo)高比設(shè)計底標(biāo)高低50 mm，這樣即使模板上浮一點(diǎn)也在可控范圍內(nèi)。待整個杯口成型后，用自流平高強(qiáng)混凝土進(jìn)行二次澆筑作為找平層，杯口基礎(chǔ)底標(biāo)高頂面找平至設(shè)計柱底標(biāo)高下40 mm（圖4），杯口基礎(chǔ)底面找平偏差應(yīng)在－2～0 mm之間。

在吊裝鋼柱前，測量杯口底口標(biāo)高及平整度，計算出鋼柱底部底標(biāo)高到杯口底頂標(biāo)高的實際距離。鋼柱吊裝前每個柱腳再用厚40 mm左右鋼板條墊平找平層與柱底空隙（圖5）。

圖4 自流平混凝土澆筑示意

圖5 鋼墊片安裝示意

其次考慮解決臨時固定問題，先對測試塔一圈柱腳軸線進(jìn)行整體測量放線，以減小累積誤差。根據(jù)定位軸線在混凝土杯口3個方向，預(yù)先制作安裝鋼柱定位靠山（圖6），鋼柱定位靠山端部即為鋼柱最終落入點(diǎn)位置，留一面，方便鋼柱插入。鋼柱插入混凝土杯口內(nèi)3個方向緊靠鋼柱定位靠山，直至完全落入杯口底，用千斤頂稍作調(diào)整將鋼柱與鋼柱定位靠山完全貼牢。在沒有臨時靠山的一面打鋼楔進(jìn)行臨時固定（圖7）。

圖6 鋼柱定位靠山現(xiàn)場制作

圖7 鋼柱與靠山就位后現(xiàn)場

每段鋼柱臨時固定后及時拉設(shè)纜風(fēng)繩，用纜風(fēng)繩調(diào)節(jié)垂直度。標(biāo)高、垂直度、軸線調(diào)整結(jié)束后抓緊灌漿。

3.2 第2段鋼柱安裝

巨型格構(gòu)柱第2段柱的21 950 mm長度段為寬3 650 mm格構(gòu)柱，9 850 mm長度段為寬2 000 mm焊接H實腹式型鋼柱，此柱吊裝時對柱自身變形的控制和吊裝重心偏位的控制都比較難。自身變形和吊裝偏位需同時綜合考慮，如只考慮一方面，另一方面后續(xù)調(diào)整將十分困難。

首先對巨型鋼柱第2段柱的吊點(diǎn)進(jìn)行受力分析，選取合理的吊點(diǎn)位置。經(jīng)分析，鋼吊點(diǎn)選擇在柱頂往下3 500 mm處是可行的。

用TAKLA軟件對巨型鋼格構(gòu)柱進(jìn)行精確建模，利用TAKLA軟件的重心查詢命令，查詢出第2段鋼柱的重心點(diǎn)位置。然后綜合考慮吊車起吊高度、起吊鋼絲繩角度、溜尾鋼絲繩角度等因素，選擇起吊鋼絲繩的最優(yōu)長度（圖8）。由圖8可見，起吊鋼絲交點(diǎn)與重心點(diǎn)在同一直線，這樣就保證了鋼柱柱腳的水平度。

為保證鋼柱在起吊過程中力的傳遞平緩，降低鋼柱被折的風(fēng)險，鋼吊耳選擇圓管吊耳。吊裝鋼絲繩套在圓管吊耳上形成鎖套連接并在吊裝鋼絲繩與圓管吊耳間抹上黃油，鎖套連接能很好地保證起吊過程中力的平順傳遞，但增加了鋼絲繩向外側(cè)滑動甚至脫落的風(fēng)險。

圖8 吊裝鋼絲繩長度確定

為此制作了一個簡易隨動防脫落裝置（圖9），此裝置有效地防止了鋼絲繩的擺動甚至脫落，提高了吊裝安全系數(shù)并可重復(fù)利用。

實際起吊過程中，鋼柱受力均衡，履帶吊大臂擺幅正常，鋼柱底部基本水平（圖10）[3]。

圖9 隨動防脫落裝置

圖10 第2段鋼柱起吊時現(xiàn)場

4 結(jié)語

經(jīng)過2個多月的奮戰(zhàn)，成功地完成了ABB項目工業(yè)中心測試塔樓巨型格構(gòu)柱的安裝，工程質(zhì)量滿足了設(shè)計和規(guī)范要求，鋼柱安裝精度較以往類似工程均有了較大的提高，吊裝速度也明顯加快，為以后類似的項目提供一定的參考價值。