超高層地下室鋼結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

宋照尚，曾翔，秦國(guó)鵬

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300456）

1 工程背景

本工程超高層主塔樓結(jié)構(gòu)高度為299.4 m，建筑高度為309.5 m，地下室共4層，底板標(biāo)高為-15.2 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.5 m，避難層層高7.5 m，總建筑面積約12.5萬(wàn)m2。

地下室鋼管柱截面為P2 800伊70，材質(zhì)為Q345GJB，厚度方向需滿足Z25，最大吊重為29.2 t。地下室鋼板剪力墻-15.200耀10.950部分的厚度為40 mm和60 mm，材質(zhì)為Q390B-Z15。栓釘豎向、橫向間距均為300 mm，長(zhǎng)度不小于120 mm。南側(cè)及北側(cè)鋼柱距離基坑邊最近15 m，基坑邊距離工地圍墻16.5 m，基坑邊2 m以內(nèi)嚴(yán)禁堆物，2 m以外道路堆物荷載限值為2 t/m2。A-A軸和A-6軸、A-B軸和A-4軸交匯處外框鋼柱位于混凝土連梁下部，2根外框鋼柱上部樓板后澆，便于鋼柱吊裝，具體平面布置見圖1。

圖1 地下室鋼結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.1 Basement steel structure layout plan

2 超高層地下室鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

2.1 地下室鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案的確定

現(xiàn)有3號(hào)平臂式塔吊臂長(zhǎng)70 m，最大吊重為10 t，70 m位置吊重為1.5 t；4號(hào)平臂式塔吊臂長(zhǎng)65 m，最大吊重為10 t，65 m位置吊重為1.7 t。這2臺(tái)塔吊可覆蓋整個(gè)地下室階段的施工，但是無(wú)法滿足鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的吊裝，為保證地下室施工順利進(jìn)行，擬安裝一臺(tái)5號(hào)塔吊（LH800-63）進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊裝，5號(hào)塔吊臂長(zhǎng)35 m，1倍率最大吊重為32 t，35 m位置吊重為28.89 t，可滿足鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的吊裝。但是該方案塔吊安裝周期長(zhǎng)，且所有地下室較重鋼構(gòu)件完全依賴塔吊LH800-63進(jìn)行吊裝。工期長(zhǎng)短由塔吊吊裝效率決定，使得地下室階段施工工期較長(zhǎng)，不利于工程工期總目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。經(jīng)方案比選后，確定采用汽車吊配合80 t履帶吊吊裝的施工方案，該方案可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)2臺(tái)吊機(jī)吊裝任務(wù)靈活分配，吊裝效率高，有利于節(jié)省工期。地下室施工階段設(shè)備平面布置圖見圖2。

圖2 地下室施工階段吊裝設(shè)備平面布置圖Fig.2 Plane layout of hoisting equipment in basement construction stage

采用汽車吊配合80 t履帶吊吊裝施工?；觾?nèi)80 t履帶吊吊機(jī)行走路線寬度為5 m，核心筒內(nèi)局部3 m為平板車倒運(yùn)構(gòu)件行走道路，場(chǎng)內(nèi)回轉(zhuǎn)半徑12 m。經(jīng)過(guò)核算，基坑邊施工位置對(duì)基坑變形影響較大，為保證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全，最終確定500 t汽車吊。汽車吊支立于西側(cè)場(chǎng)外市政道路上，西側(cè)拆除25 m臨時(shí)圍擋，保證汽車吊支腿伸入場(chǎng)內(nèi)施工道路距基坑9.5 m處。地下室鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備吊裝站位平面布置見圖3。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)吊裝順序

鋼管柱構(gòu)件最大分段重量為29.2 t（編號(hào)Z1、Z12），如圖3所示，最遠(yuǎn)鋼管柱（編號(hào)Z9、Z10）離基坑邊緣距離為52.9 m；有2根鋼管柱（編號(hào)Z1、Z2）在基坑支護(hù)梁內(nèi)，無(wú)法用履帶吊進(jìn)行吊裝施工。經(jīng)過(guò)討論，在500 t汽車吊喂料位置南側(cè)再拆除22.5 m臨時(shí)圍擋作為500 t汽車吊的第二個(gè)支立點(diǎn)，用來(lái)吊裝編號(hào)Z1、Z2的鋼管柱。綜合考慮鋼管柱重量、分布情況、施工進(jìn)度及經(jīng)濟(jì)性，吊裝思路如下：

1）用500 t汽車吊將30 t平板車及80 t履帶吊吊入基坑。

2）500 t汽車吊給80 t履帶吊喂料及完成Z4-（1、2、3、4、5）、Z5-（1、2、3、4、5）、Z6-（1、2、3、4、5）共15根柱的吊裝。

3）500 t汽車吊給80 t履帶吊喂料及完成Z1-（1、2、3、4、5）、Z2-（1、2、3、4、5）、Z3-（1、2、3、4、5）共15根柱的吊裝。

4）500 t汽車吊及80 t履帶吊作業(yè)期間的同時(shí)，3號(hào)塔吊進(jìn)行部分較輕鋼構(gòu)件的吊裝。其中鋼板剪力墻遵循分區(qū)從南往北的吊裝原則進(jìn)行吊裝，具體分布見圖4。

地下室鋼結(jié)構(gòu)施工階段地下室底板混凝土已澆筑完成，基坑支護(hù)仍未拆除，現(xiàn)場(chǎng)未預(yù)留車輛進(jìn)出基坑的斜坡，為將80 t履帶吊轉(zhuǎn)運(yùn)至地下室，將其進(jìn)行了拆分，并使用500 t汽車吊分件吊裝至基坑內(nèi)部[1]。

具體吊裝示意圖見圖5。

圖4 鋼板墻吊裝方向Fig.4 Hoisting direction of steel plate wall

圖5 80 t履帶吊吊入基坑示意圖Fig.5 Schematic diagram of 80 t caterpillar hanging intofoundation pit

拆分后履帶吊單構(gòu)件最大吊重為27 t，基坑內(nèi)拼裝位置距汽車吊中心位置水平距離為28 m，經(jīng)查500 t汽車吊功效表可知，28 m工作半徑內(nèi)額定起重量為48.4 t，大于28 t（包含吊鉤及索具重量），滿足吊裝需求。

2.3 最重構(gòu)件吊點(diǎn)設(shè)置及受力計(jì)算

根據(jù)深化圖紙，鋼柱最大吊裝總量為29.2 t，其吊耳布置圖見圖6。

圖6 鋼柱吊耳布置圖Fig.6 Layout of steel column lifting lug

鋼柱最大吊裝總量為29.2 t，取為30 t，共有4個(gè)吊耳，每個(gè)吊耳豎向受力G為300/4=75 kN。吊裝時(shí)保證吊繩與地面的夾角大于等于60毅（見圖7），則吊繩的拉力F為：

圖7 卸扣及吊繩示意圖Fig.7 Schematic diagram of shackle shacklesand rope stress

卸扣GB/T 25854-6-BX10的基本參數(shù)見表1。從表1可知，選用GB/T 25854-6-BX10，其極限工作荷載為100 kN躍87 kN，且D=40 mm約45 mm，滿足要求。

Table 1 GB/T 25854-6-BX10 basic parameter

表1 GB/T 25854-6-BX10基本參數(shù)表

鋼絲繩的容許拉力可按下式計(jì)算：

式中：[Fg]為鋼絲繩的容許拉力，kN；Fg為鋼絲繩的鋼絲破斷拉力總和，kN；琢為考慮鋼絲繩直接荷載不均勻系數(shù)，對(duì)6伊37鋼絲繩，琢取值0.82；K為鋼絲繩使用安全系數(shù)，此處取K=6。

根據(jù)受力分析得 [Fg]=87 kN，反算得Fg=637 kN。根據(jù)Fg值要求查鋼絲繩力學(xué)性能表可得需選用準(zhǔn)36的鋼絲繩，準(zhǔn)36性能見表2。

從表2可知，選用公稱直徑準(zhǔn)36的6伊37S-FC鋼絲繩，其抗拉力設(shè)計(jì)值為97.6 kN躍87 kN，滿足吊裝要求。

表2 準(zhǔn)36鋼絲繩力學(xué)性能表Table2 Tableof mechanical propertiesof準(zhǔn)36 wirerope

2.4 地下室鋼結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)措施

2.4.1 測(cè)量控制

分別建立平面、高程控制網(wǎng)，在基坑周邊布設(shè)主要軸線控制樁，采用“外控法”控制基坑內(nèi)各結(jié)構(gòu)的軸線和標(biāo)高位置。將軸線投放在底板上，校核結(jié)構(gòu)預(yù)埋件或安裝位置，水準(zhǔn)點(diǎn)引測(cè)在已形成的混凝土結(jié)構(gòu)上，各構(gòu)件安裝過(guò)程隨時(shí)校驗(yàn)軸線和標(biāo)高。

2.4.2 鋼板剪力墻變形控制

1）吊裝變形控制

單片一字型鋼板剪力墻長(zhǎng)寬比較大，吊裝過(guò)程中容易發(fā)生變形。選取一塊編號(hào)為GB6a-1的板墻進(jìn)行翻身時(shí)變形分析，變形圖見圖8。

圖8 GB6a-1分塊翻身吊時(shí)變形圖Fig.8 Deformation diagram with GB6a-1 chunking and lifting

根據(jù)以上的分析表明，GB6a-1分塊翻身吊時(shí)變形為80 mm，其為彈性變形，在鋼板墻吊裝至立位時(shí)，變形可以恢復(fù)。但為了保障安裝精度，一字型剪力墻吊裝時(shí)附設(shè)HW300伊300鋼梁作為措施，減少鋼板墻的吊裝變形[2]。

2）焊接變形控制

地下室部分鋼板剪力墻厚度為40 mm、60 mm，板與板間的橫向?qū)涌陂L(zhǎng)度為2.65 m，豎向?qū)涌陂L(zhǎng)度為8.75 m。鋼板焊接量大，焊接變形嚴(yán)重，焊接殘余應(yīng)力大，為保證鋼板剪力墻焊接的質(zhì)量，鋼板剪力墻的施焊遵循“分區(qū)施焊；先豎后橫；從中間向兩端；單桿雙焊，雙桿單焊；分段退（跳）焊；多層多道焊”的原則[3]。具體措施如下：

淤剛性固定法

沿垂直焊縫方向，間距1 m布置加勁鋼板；沿鋼板墻構(gòu)件長(zhǎng)度方向通長(zhǎng)布置豎直加勁肋，寬度方向在構(gòu)件上端通長(zhǎng)布置水平加勁肋；在預(yù)拼裝完成的鋼板墻上端，設(shè)置剛性水平支撐來(lái)控制焊接變形；在剪力墻門洞位置處約束薄弱的地方，增設(shè)鋼梁加固。

于殘余應(yīng)力釋放法

在應(yīng)力集中區(qū)域預(yù)先開設(shè)直徑100 mm的應(yīng)力釋放孔，破壞孔周圍的應(yīng)力平衡，使應(yīng)力重新調(diào)整，緩解殘余應(yīng)力造成的變形。

盂減少熱輸入

采用雙面對(duì)稱K形坡口形式，使殘余應(yīng)力隨焊縫截面的減小而減??；結(jié)合CO2氣保焊焊接方法，采取多人對(duì)稱、多層多道、退焊或退焊與跳焊相結(jié)合的方式施焊[4]。

榆特定的焊接工藝

基本原則為“分區(qū)進(jìn)行、每步歸零、單板雙焊、雙板單焊、對(duì)稱施工”首先焊接鋼板墻連梁，使其起到加勁的作用；接著將鋼板墻層間對(duì)接立焊縫區(qū)分段順序焊接；然后再焊接層間鋼板墻橫向焊縫，水平從中間往兩邊分段退焊，同時(shí)對(duì)稱焊接[5]。

單條立焊縫，按1.5~1.7 m劃分焊接分區(qū)，各分區(qū)同時(shí)施焊；每分區(qū)各配置2名焊工，采用雙人正反面對(duì)稱施焊。每分區(qū)再按500~600 mm劃分若干焊接分段，采取由下向上立焊、分段退焊的方式進(jìn)行施焊，每段的焊縫焊至1/3焊縫高度之后向下，在下一位置焊接，依此順序直到焊接完成。

單條水平橫焊縫，按500~700 mm劃分為若干焊接分段，采取多名焊工施焊，每名焊工焊接3~4段焊縫，焊接時(shí)采取分段退焊與跳焊相結(jié)合的焊接順序。每條焊縫，采取正面焊接1/3 t，再反面焊接1/3 t，最后再依次完成正反面的剩余板厚焊縫。

2.4.3 鋼管柱厚板焊接控制

本工程鋼管柱鋼管直徑大、壁厚大且焊縫長(zhǎng)，焊縫填充量達(dá)183.06 kg；Q345GJB—Z25鋼板碳當(dāng)量高，淬硬傾向大，焊接性較差，焊接熱影響區(qū)和焊縫根部容易產(chǎn)生冷裂紋，焊接收縮量大、焊接應(yīng)力與變形控制難度大，焊接過(guò)程有較大成形應(yīng)力或附加應(yīng)力，層狀撕裂傾向大[6]。

1）鋼管柱焊接主要措施

淤采取電加熱技術(shù)進(jìn)行焊前預(yù)熱、焊接過(guò)程保證層間溫度、焊后保溫緩冷等措施，保證厚板焊縫質(zhì)量；采用焊接熱輸入密度集中、效率高、熔池保護(hù)及脫氫效果好、焊接變形小的實(shí)心焊絲CO2氣體保護(hù)焊。

于采用多層多道錯(cuò)位焊接、組合焊接新工藝、“雙面雙弧單熔池、同步同向打底成型技術(shù)”、窄焊道薄焊層等焊接技術(shù)與方法，多工位同時(shí)對(duì)稱不間斷施焊。嚴(yán)控焊接環(huán)境，搭設(shè)防風(fēng)防雨保溫棚，創(chuàng)造良好的施焊小環(huán)境，保證焊接質(zhì)量[7]。

2）日照和焊接變形對(duì)鋼柱垂直度偏差的影響控制

關(guān)于日照影響的預(yù)控：由于日光照射在鋼柱的一側(cè)，鋼柱將會(huì)向背光的一側(cè)發(fā)生附加的傾斜位移，尤其是上午 9頤00—10頤00 和下午 2頤00—3頤00時(shí)，兩側(cè)溫差較大，這時(shí)可考慮對(duì)鋼柱按如下理論公式進(jìn)行預(yù)偏，預(yù)偏方向與太陽(yáng)光的照射方向相反。

式中：駐為柱頂因溫差影響產(chǎn)生的位移值；琢為鋼材的線膨脹系數(shù)；駐t為柱兩面的溫差；L為鋼柱的長(zhǎng)度；h為溫差方向柱截面的厚度。

3）關(guān)于焊接收縮變形影響的預(yù)控

鋼柱校正完后，如果不考慮焊接收縮影響時(shí)，往往會(huì)發(fā)生較大的焊接變形。施工經(jīng)驗(yàn)證明，梁-柱焊縫收縮一般約為2 mm，柱-柱焊縫收縮一般約為3.5 mm，每節(jié)柱由于焊接造成的柱頂垂直度位移約為2.5 mm，故在測(cè)量校正時(shí)除中心柱外尤其是對(duì)邊緣柱均應(yīng)考慮焊接變形對(duì)鋼柱的預(yù)控。

具體做法為在鋼柱的四面沿對(duì)接縫上下各焊接一塊馬板，根據(jù)千分表的大小及在監(jiān)測(cè)的同時(shí)滿足焊接操作的需要，設(shè)置馬板的大小及上下間距。對(duì)稱擺放千分表于優(yōu)先焊接的柱兩側(cè)對(duì)應(yīng)的馬板上，調(diào)節(jié)千分表鎢鋼針與上面的馬板頂緊，固定旋鈕，即可開始焊接準(zhǔn)備。在焊接的過(guò)程中定時(shí)觀察千分表表盤的讀數(shù)，比較對(duì)稱兩讀數(shù)的差值，依據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式即可知鋼柱由于不對(duì)稱施焊所造成的焊接變形[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用500 t汽車吊配合80 t履帶吊下基坑的吊裝方案，有效地保證了地下室鋼結(jié)構(gòu)的順利施工。過(guò)程中合理的吊裝順序安排有效地保證了各設(shè)備各任務(wù)的靈活分配，提高了施工效率。受力計(jì)算輔助保證了地下室鋼結(jié)構(gòu)施工的安全性，有限元分析吊裝變形、科學(xué)的焊接工藝、合理的焊接順序、精確地測(cè)量監(jiān)測(cè)，保證了地下室鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。