新型變截面鋼管混凝土柱施工技術(shù)研究與應(yīng)用

周彥哲

（廣東省建筑工程集團(tuán)有限公司 廣州 510013）

1 工程概況

廣州某美術(shù)館項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)形式為鋼框架+鋼筋混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。該工程的鋼結(jié)構(gòu)分為鋼框架、屋蓋和幕墻桁架3 個(gè)部分。鋼材總用量約6 800 t，鋼結(jié)構(gòu)形式多樣，安裝精度要求高。其中2～5 層外圍存在大懸挑結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)懸挑6～8 m，1～4 層主體外圍框架柱采用變截面鋼管混凝土柱［1］（見圖1）。變截面鋼管混凝土柱位于整個(gè)建筑物外圍，原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)長橢圓形-倒三角變截面鋼管混凝土柱，在各樓層間，框架柱立面呈倒三角形，且內(nèi)側(cè)呈豎直狀態(tài)。各層柱頂截面為長橢圓形，外輪廓尺寸為2 540 mm×800 mm，柱腳截面為橢圓形，外輪廓尺寸為1 000 mm×800 mm，結(jié)構(gòu)柱的外觀形式及尺寸如圖2所示。采用此種形式的柱可保證框架柱沿建筑外立面呈傾斜狀態(tài)，各層懸挑跨度保持一致，同時(shí)柱內(nèi)側(cè)保持豎直的效果［2-3］。

2 方案選擇

在深化設(shè)計(jì)階段，考慮到鋼管柱在結(jié)構(gòu)層面難以焊接，將每層的鋼管柱進(jìn)行重新分割，鋼管柱由原來的倒三角形分解成倒梯形，每層鋼管柱分割點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)面以上1 m，方便工人進(jìn)行焊接作業(yè)，提高施工質(zhì)量與效率。在進(jìn)行鋼管柱現(xiàn)場吊裝時(shí)，采用一種汽車吊支腿支撐架，這種汽車吊支腿支撐架具有較大的承載力，能夠滿足在回填土范圍內(nèi)穩(wěn)定支撐汽車吊支腿的需求，既解決了場地受限問題，在施工工期、質(zhì)量和安全上也得到保證。為滿足校正與焊接的要求，在鋼管柱柱腳處對(duì)稱開一個(gè)300 mm×400 mm的方形小孔作為千斤頂架設(shè)的附著點(diǎn)，同時(shí)開孔位置緊貼鋼管柱中間箱體的縱隔板位置，增加焊接面積，提高了施工質(zhì)量［4-5］。

3 創(chuàng)新點(diǎn)分析

3.1 變截面鋼管柱深化設(shè)計(jì)

由于在結(jié)構(gòu)層面難以焊接，每層鋼管柱通過深化設(shè)計(jì)重新進(jìn)行分割，重新分割后，首層預(yù)埋短柱長度為2.47 m，比結(jié)構(gòu)±0.000 高出1 m，結(jié)構(gòu)樓層高度8 m，鋼管柱長度8 m，即每根柱都高出結(jié)構(gòu)層1 m，方便工人進(jìn)行焊接作業(yè)，深化設(shè)計(jì)將倒三角形分解成倒梯形［6］，如圖3所示。

3.2 采用汽車吊支腿支撐架輔助汽車吊吊裝作業(yè)

根據(jù)深化設(shè)計(jì)，鋼柱預(yù)埋短柱2.47 m，重量2.84 t，標(biāo)準(zhǔn)層鋼柱高度8 m，重量13.1 t，整個(gè)建筑物外圍共布置了4臺(tái)塔吊，由于塔吊施吊重量有限，僅部分首層預(yù)埋短柱可使用塔吊吊裝，標(biāo)準(zhǔn)層鋼柱只能采用汽車吊進(jìn)行吊裝，首層鋼柱至地下室外墻外側(cè)最大距離為35.3 m，地下室側(cè)墻至基坑支護(hù)面約1.5 m，則首層鋼柱至基坑支護(hù)樁約36.8 m，由于基坑回填土承載力較低，為了防止吊車起吊產(chǎn)生傾覆，一般不能作為吊車支腿支撐點(diǎn)。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案，汽車吊在各工況下額定起重量的富余量不大，若汽車吊選擇在基坑回填土外站位，則必須采用更大噸位吊車，由于施工時(shí)東側(cè)停車場、北側(cè)建筑物拆遷工作未完成，大噸位汽車吊出入場地受限，再加上現(xiàn)場場地空間狹小，汽車吊支腿支撐范圍有限，從經(jīng)濟(jì)上看費(fèi)用較高，對(duì)整體工期也造成一定影響。

經(jīng)過方案比較，項(xiàng)目科技攻關(guān)小組發(fā)明了一種汽車吊支腿支撐架，采用汽車吊吊裝鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，先安放汽車吊支腿支撐架，其中掛架置于地下室外墻頂部上，支撐底架及支撐底板置于支護(hù)樁上，使支護(hù)樁與地下室外墻共同形成汽車吊支腿支撐架的兩個(gè)支點(diǎn)，這種汽車吊支腿支撐架具有較大的承載力，能夠滿足在回填土范圍內(nèi)穩(wěn)定支撐汽車吊支腿的需求，減輕回填土部分承載壓力，使整體支撐面更加穩(wěn)定，使汽車吊支腿的整體支撐能滿足鋼結(jié)構(gòu)吊裝所需承載力的要求。既解決了場地受限問題，在施工工期、質(zhì)量和安全上也得到保證［7］。汽車吊站位如圖4所示。

3.3 變截面鋼管柱上下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的校正與焊接

由于鋼柱整體質(zhì)量較大，1～4 層鋼管柱重達(dá)13.1 t，鋼管柱上下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的對(duì)接須采用千斤頂進(jìn)行校正，按原設(shè)計(jì)鋼管柱上下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)節(jié)點(diǎn)則千斤頂無可用附著點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)在施工需要，在深化設(shè)計(jì)中，在鋼管柱柱腳處對(duì)稱開一個(gè)300 mm×400 mm的方形小孔，作為千斤頂架設(shè)的附著點(diǎn)，同時(shí)開孔位置緊貼鋼管柱中間箱體的縱隔板位置，在進(jìn)行對(duì)接焊接時(shí)，可在柱體內(nèi)部對(duì)縱隔板進(jìn)行焊接固定，增加焊接面積，以此提高施工質(zhì)量［8］。

4 具體施工工藝流程

施工工藝流程為：變截面鋼管柱制作加工→首層預(yù)埋短柱吊裝→汽車吊支腿支撐架制作→汽車吊就位→變截面鋼管柱吊裝→變截面鋼管柱水平縫焊接→變截面鋼管柱混凝土澆筑。

4.1 變截面鋼管柱制作加工

⑴分析鋼管柱各主要構(gòu)件型材組成，先按照深化圖將異性柱各零件板用CNC切割出來；

⑵鋼管柱加工

第一步：先安裝中間箱體，依次安裝底板、橫隔板和縱隔板，焊接隔板與隔板、隔板與底板件的焊縫，如圖5?所示；

第二步：再將中間箱體的頂板和縱橫隔板組裝成一體，同時(shí)將兩個(gè)半圓的隔板組裝在半圓板上，并焊接成整體，如圖5?所示；

第三步：將半圓單元件和內(nèi)箱體組成鋼管柱，安排焊工鉆入箱體內(nèi)部將橫隔板與半圓隔板焊接好，然后利用埋弧焊機(jī)焊接半圓體和內(nèi)箱體間的拼接縫，如圖5?所示。

4.2 首層預(yù)埋短柱吊裝

首層預(yù)埋短柱除位于4 個(gè)轉(zhuǎn)角位的8 根短柱須采用小型汽車吊吊裝，其余短柱可采用塔吊進(jìn)行吊裝，首層施工平面布置如圖6所示。

分油機(jī)仿真面板的原理圖設(shè)計(jì)在完成之后，借助Altium Designer板卡設(shè)計(jì)軟件繪制原理圖并給原理圖中的每一個(gè)元件編號(hào)，在將原理圖導(dǎo)入到PCB圖之前需要對(duì)原理圖以及PCB圖進(jìn)行編譯(Compile)。受安裝環(huán)境的影響，PCB板的大小不得超過110 mm×120 mm，設(shè)計(jì)為雙層板，通過螺柱固定在控制箱上，設(shè)計(jì)的板卡PCB見圖4。

首層短柱預(yù)埋安裝前，須先放線定位并按照設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行預(yù)埋，預(yù)埋安裝完成后須復(fù)核短柱位置、頂部水平及標(biāo)高，若有偏差應(yīng)及時(shí)調(diào)整糾正。在首層梁板混凝土澆筑前，須再復(fù)核短柱頂部水平標(biāo)高。

4.3 汽車吊支腿支撐架制作

汽車吊支腿支撐架底座尺寸為4 m×1.85 m，底座采用30A#300×126×9 mm 工字鋼組合焊接，支撐座底采用10 mm 厚鋼板，其他材料采用18#180×94×6.5 mm工字鋼組合焊接（見圖7）。

4.4 汽車吊就位

由于整個(gè)建筑地上部分呈碗狀，在地上部分越往上建筑邊緣離基坑邊緣越近，采用汽車吊吊裝時(shí)，須考慮吊臂與上部結(jié)構(gòu)之間的距離，在進(jìn)行吊裝作業(yè)時(shí)，汽車吊的作業(yè)半徑越小，作業(yè)工況越有利，其中首層的作業(yè)半徑最大，故首層為最不利工況。以首層北立面的結(jié)構(gòu)吊裝驗(yàn)算為例：

北立面首層鋼結(jié)構(gòu)吊裝計(jì)劃選用220 t 汽車吊進(jìn)行施工，整個(gè)北立面首層鋼結(jié)構(gòu)吊裝，220 t 汽車吊總共需要支腿2 次，工位1 和工位2 所處位置如圖8 所示。工位1 時(shí)一種工況可以覆蓋北立面西側(cè)GZZ2-13、GZZ2-14、GZZ2-15 三根鋼管柱，工位2 時(shí)一種工況可以覆蓋北立面東側(cè)GZZ2-16、GZZ2-17、GZZ2-18三根鋼管柱。

⑴工況1 為在工位1 位置，作業(yè)半徑r1=30 m，此時(shí)安裝構(gòu)件最重為Q1=13.1 t（見圖9），安裝高度為9 m，考慮繩長及吊鉤長，汽車吊伸臂高度大于13 m，220 t 汽車吊伸臂長38.6 m，作業(yè)半徑30 m，此時(shí)額定起重量Q=17.0 t

式中：Q為吊機(jī)額定起重量；Q1為構(gòu)件重量；Q2為索具重量（取0.5 t）。

則：Q=17＞13.1+0.5，滿足要求。

⑵工況2 為在工位2 位置，r2=28 m，此時(shí)安裝構(gòu)件最重為Q1=13.1 t，安裝高度為9 m，考慮繩長及吊鉤長，汽車吊伸臂高度大于13 m，220 t 汽車吊伸臂長43.41 m，作業(yè)半徑28 m，此時(shí)額定起重量Q=19.5 t，Q≥Q1+Q2，則：Q=19.5＞13.1+0.5，滿足要求。

4.5 變截面鋼管柱吊裝安裝

根據(jù)深化圖紙及吊裝方案，鋼管柱按每層一節(jié)進(jìn)行分段，分段位置在各層結(jié)構(gòu)面以上1.0 m 處，鋼管柱對(duì)接采取設(shè)置臨時(shí)連接耳板節(jié)點(diǎn)形式，對(duì)接接頭焊接完成后將連接耳板割除。

4.5.1 鋼管柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)吊裝

⑴鋼管柱起吊吊點(diǎn)設(shè)置在柱頂處，即在柱頂臨時(shí)焊接吊耳，上開孔作為吊裝孔，吊鉤通過柱中心線，易于起吊、對(duì)中和校正。也可利用柱端的耳板螺栓孔，穿入專用吊裝索具或銷軸進(jìn)行吊裝。嚴(yán)禁直接穿入普通索具吊裝，以防在起吊過程中磨損栓孔和索具。索具要求捆扎穩(wěn)固可靠。單機(jī)吊裝時(shí)需在柱子根部墊以墊木，以回轉(zhuǎn)法起吊，嚴(yán)禁柱根拖地。

⑵綁扎結(jié)束并檢查無誤后，進(jìn)行起吊試機(jī)，要求緩慢起吊，當(dāng)鋼管柱離開地面時(shí)暫停，再進(jìn)行全面檢查吊索具、卡具等，確保各方面安全可靠后，才能正式起吊。

⑶起吊時(shí)鋼管柱必須垂直，盡量做到回轉(zhuǎn)扶直，起吊回轉(zhuǎn)過程中應(yīng)避免同其它已安裝好的構(gòu)件相碰撞，吊索應(yīng)預(yù)留有效高度。

⑷正式起吊時(shí)應(yīng)由專人統(tǒng)一指揮，統(tǒng)一口令，指揮塔吊司機(jī)，將鋼管柱慢慢吊裝到位，然后逐步調(diào)整鋼管柱的位置，使其底部的裝配連接板的孔位對(duì)齊，漸漸下落安裝就位，臨時(shí)固定螺栓，校正垂直度。

⑸鋼管柱兩節(jié)對(duì)接時(shí)，鋼柱兩側(cè)裝有臨時(shí)固定用的連結(jié)耳板，上節(jié)鋼柱對(duì)準(zhǔn)下節(jié)鋼柱柱頂中心線后，即用螺栓將連接板與連接耳板臨時(shí)固定，通過校正螺桿進(jìn)行上節(jié)型鋼柱的垂直度校正，校正完成后進(jìn)行對(duì)接焊接，焊接完成后將連接板卸下，耳板割除［9］。

4.5.2 鋼管柱對(duì)接校正

⑴鋼管柱垂直度校正。柱子的垂直校正，測量用全站儀（經(jīng)緯儀）安置在縱橫軸線上，先對(duì)準(zhǔn)柱底垂直翼緣板或中線，再漸漸仰視到柱頂，如中線偏離視線，表示柱子不垂直，可指揮調(diào)節(jié)拉繩或千斤頂，可用敲打等方法使柱子垂直。

⑵鋼管柱位移調(diào)整。鋼管柱對(duì)接時(shí)的中心線應(yīng)盡量對(duì)齊，其錯(cuò)邊量應(yīng)滿足規(guī)范的要求。為上下柱不出現(xiàn)錯(cuò)口，應(yīng)盡量做到上下柱十字線重合，如有偏差，在柱與柱的連接耳板的不同側(cè)夾入墊板（墊板厚度0.5～1.0 mm），擰緊高強(qiáng)螺栓，鋼管柱的位移偏差每次調(diào)整3.0 mm以內(nèi)，如果偏差過大可以分2～3次調(diào)整。

每一節(jié)鋼管柱的定位軸線絕不允許使用下面一節(jié)鋼管柱的定位軸線，必須從地面控制線引至高空，避免產(chǎn)生累計(jì)誤差。

4.6 變截面鋼管柱水平縫焊接

鋼管柱對(duì)接焊接方式為手工電弧焊與CO2氣體保護(hù)焊相結(jié)合的焊接方法。對(duì)焊前、組對(duì)，核正復(fù)驗(yàn)、預(yù)留焊接收縮量，定位焊，焊前防護(hù)，焊前清理，焊前預(yù)熱，焊接，焊后清理與外觀檢查，無損檢測與缺陷返修等工序嚴(yán)格控制，才能確保焊接質(zhì)量全面達(dá)標(biāo)。

鋼管柱的水平焊縫為一級(jí)焊縫，對(duì)不合格的焊縫，根據(jù)超標(biāo)缺陷的位置，采取刨、切除、砂磨等方法去除后，以與正式焊縫相同的工藝方法進(jìn)行補(bǔ)焊，其核驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)相同［10］。

4.7 變截面鋼管柱混凝土澆筑

鋼管柱的混凝土澆筑采用串料筒下料，人工振搗的方法，分層下料，分層振搗，將混凝土振搗密實(shí)。采用該方法時(shí)，混凝土分層下料厚度一般不超過800 mm，兩人為一振搗小組，由外而內(nèi)環(huán)形振搗，以混凝土不再沉落，均勻泛漿為度?；炷翝仓翗?biāo)高位置后，在混凝土初凝前進(jìn)行二次振搗，振動(dòng)深度約為500 mm，以提高面層的密實(shí)度，減少混凝土自身的收縮。

5 施工技術(shù)使用效果

通過施工應(yīng)用實(shí)踐證明，新型變截面鋼管混凝土柱施工技術(shù)在深化設(shè)計(jì)、吊裝施工等過程中的方法改進(jìn)與創(chuàng)新科學(xué)可行，先進(jìn)合理，節(jié)約了施工成本，同時(shí)有效保證了施工安全，施工過程中對(duì)現(xiàn)場安裝焊縫均進(jìn)行了檢測，焊縫質(zhì)量等級(jí)均為一級(jí)，施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)及《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：GB 50205—2020》要求。

6 結(jié)論

新型變截面鋼管混凝土柱施工技術(shù)研究與應(yīng)用中，通過深化設(shè)計(jì)變截面鋼管柱，優(yōu)化原設(shè)計(jì)倒三角成倒梯形，重新分割后，使變截面鋼管柱高處結(jié)構(gòu)層以上1 m，解決了在結(jié)構(gòu)層面難以焊接的難題；研發(fā)了一種汽車吊支腿支撐架申請了實(shí)用新型專利，滿足了在回填土范圍內(nèi)穩(wěn)定支撐汽車吊支腿的承載要求，提高了汽車吊作業(yè)的穩(wěn)定性，保證支腿的穩(wěn)定性，節(jié)約了施工成本；為滿足變截面鋼管柱校正與焊接的要求，在鋼管柱柱腳處對(duì)稱開一個(gè)300 mm×400 mm的方形小孔，作為千斤頂架設(shè)的附著點(diǎn)，同時(shí)開孔位置緊貼鋼管柱中間箱體的縱隔板位置，增加焊接面積，提高了施工質(zhì)量。