大型钢结构人字形框架柱施工技术的研究与应用

浙江省建工集团有限责任公司 杭州 310012

1 工程概况

杭政储出[2007]55#地块办公、商业金融用房钢结构工程坐落于杭州市钱江新城，地上20 层，地下3 层。地上部分为外筒内框巨型支撑钢结构体系，地下部分为钢结构框架，局部钢筋混凝土结构（图1）。上部结构按建筑平面划分为后厅、中厅及前厅。

图1 钢结构轴测示意

上部结构7 层以下采用斜向柱及大型人字形框架柱组成前厅，跨度72 m，跨中高度30 m，框架柱截面尺寸□1 200 mm×1 600 mm×80 mm，顶部采用铸钢件节点连接（铸钢件 ZG-12 26.74 t）。人字形框架结构跨度大、质量大，无法进行整体吊装，因此需要搭设临时支撑体系进行稳定（图2）。

图2 人字形框架柱安装轴测示意

2 施工重点难点分析

（a）由于人字形框架柱为结构内倾斜钢柱，倾斜角度大，结构自重大，因此吊装过程中维持结构稳定性困难，需要采用外部临时支撑体系加以稳定。

（b）人字形框架柱同时结合了梁与柱的受力形式，因此吊装施工过程中整个结构体系的变形处于一个动态变化的过程，需要不断进行变形观测及计算以确保吊装施工的精确及安全。

（c）人字形框架柱结构跨度大，自重较重，无法进行整体吊装，只能进行分段吊装，因此吊装设备的选型及分段吊装时的焊接质量要求较高。

3 临时支撑体系的计算及设计

3.1 有限元模拟分析施工工况

采用MIDAS/Gen V 795对人字形框架柱在施工过程中的刚度和荷载进行三维有限元模拟[1-5]。由于构件自重产生的内力占比例较大，钢结构安装方法和顺序对结构构件在重力荷载下的内力将产生明显影响，因此荷载取为结构构件自重。

在模拟过程中，根据钢结构吊装情况将施工过程划分为6 个主要工况阶段，即：1～3 层人字形斜向柱吊装、4～5 层人字形斜向柱吊装、5 层柱间钢梁吊装、5～7 层结构钢梁吊装、6～7 层人字形斜向柱吊装及7 层人字形斜向柱铸钢件吊装，随着工程进展，对有限元模型单元逐层激活并对此阶段下的结构在重力荷载下的受力进行分析，计算此工况下临时支撑的变形及杆件应力。

3.2 临时支撑体系的设计与加工

根据模拟计算，临时支撑体系采用独立钢管柱及格构柱，截面尺寸为P450 mm×20 mm，P400 mm×14 mm，P325 mm×10 mm，P180 mm×10 mm，P351 mm×16 mm，P219 mm×10 mm，P600 mm×16 mm，P140 mm×5 mm，支撑钢方框截面为H400 mm×400 mm×13 mm×21 mm，搭设在首层箱型钢梁上，通过千斤顶固定于框架柱定位牛腿上，并采用横向连接杆组成稳定单元，随人字形框架柱吊装同步搭设（图3）。

图3 临时支撑体系轴测示意

4 人字形框架柱吊装施工

通过对施工现场的整体部署及人字形框架柱的分段优化，选择2 台ZSJ100动臂式塔吊（最大起吊质量64 t）进行吊装，充分考虑钢梁的结构受力特点，将每侧框架柱钢梁分为5 段，连接处采用连接耳板及卡码进行临时固定，同时在定位牛腿处搭设操作平台进行焊接作业。

同时根据模拟计算的结构受力变形结果，将吊装施工按照框架柱分段划分为6 个步骤[6]，先进行临时支撑体系的搭设，支撑体系基础设置于结构首层的箱型钢梁上；每个步骤首先进行各层后厅、中厅钢结构施工，然后吊装相应楼层的人字形框架柱，框架柱安装于支撑体系上，并于相邻结构进行临时连接。重复上述步骤直至人字形框架柱顶部铸钢件吊装完成，各构件进行焊接固定，形成稳定单元后，临时支撑拆除。

4.1 吊装准备工作

大型构件起吊前，按有关要求进行检查，确认无误后应试吊[7]；试吊时，必须检查整个吊装系统的设备和被吊物是否全部符合起吊要求，起吊时必须由起重指挥统一指挥，配合人员听从信号，服从指挥。被吊物不可长时间悬吊、停滞等[8]。

4.2 主要吊装流程

第1步：完成上部结构1～3层后厅、中厅庭柱、钢梁吊装，搭设首层临时支撑后开始吊装第1 段框架斜柱。

临时支撑体系采用现场拼接、分段吊装。支撑体系底座采用H400 mm×400 mm×13 mm型钢制作，安装于首层箱型钢梁上。吊装首层立柱安放于底座上，进行竖直校准，先吊装主立柱，后吊装次立柱，接着吊装连系横杆组成稳定的结构体系，最后在立柱顶端搭设操作平台。

第2步：吊装第2段框架斜柱。吊装框架斜柱间连接钢梁。

第3步：完成4～5层后厅、中厅钢梁及斜柱吊装，搭设第2层临时支撑后，吊装第3 段框架斜柱。

第4步：吊装4～5层中前厅间连系钢梁后吊装第4段框架斜柱。

第5步：完成6～7层后厅、中厅钢柱、梁吊装后，吊装第4段框架斜柱。

第6步：完成6～7层柱间连系钢梁吊装后，吊装铸钢件ZG-12，形成稳定结构。

5 结语

由于人字形框架柱吊装前采用三维有限元技术对结构进行受力分析，在充分利用数据的基础上，进而模拟施工工况，计算出安全可靠的临时支撑体系，对施工过程所发现的问题进行预判预断，确保了施工过程安全高效地进行，为类似项目的施工积累了宝贵的经验。