大型公建主体钢结构施工技术

朱怡巧 程 骥 沈西华 袁 震 陆优民

1. 浙江建设职业技术学院 浙江 杭州 311231；2. 浙江省建工集团有限责任公司 浙江 杭州 310012

1 工程概况

中信银行杭州分行新建金融办公用房工程位于浙江省杭州市钱江新城钱塘江畔，建筑采用长方体布置，占地面积2 210.8 m2。主楼地下3层（含非机动车库夹层），地上20层（含机房夹层），总高99.9 m，总建筑面积59 000 m2，本工程整体外观由结构构件形成多面切角造型，通过玻璃幕墙折射出光影变化，酷似一颗金色钻石矗立在钱塘江畔（图1）。

工程采用装配式巨型钢结构体系，巨型钢结构体系由铸钢节点、斜向支撑、斜向钢柱、斜向钢柱柱间支撑、箱形钢梁和铸钢件等组成，钢结构总用钢量13 500 t（图2）。

2 钢结构施工重点及难点

中信银行杭州分行新建金融办公用房工程工期紧、质量要求高，施工中存在以下重点及难点：

1）吊装设备选型及吊装工况复杂，需要采用多种组合吊装方式才能满足施工要求。

图1 建筑效果图

图2 结构轴测图

2）施工阶段的变形不协调，结构变形控制精度要求高。

3）钢结构构件种类多，不同的构件类型需要采用不同的组合式吊装及安装技术。

4）斜钢柱测量精度要求高。

3 钢结构施工部署

3.1 吊装设备选型

塔吊是本工程钢结构施工的关键影响因素，综合考虑项目的结构形式、工期、钢结构分段质量、塔吊的起吊能力和塔吊货源等因素，选用2台ZSL1000动臂式外附塔吊（编号为1#、2#），其中ZSL1000塔吊工作半径45 m，最大臂长45 m，能满足一般钢结构构件的安装需求。但是其中铸钢节点ZG-01和ZG-04这2个构件重达88 t，应采用550 t汽车履带吊结合滑移进行定位安装。现场安装过程中，采用塔吊进行钢构件安装时，应将钢柱、钢梁进行合理分段和拼装（图3）。

图3 钢结构施工期塔吊布置

3.2 施工分区

钢结构平面和立面分区应根据结构特点、塔吊的布置和工作能力、现场施工条件、构件分段和质量等综合考虑。依据该原则，在结构施工平面上划分成4个施工分区，分别为A区、B区、C区和D区。立面分区由下而上划分成5个施工分区，其中分区1属于地下部分，分区2～5为地上部分。钢结构立面分区的施工安排是逐节安装钢柱（1节钢柱一般穿过2层钢梁）。安装时，后庭和中庭后立面的钢柱必须优先进行安装、校正和焊接。逐层安装相应的钢结构楼层梁。钢结构楼层梁安装完毕后，开始铺设压型钢板、栓钉焊接和绑扎楼层钢筋，柱分段上部楼层的压型钢板先行安装，为下部作业提供安全防护（图4）。

图4 钢结构立面分区

4 钢结构施工技术

4.1 结构变形分析、控制与监测技术

4.1.1 结构变形分析技术

影响结构变形的作用效应主要分为3类。其中第1类是施工荷载，包括施工机械设备、人员活动、材料堆积等，对于该类荷载，是可控的；第2类是自然荷载，包括风荷载、温度和地震作用效应等，是不可控的；第3类是材料本身的特性引起的作用效应，包括混凝土的收缩和徐变、结构的自重等，对于该类荷载，也是不可控的，但是可以采取一定的措施将作用效应减小[1-3]。

本工程钢结构采用外框内筒的巨型支撑体系，大部分竖向构件呈倾斜状态，其造型新颖，受力复杂，特别是结构在形成整体之前刚度较差。为便于构件的安装和定位，在安装过程中，设置了大量的临时支撑，为能更好地了解结构的受力性能以便于指导钢结构的顺利施工和结构的成形，对钢结构和临时支撑在施工各阶段的受力和变形进行了计算与分析。为能实际模拟钢结构的应力与变形情况，根据钢结构施工的实际进度，将钢结构施工过程划分为26个施工阶段，采用有限元软件MIDAS/Gen进行全过程的施工模拟（图5、图6）。

图5 结构应力分布云图

图6 结构变形矢量和分布

通过对巨型钢结构体系施工工况全过程的可视化模拟，得到结构在全过程不同阶段的结构变形和构件杆件应力，反映到深化设计和制作中，消除了结构施工期间的安全隐患，提高了现场安装效率。通过对结构的应力和位移分析，跟随施工进度指导施工，使巨型钢结构体系从开始安装至最终卸载都处于一个可控的状态且结构最终位形满足设计要求。

4.1.2 结构变形控制技术

对于本工程，结构变形控制的总体思路是采用有限元软件对各个施工步骤进行模拟，确定合理的施工节奏，严格安排竖向结构构件的施工顺序和施工时间差。对钢结构的压缩变形和焊接变形[4-5]通过采取精确的测量、预留调整量、实时下料等措施调整，通过先进的监测手段实时监控，确保施工过程中内外筒体变形补偿精确。

本工程结构变形的控制措施主要分为4个部分：减少塔吊等施工设备对结构的变形影响；合理选择施工顺序；合理控制施工节奏；掌握风荷载对结构整体变形的影响。

在满足施工的前提下，施工过程中尽可能选择较小型号的塔吊，并且布置在对称的位置上，从影响结构变形程度和经济合理方面对不同型号的塔吊予以考虑。本工程中塔吊的外附，通过有限元的计算，发现其对结构变形影响较小（图7）。

图7 塔吊附着结构变形矢量

4.1.3 结构变形监测技术

为保证结构最终完成时的形状满足建筑设计的要求，确保施工顺利进行，提高结构的安全可靠性，延长建筑物的使用寿命，我们通过在施工阶段对结构的关键部位（结构的平动位移、层高变化、整体倾斜以及重要杆件的应力应变等）进行监控，并对结构损伤进行预警。通过施工仿真分析，建立各工况下的结构变化模型，以明确结构的变形趋势和变形具体量值，为施工预设调整值进行变形控制提供合理依据，优化设计方法，改善施工工艺，提高工程建设水平，确保质量。

施工监测的主要任务为：从地下到地上、从施工到安装等各个施工阶段，对塔楼的平动位移、各种荷载、结构竖向压缩变形、结构应力变化等进行及时监测以便提供准确的数据，为后续施工控制及安装等提供施工依据。

4.2 典型构件施工技术

4.2.1 地下“王”字形钢骨梁施工技术

本工程钢骨梁埋设在大底板内，总长达87.1 m，总重约91 t，须在大底板钢筋绑扎的同时进行安装，但由于其位置特殊，大部分处于基坑围护支撑下方，无法通过吊机一次性安装就位，因此根据现场施工条件及钢骨梁的具体分布位置，采用1台100 t汽车吊进行分段吊装。对于被基坑围护支撑遮挡的部分采用“分段吊装＋分段滑移”的施工方法，对于未被基坑围护支撑遮挡的部分则采用汽车吊直接吊装就位。

结合现场施工条件，配备1台100 t汽车吊位于基坑栈桥上吊装钢骨梁，考虑到基坑栈桥的安全，汽车吊支腿位置设置在轴间栈桥大梁上方，支腿下方铺设0.3 m×1.8 m×9.0 m钢路基箱，汽车吊吊装作业产生的荷载由路基箱传递给混凝土梁及格构柱（图8）。

图8 钢骨梁现场安装

4.2.2 首层箱形梁施工技术

C轴线上的首层箱形梁由于钢梁跨度大、质量较大，中间无支撑结构，故根据结构特点和配备的机械设备以及吊装半径，将首层箱形钢梁进行分段，并在梁下端面设置临时支撑，临时支撑从大底板面开始设置，为不影响地下2层楼板施工，临时支架分别设置于楼层梁H型梁下方，通过H型钢梁将上部受力传递到大底板上。

临时支撑采用独立钢管柱，支撑截面尺寸为φ450 mm×20 mm。每段箱形梁安装就位后随即安装与其相连的H型钢梁，形成一个稳定的空间体系。在安装地上部分前庭结构中的“人”字形框架柱时，临时支撑也作为首层箱形梁的加固支撑（图9）。

图9 箱形梁现场安装布置

4.2.3 铸钢节点吊装＋滑移施工技术

本工程首层铸钢节点ZG-01和ZG-04为超重构件（单件重达88 t），塔吊无法吊装，拟采取吊装＋滑移相结合的方法进行安装。通过大底板上搭设的支架及设置的滑移轨道，将2件超重铸钢节点分别采用1台550 t汽车吊吊装至滑移轨道上，并通过牵引将铸钢节点滑移至安装位置就位。

4.2.4 前庭“人”字形框架构件安装技术

前庭7层以下为“人”字形框架柱，跨度达72 m，跨中高度逾30 m，框架柱上下口两端均与铸钢件节点连接，由于柱呈倾斜状态且无任何支撑体系，同时质量又大，无法进行整体吊装，仅能采取分段安装，因此在安装过程中必须搭设临时支撑来稳定。根据结构特点，每个分段位置需搭设一组临时支撑，临时支撑设置于首层梁上，采用独立钢管柱和格构柱2种形式（图10）。

图10 前庭“人”字形框架构件安装布置

4.2.5 斜框架柱安装技术

斜钢柱就位后为倾斜状态，根据结构形式，按倾斜状态划分为2种，第1种为单向倾斜，第2种为双向倾斜，按其倾斜重心位置与结构所处的位置，又分为结构内倾斜和结构外倾斜2种形式。

对于结构内倾斜钢柱，全部通过设置临时支撑对柱进行支撑稳定，斜钢柱的下端通过在钢柱对接处设置临时连接耳板及卡码来固定，斜钢柱安装后，安装与钢柱相对应的钢梁，使其形成一个稳定单元体。

对于结构外倾斜钢柱，由于无法搭设临时支撑，故斜柱安装时，斜钢柱的下端通过在钢柱对接处设置临时连接耳板及卡码来固定，上端则采用手拉葫芦在倾斜向的相反方向进行定位稳定，在斜柱调整时起调节作用。

4.3 倾斜钢柱测量定位技术

本工程于7层处发生收腰变化，使得7层以下外框柱呈内倾斜状态，即内倾斜钢柱（是指其水平投影未超出其下部相邻楼层范围的斜钢柱）；7层以上外框柱呈外倾斜状态，即外倾斜钢柱（是指其水平投影已超出其下部相邻楼层范围的斜钢柱）。

外倾斜钢柱的测量定位不同于内倾斜钢柱，内倾斜钢柱在安装过程中可通过在底部楼层钢梁上加设刚性支撑来辅助该钢柱的测量定位和临时性固定，且在自重作用下，内倾斜钢柱沿倾斜方向的后续变形较小；外倾斜钢柱在安装过程中可通过“手拉葫芦＋钢丝绳”相结合的方式来辅助该钢柱的测量定位和临时性固定（手拉葫芦的作用为在测量定位过程中对斜钢柱进行微调），但因钢丝绳呈柔性，在斜钢柱自重作用下，外倾斜钢柱的后续变形较大，故在测量定位过程中还需根据预先计算的后续变形值对其进行预偏处理。

为减小斜钢柱校正的工作量，预先找出斜钢柱的重心，并根据此重心在斜钢柱上设置斜吊吊耳，确保斜钢柱起吊角度接近理论倾斜角度；根据业主提供的坐标点，引出仪器架设点的坐标；斜钢柱吊装就位后其下端用普通安装螺栓通过连接板固定上下耳板，上端通过钢丝绳＋手拉葫芦与钢梁上翼缘预设耳板进行拉结固定；斜钢柱在校正时，其下端通过起落吊钩并用撬棍调整柱间间隙，对于错边及扭转可通过千斤顶进行调整；斜钢柱的上端主要通过手拉葫芦微调，微调时要确保与测量工作的同步性。测量时选取2个边中点，并分别放置棱镜片，将边中点实测坐标与理论坐标进行对比，并根据对比结果进行相应调整。另外，考虑到钢丝绳＋手拉葫芦定位的斜钢柱后续变形大的特点，斜钢柱在校正时需沿后续变形方向的反方向进行预偏，预偏值为（a＋2） mm，其中，a为后续变形计算值。

5 结语

中信银行杭州分行新建金融办公用房工程为巨型钢结构体系，施工过程具有显著的特点和难点。类似工程结构施工时，应在施工前期合理地分析出工程结构的重难点，采用有限元软件分析结构的变形，并采取有效的变形控制措施和监测措施，使结构在施工过程中处于安全可靠的状态。对于典型构件，应该通过不同的吊装方式、施工方法进行组合吊装和安装施工，从而有效地解决施工进度、质量等问题，确保工程进展顺利。