大跨度穹顶及中筒花篮钢结构施工技术

李彬彬，张彬，王为

（中建八局第一建设有限公司，济南250000）

1 工程概况

宁波太平鸟男装办公楼项目总建筑面积摘要m2，总占地面积摘要m2，建筑总高度25.28m，由地下3 层劲性柱框架结构和地上5 层钢框架剪力墙时尚创意中心组成的综合性办公楼。

2 钢结构工程概况

钢结构工程主要包含地下室劲性框架结构，地上全钢结构，中筒花篮钢结构，大跨度穹顶钢结构及屋面光伏钢结构5部分组成，总用钢量约摘要t（其中含结构铸钢件约摘要t）。

工程上部钢结构为多筒体框架结构，共设置了A、B、C、D、E、F 6 个劲性核心筒，通过楼层钢梁将地上部分的钢结构与核心筒进行连接，形成稳定结构体系。因建筑造型需要地上5 层每一层钢结构定位轴心均不一致，钢管柱围绕核心筒呈螺旋盘绕状态，螺旋角度从0°～15°不等。另外，工程中还大量采用了铸钢件、弧形钢梁、变截面箱梁、椎管等特殊材料。设计造型精致，结构形式复杂，如图1 所示。

图1 钢结构楼层平面概况图

3 钢结构施工重难点

1）大跨度中心穹顶钢结构的吊装及施工仿真技术应用；

2）大型铸钢件节点设计及焊接技术；

3）折线形斜管柱加工及现场安装定位[1]。

4 重难点的解决措施

4.1 大跨度中心穹顶钢结构的吊装及施工仿真技术应用

本工程中庭首层位置为一大跨度穹顶钢结构，穹顶结构跨度48m，矢高5.1m。穹顶径向由24 根变截面箱型钢梁向圆心均匀分布，环向由4 道箱型梁沿环向均匀分布，组成一个封闭的圆环结构。箱型钢梁一端截面为□900mm×300mm×30mm×30mm，另一端截面为□500mm×300mm×30mm×30mm，中间段采用变截面圆滑处理，总用钢量约600t。24 根径向梁交汇于穹顶中心，为解决中心处多构件交汇，中心处采用铸钢件（约10t）。

为了解决这一难题，结合施工方案对穹顶结构的施工全过程进行了虚拟仿真模拟，考虑到可能存在的工况条件，分析相应工况应力、变形及其动力特性，及时发现了施工中存在的问题，从而为现场施工安全及工程质量提供了可靠的基础[2]。现场通过对地下室顶板逐层进行加固，利用土建栈桥，将汽车吊开到穹顶区域进行吊装,铸钢件与径向箱型梁共分为3 段吊装，吊装前先行施工3 圈直径为609mm 的钢管支撑，分为外圈（24 个）、中圈（24 个）、内圈（铸钢件区域：13 个），临时支撑施工完成后，吊装外圈环向箱型梁与中心铸钢件，依次安装24根径向梁，环向梁安装完成后，穹顶闭合。如图2 所示。

图2 地下室汽车吊行走平面位置图

4.2 大型铸钢件节点设计及焊接技术

本工程在中筒花篮钢结构的水平环梁与竖向斜管交汇处、南入口门厅处及穹顶中心大量使用了铸钢节点，这些节点位置杆件截面多样，空间位置错综复杂，采用常规钢结构节点无法解决加工和焊接工艺问题，故原设计单位在综合分析后采用了铸钢节点代替了常规钢结构节点。

在和原设计单位确认铸钢节点位置后，结合设计初步意见逐一建立铸钢节点模型，根据铸钢件铸造工艺和受力性能要求，反复优化铸钢件的构造形式、控制铸钢件壁厚及外形尺寸，从而达到控制铸钢节点重量的目的；同时采用有限元软件Ansys 对典型铸钢节点进行承载力分析，最终保证铸钢节点设计的合理性、经济性[3]。

工程中最大铸钢件的外包尺寸达到摘要mm（长）×摘要mm（宽）×摘要mm（高），重达200kN（20t）。最大铸钢件壁厚达到100mm，与之连接的钢管柱壁厚达50mm。根据设计要求“钢管柱与铸钢节点的焊缝需满足一级焊缝要求”，如何保证大壁厚铸钢件与钢板的现场焊缝质量给现场施工带来了一定挑战。如图3、图4 所示。

图3 铸钢件四连体（用于穹顶与中筒连接处）

图4 南入口大型铸钢件

针对大壁厚铸钢件与超厚钢板的焊缝连接，为保证焊接质量，公司聘请焊接高级技师现场指点，通过焊接工艺评定，焊工考核，专人施焊等措施，有效解决了厚板及铸钢件焊接质量问题。

4.3 折线形斜管柱加工及现场安装定位

本工程地上钢结构共五层，中庭花篮位置为螺旋上升的倾斜结构，分为外圈和内圈。外圈由24 根倾斜钢管柱和6 道逆向管支撑组成，内圈由24 根倾斜钢管柱组成，每层结构平面呈圆形网状形式，因建筑造型需要，地上每一层钢结构定位轴心均不一致，整个建筑呈倾斜螺旋上升状态。钢管柱围绕核心筒呈螺旋盘绕状态，螺旋角度从0°～15°不等。另外钢管柱均为空间倾斜状态，且同一柱位的钢管柱每层的倾斜角度也不一样，导致同一柱位的钢管柱从正负零到屋面呈空间折线形状态，给工厂加工和现场安装定位带来了极大难度。

工厂加工采用全坐标控制法，将钢管柱通过十字正交关系在柱身上画出四条棱线做为主控制线，以柱底平面为基准平面，将四条棱线交柱底平面的四个点中的任一点定义为基准平面原点，设为O 点，O 点对面的交点为基准平面X向，深化设计时根据相对坐标关系对柱底、柱头及牛腿的根部和端头各关键点给出相对坐标，形成构件的相对坐标控制表，构件出厂前由质检部门对每根构件的各个控制点位进行复测，确保构件加工精度符合规范要求。

现场倾斜钢柱的安装主要分为安装前准备，临时支撑设置、钢柱定位、钢柱固定及揽风拉设等几个步骤。安装前准备工作主要是钢爬梯固定和柱顶操作平台安装，临时支撑采用325 钢管，支撑钢管顶部标高在斜柱安装前先调整好，斜柱安装时柱身水平牛腿搁置在支撑钢管上，保证钢枉的斜率。采用全站仪进行测量定位，定位出柱脚中点位置控制钢柱下点坐标，定位钢柱柱头中心点坐标控制柱子上点坐标，定位钢牛腿端部中心点坐标控制钢牛腿端部坐标，从而控制整个折线形斜管柱的空间定位精准。

5 结语

本工程造型复杂别致，异形结构多，钢结构施工难度大。在钢结构施工过程中，对钢构件加工、组装、焊接进行严格的质量控制，制定质量保证方案，并通过三维扫描仪应用，BIM 深化设计及QC 活动开展，多措施、全方位进行监督检查，在满足规范要求的基础上，有效地提高了现场钢结构施工质量。