空间曲线造型钢结构吊装施工技术

吴亚芳

（中铁五局集团建筑工程有限责任公司 上海 200443）

1 工程简介

某工程钢结构主要为E、F、G、J塔楼幕墙钢架（其中E塔楼23层，F塔楼27层，总建筑面积106770.27m2；J塔楼26层，G塔楼22层，总建筑面积101761.13m2），钢构件主要为分布于各塔楼屋面顶层及部分外墙立面。四座塔楼用钢量分别约为300T、280T、320T、330T，合计总重约为1230t；钢架数量E楼41榀、F楼39榀、G楼40榀、J楼45榀，共计165榀，主要由钢柱、钢架梁、拉杆、支撑杆等组成，主要截面形式为箱型构件和 H 型钢，主要截面规格有□500×220×16×16、□400×300×16×16、□400×220×16×16、□400×220×12×12、□300×220×16×16、□300×220×12×12、H350×250×16×16、H300×220×12×12 等。单榀重量约 7.5t，每榀钢架结构均不一样，呈空间曲线造型，寓意为“高山流水”。

图1 建筑物模型

2 工程重点及难点

（1）所有165榀幕墙钢架均为不规则弧形箱体结构，下料前需对深化图进行合理排版，使用数控切割，尽量减少材料损耗。组对时在平台上一比一放样，复核尺寸后再进行组对。

（2）构件均为异形构件，为提高运输车辆的使用效率，在合理安排构件进场顺序的情况下，尽量将大小弧形错开摆放以提高车辆装车率。

（3）幕墙钢架单片高度均超过10m，吊装后难以固定。因此，安装时必须严格按照顺序安装，并且安装完一榀就安装该部位的拉杆和支撑梁使两榀幕墙钢架连成稳定的整体结构，安装后使用缆风绳固定在预先埋在混凝土梁上的固定点上，矫正与安装同时进行，严禁松动柱脚螺栓进行调整。

（4）因弧形结构测量时控制点不好抓取，故事先使用三维模型将控制点预先设在比较容易测量的部位，吊装时再使用全站仪进行三维测量。

（5）幕墙钢架每榀均为不规则构件，需在深化设计时计算出每榀构件的中心进行吊点的设置。

3 施工方案的选择

3.1 钢构件分段原则

（1）钢梁分段主要以满足结构及运输条件为主进行分段，按照挂车的运输宽度和长度主要以2～3段为主，个别较长或弧度较大的分成4段。

（2）以E区GJ1为例：构件重量为7134kg，出厂时按照普通12m半挂车考虑，需如图2分为四段。

图2 运输分段

制作时分别以C、D地块的E、F、G、J塔楼的编号对厂内各施工阶段及各部位钢构进行编号：异性钢结构的编号（以E塔楼为例）：分别为EGJL1、E-GJL2、E-GJL3、E-GJL4、E-GJL5、E-GJL6……、E-GJL41；由于钢架较大，必须进行分段，每榀每段钢架梁（含桁架部分）编号为E-GJL1a、E-GJL1b、E-GJLc……考虑到不同曲线特征走向，避免安装出错，每榀每段钢架梁（含内附桁架）不但要分别编号，还要在每段钢架梁两端同一侧面分别标记数字1、2、3、4、5…，安装时按数字排列顺序对接。

3.2 异形构件下料、组装、预拼装分析（见表1）

3.3 钢结构安装施工操作架方案

本工程各塔楼幕墙屋顶钢结构安装高度错落不一，钢构件分布于楼层呈错层梯阶，主要构件为大型曲线坡面异形钢（桁）架，脚手架搭设平均高度约13m。

（1）因钢架吊装采用整榀吊安装法，原主体结构施工时所用的型钢悬挑脚手架已拆除，为方便钢构水平连杆的安装，加快施工进度，同时保证施工安全和质量，将原有搭设满堂脚手架的方案改成井式施工梯架。

（2）梯架由大底盘及爬梯两部分组成，大底盘为2000×2000×1200mm的钢矩形框架，由L56*4mm的角钢焊接而成；中间预留900×900mm空洞，以便爬梯架能插入大底盘，爬梯踏步采用φ20×2mm的钢管与L56*4mm的角钢焊接成闭合的箱型梯，现场共作3m长度的4副，6m的4副，8m的2副。

（3）安装时先将大底盘摆放在需焊接连杆底部，然后插入爬梯，固定爬梯及底盘，适当调整底盘位置以便钢构件吊装。吊装南北侧钢构件时，用钢管将爬梯与框架柱连接加固；屋面使用时在爬梯中部四大角用钢管进行斜撑加固。

（4）梯架内需要站人的位置，铺设钢丝网片，网片用自攻钉固定在梯架上，以便作业人员有平台可以站立。

3.4 吊装机械的选用

（1）表2为吊装单元分析表。

（2）因结构施工使用的四台塔吊最大臂长为55m，限重6t，故钢构吊装选用1台中联QUY450型履带吊使用主臂85m，超起半径15m后配重140t车身压重40t的工况下，88m回转半径时起吊高度为115m，可以吊装10t，可进行所有构件的安装，另外选用两台25t汽车吊进行卸车，拼装等配合工作。

表1 E塔GJ1构件的下料、组装、预拼装流程

表2

（3）吊索采用6×37+1ø22-1670钢丝绳，卸扣选用S-DW12-11/4型，在吊装过程中采用5t葫芦调整构件角度。采用双吊点吊装法，对于桁架段采用钢丝绳捆绑桁架上弦杆的做法，对于刚架段采用设置吊耳，钢丝绳穿过吊耳的方法。

（4）履带吊站位点距离地下室顶板侧壁边线6m；距离最远点钢架75m，起重量 8.4t。

3.5 钢构件焊接应力应变控制措施

（1）为了有效控制焊接变形，达到尽可能减小焊接热输入的目的，本次柱梁焊接节点采用窄间隙小坡口形式，同时采用对称跳跃的焊接方法，使得焊接应力具备释放条件。

（2）本次钢构件型式主要为箱型结构，柱、梁等刚性接头的焊接施工，应先从整个结构的中间构件上施焊，形成框架后向左、右扩展焊接。严禁将合拢焊口布置在杆件应力集中的地方，如图3所示。

图3 箱形构件对接焊接顺序

（3）当焊接钢柱～钢梁连接时，先焊接梁的下翼缘板与柱连接处，再焊接梁的上翼缘板与柱的连接；最后同时对称焊接梁的腹板。

（4）当进行钢柱～钢柱的对接时，由两名焊工从两侧不同方向同时对称作业，先焊翼缘板，后焊腹板。在焊接过程中可采用分段跳焊法，以免焊缝层间温度过高。

4 安装施工部署

按照原有塔楼的楼号划分为E、J、F、G、四个区域，安装顺序为F-G-E-J。

（1）F区从GJ1线至GJ39线顺序安装（从最远处F-1轴至最近处F-8轴安装）。

（2）G区从GJ40线至GJ1线顺序安装（从最近处G-8轴至最远处G-1轴安装）。

（3）E区从GJ41线至GJ1线顺序安装（从最远处E-9轴至最近处E-1轴安装）。

（4）J区从GJ1线至GJ45线顺序安装（从最近处J-1轴至最远处J-8轴安装）。

5 施工现场准备

（1）会同相关单位对定位轴线进行交接验线，做好记录。复测完定位轴线后，开展测放构件的轴线位置与标高等工作。

（2）根据工程施工总体安排，为了保证钢构件进场后能顺利吊装，提前安排好履带吊、汽车吊、塔吊和气保焊机、直流焊机小型工器具等进场及协商好使用时间等。

（3）合理安排构件进场顺序，一定要认真检查货运单上的构件数量及编号是否与深化图上的编号相符，在保证现场使用的前提下尽量将大小弧形错开摆放。

（4）根据现场实际施工的需要和安装施工措施的要求，确定支撑架，支撑平台，安全通道，安全维护网，安全警戒线等设施用量，按统一的行业标准进行准备和采购。

（5）根据各个主要吊装的工艺，确定吊索具的规格和数量，对吊索具进行检查，做好吊装技术交底事宜。

6 施工方法

6.1 钢结构安装施工原则

所有的幕墙钢架分段进场后，在现场使用25t汽车吊进行卸车拼装。拼装后使用400t履带吊按照N、M、L、K四个区域、由低到高的顺序逐一安装幕墙钢架，并在每安装完一榀后即安装所有与之配套相连的拉杆或者支撑梁使两榀幕墙钢架连成稳定的整体结构。

6.2 柱脚段及预埋件安装

（1）采用直埋法预埋螺栓，由于地脚锚栓埋件的形式是单根螺杆，相互之间不能形成稳定的结构体系，因此地脚锚栓需要制作专门的支架固定地脚锚栓和支撑钢柱地脚段。

（2）因部分柱底标高比承台底标高要高，出现了部分悬空状态，为确保稳定必须将部分钢柱锚栓支架制作长度达到混凝土承台底部，以此对上部结构起到可靠支撑作用。因而，针对不同钢柱截面要设计形式、尺寸不同的固定支架。

（3）钢架安装前，必须对现场的地脚螺栓预埋情况进行二次复测；在正式吊装时，对已拼装好的钢架进行试吊，同时测量两个柱脚定位孔的孔间距，孔间距符合测量放线的地脚螺栓间距的方可进行吊装，如图4所示。

（4）为保证高空柱的安装精度，在幕墙框架的内外两侧，同时设置工艺卡板和辅助顶推设备在小范围内确保各个断口的精确对位。同时在柱的四周搭设操作平台，即保证了钢柱的稳固性又保证施工的安全和方便。

图4 柱脚螺栓直埋法

6.3 钢架梁吊安装

（1）大钢架梁分段运至现场，按深化图尺寸拼装成整榀。

（2）为了在安装过程中钢架形成稳定单元，钢架在地面进行拼装时需增加两组L75*5mm临时支撑组成一个框架形式，防止钢架在吊装过程中扭曲变形。钢架焊接完成后再将临时支撑割除，打磨、补漆。

图5 钢架与临时支撑

（3）复核埋件定位十字线及标高，在钢架梁支座顶部画好十字控制线。

（4）由于是多段异形曲线弧形钢架，底部不在同一楼层，故采用捆绑式二点吊装法。两端设置平衡稳定控制缆风绳，人力控制吊装过程中的钢架平稳。一根为固定长度千斤绳，4t以下钢架另一根为调节千斤绳，5t以上钢架两端均为固定千斤绳，其中一端辅以调节千斤绳（由5t手拉葫芦与钢丝绳组成），安装定位时调节钢架角度。

（5）整榀钢架提升至安装部位后，将底脚支座十字线对齐安装十字线轻轻落下，初步紧固支座螺栓，安置临时支撑。根据平面投影线，用经纬仪校正钢架垂直度，校正无误后，用临时支撑稳固钢架，紧固支座螺栓后再松钩。

（6）各区域选取与结构最近的一榀钢架做为首榀钢架安装。第一榀钢架吊装上去后，立即安装连梁以形成一个吊装的稳定单元。由于第一榀钢架的水平连杆长度只有30cm左右，操作人员站在楼板上将其与钢架和混凝土梁上埋件焊成整体，保证第一榀钢架的稳定性。

（7）通过履带吊或塔吊将井式梯架竖立到位，人员从梯子的内面往上爬，在连杆的相应高度位置，将梯架与已固定好的第一榀钢架，通过麻绳和角钢连成整体，井梯的3个面腰部再用L5.6*4.0mm支撑钢梁支撑钢梁角钢斜撑，保证梯架的稳定性。

图6 井式梯架使用

（8）梯架固定后人员撤离，第二榀钢架吊装到位（为准确控制两榀钢架之间的净距离，事前制作好一个角钢定位卡架），塔吊将连杆吊装到位，人员站在井梯内进行焊接，保证第二榀钢架与第一榀形成一个整体，如图7所示。

（9）依次类推，逐一焊接完成其它连杆。对于跨度20m以上的钢架，采用角钢增加弧形钢架的平面外稳定性。角钢撑用L50*5的角铁焊接成桁架体系，如图8所示。

6.4 支撑钢梁吊安装

（1）钢架梁之间的支撑钢梁安装与钢架梁安装采取流水作业。第二榀钢架梁吊装完成后，立即从顶部向下逐根安装两钢架之间的横向支撑钢梁。

图7 单榀钢架安装单元

图8 角钢桁架

（2）分段钢架梁与前榀钢架之间的横向支撑钢梁安装固定与分段钢架梁吊安装时同步进行，横向水平支撑与钢架梁焊接为衬管焊接，焊缝厚度同支撑管厚。

（3）因主体结构用塔吊限高为105m，有部分支撑钢梁安装时会受到塔吊限高的限制。因单根连杆重量只有200kg，故采用塔吊吊到屋面安装位置，再用人工辅以2t手动葫芦进行安装。

7 质量控制技术措施

（1）坚持三级测量复核制，确保中线、水平及结构物尺寸、位置正确。

（2）由于钢柱倾斜方向及标高的测设直接影响环梁、径向梁以及上下弦索节点的位置，必须加强对钢柱倾斜方向及标高的测量精度控制。

（3）为了保证钢架就位无误，对于螺栓孔偏移不大，经与设计人员协商，沿偏差方向将孔适当扩大，再换用加大的垫圈进行安装。如螺栓孔偏移较大，经设计认可，可将原孔塞焊，重新补钻孔。

（4）钢架吊装时，刚架的中心线应与设计轴线吻合，并四面兼顾，采用手拉葫芦、千斤顶配合进行校正，校正完成后设缆风绳或斜撑拉杆对钢架进行进一步的稳固。

（5）焊接作业区域要安排防雨、防风及防火花坠落措施。钢柱、钢梁连接部位及箱型节点连接处焊接专门设置供2～4名焊工同时同台作业的焊接操作方形平台。

（6）钢构件焊接过程中应注意加热量平衡，所有焊缝需由质检员100%进行目视外观检查，并记录成表。如有裂纹、夹渣、焊瘤、焊穿、弧坑、气孔等缺陷，必须清除后再焊。在完成焊接24h之后，对焊缝进行探伤检验。

（7）有涂装要求的钢构件制作完毕后在规定的时间内进行Sa2.5等级的除锈处理；无涂装要求的钢构件制作完毕后在规定的时间内应进行Sa2.0等级的除锈处理。

（8）针对现场焊接焊缝破损部位，应在焊接完成并检查合格、对焊渣进行清理后进行补涂。针对运输及安装过程中构件破损的部位，在钢构件吊装完成后及时进行防锈底漆、封闭漆、中途漆、面漆补涂。

（9）现场补涂的油漆应与构件生产厂使用的油漆品牌、批次相同，随钢构件分批进场时一起进入现场查验。

（10）为达到设计要求的防火涂料厚度，施工时必须分遍成活，前一遍涂料基本干燥或固化后，才能喷涂下一遍，用测针法检测涂层厚度。

8 安全文明施工措施

（1）钢结构安装前，必须对吊装作业区域、起重机械设备、吊索、吊钩等进行认真检查。经安全员确定无误后方可施工。

（2）吊装作业区要有足够的调运通道，并与附近的机械设备、建筑物要有安全距离。在吊装前先操作一次低位置的试吊，以验证吊装方案的可行性；起重设备、吊装器具的安全性、牢固性。

（3）对胎架、主结构吊装、檩条安装、电焊作业等分部（或分项）工程，必须进行分部（项）工程安全技术交底。

（4）履带吊进场后，先要进行空载实验、额定载荷实验（100%负荷）、静载实验（100%负荷）、动载实验（100%负荷），以此检查各零部件及机构的技术状况及各机构安全防护装置的动作可靠性，确保吊装安全。

（5）井式施工梯架于水平连梁采用柔性固定，保证井字架的上部稳定。同时，操作人员在井字架里操作时把工具包和安全带系在井字架上。

（6）连杆的吊装采用吊耳吊装，以保证吊装的安全。连杆安装时，吊装区域内严禁非操作人员进出。

（7）在未进行楼板施工的洞口处拉安全网，形成保护层，每隔一层即满铺一道安全网，防止高空坠物。

（8）钢架就位调整采用千斤顶进行调节，调节完成再利用10号槽钢与临时支撑焊接，以防止千斤顶滑落。

（9）在履带吊作业时，停止塔吊作业，塔吊吊臂旋转至不影响履带吊作业的区域；塔吊作业时，履带吊撤离塔吊吊装范围。

（10）履带吊在每天下班前与塔吊塔机联系是否影响塔吊吊臂旋转，如影响塔吊吊臂旋转，履带吊在保证自身安全的前提下，进行调整。

9 实施效果

通过钢结构深化设计，项目部制定了钢结构制作、分段方案、质量检测方案、安装方案、吊装平面布置及吊装作业场地处理要求方案，并通过多次专家会审进行局部吊装工况调整，使钢构吊装可操作性、安全性更强。现场严格安装评审过各方案实施，不仅提高了现场施工效率和施工安全，而且保证了复杂钢结构吊安装质量。