超高耸雷达塔外框钢管斜弧柱的吊装与拼接研究

文＿李州平（广西建工第一建筑工程集团有限公司，高级工程师）

蒙运强（广西建工第一建筑工程集团有限公司，高级工程师）

韦海彬（通讯作者）（广西大学土木建筑工程学院，土木工程专业硕士研究生）

施芷榆（广西大学土木建筑工程学院）

自20世纪90年代以来，我国高层建筑进入了快速发展的阶段。高层建筑的一大受力特点在于其承受的水平荷载（风荷载、地震作用）随结构高度增加而急剧增大，甚至成为高层结构设计中的主要控制因素。

本项目超高耸雷达塔的结构体系为框架—核心筒结构，其外部框架采用各节钢管混凝土柱拼装而成的斜弧柱，整体外形呈现两端舒展、中部收紧的形态，类似直立的拱形。因此，该形态能使得各节钢管混凝土柱以轴力的形式承担巨大的水平荷载，充分发挥钢管混凝土柱的受压承载力高的优势。斜弧柱这一特别的设计效果能如期实现的根本保证在于斜弧柱在高空中顺利完成吊装与拼接。目前，已有不少学者和设计师们针对异形钢管混凝土斜柱的施工方案开展了相关研究。

梁秋莹等探讨了南宁吴圩国际机场新航站楼树形钢管混凝土斜柱的吊装问题，以就近吊装为原则，遴选并论证树形钢管混凝土斜柱的最优吊装方案。苟金瑞等分析了北京日出东方凯宾斯基酒店弧形圆钢管混凝土斜柱的安装难点，提出由吊绳上的导链控制弧形柱在空中倾角的方法。陈杰等针对某技术中心大楼多段高空中结构的不规则和大跨度等特点，提出并从理论和数值模拟方面验证了采用工字钢桁架平台悬空主梁支撑体系。文良波等以珠海横琴国际金融中心大厦为例，详细分析了斜柱、复杂节点、桁架的测量控制和安装精度测量校正的关键技术。

各类关于钢管混凝土斜柱吊装的研究为同类工程提供了参考，但在多数工程实例中，钢管混凝土斜柱经常只有一种安装倾角，且起吊高度较低。本项目中各节钢管混凝土斜柱的安装倾角迥异，吊装—拼接就位均在高空操作，难度较大。因此，本文将借助Midas Gen软件研究超高耸建筑大口径钢管斜弧柱吊装—拼接技术，以解决上述施工难题。

一、工程概况

某新一代气象雷达塔的主体结构采用钢管混凝土斜弧柱框架—钢筋混凝土核心筒体系。其中，外框架的钢管混凝土斜弧柱共有12根，沿核心筒的周围均匀布置。钢管混凝土斜柱沿高度方向有5次变截面，截面尺寸依次减小。同时，钢管混凝土斜柱的倾角沿高度呈先减后增的规律。首层斜弧柱的倾角19.22°，随后倾角沿高度逐渐递减，至结构中上部接近0°。再往上，倾角又逐渐递增，顶层斜弧柱的倾角达36.89°。斜弧柱整体上先内倾后外倾，外形呈现为中部收紧，两端伸展的优美曲线，见图1。

图1 超高耸异型雷达塔及外框斜

据现有研究得知，斜柱的倾角、管径、长度均为影响吊装的重要因素。倾角、管径、长度越大，吊装难度越大。本文选择底层柱做标准模型进行吊点选择分析，其倾角、管径、长度均较大，具有代表性。

二、斜弧柱吊装模型建立

（一）荷载工况

斜柱吊装中仅考虑钢管自重，不考虑地震作用和风荷载的影响。又因起吊输运是一个动态过程，需要考虑对斜弧柱构件荷载进行放大，取放大系数为30%。在软件中设置构件x，y，z方向的自重系数分别为0，0，1.30。

（二）边界条件

Midas Gen软件对节点的约束分为D（约束位移）和R（约束转动）。在不考虑风荷载的情况下，只需约束吊点的位移Dx，Dy，Dz即可。

（三）单元设定

在Midas Gen中对模型做合理简化，由于耳板较小，建模时不予考虑。模型中的钢管混凝土斜柱采用实体单元，将其划分为120个网格单元，计算时可兼顾计算精度和效率。钢管混凝土斜柱的标准模型参数统一为：材料强度等级Q235，管径1450×16，中轴线长度6323mm，倾角17.85°。

钢丝绳采用索单元，设定索单元的初拉力为0，材料取Q235，截面直径取0.02m。吊装提升点距钢管混凝土斜柱最高点垂直距离为5m。建立的模型如图2。

图2 钢管混凝土斜柱吊装模型示意图

三、吊装方案比选

（一）柱身弯矩

为了保证吊装安全，吊点布置应尽量保证吊装过程中柱身的变形与弯矩分布均匀，且数值较小。已有文献建议采用两点或三点起吊，以便达成在斜柱吊装过程中调整角度的目标，且尽量使斜柱在吊装状态下的自然倾角与安装时所需倾角相近。为确定合理的吊装方案，本文设计了8种不同吊点数目、布置间距的吊装方案，计算结果见表1。吊点布置遵循对称原则，如图3所示。其中“2吊点L/5”表示上下2个吊点分别距离钢管混凝土斜柱上下端L/5长度；“3吊点L/5”则表示将其中一个吊点设置于L/2处，余下两个吊点分别设于距上下端L/5处。

表1 不同方案柱身弯矩的对比（kN·m）

图3 吊点布置及柱身弯矩

两点起吊的方案中，L/5与L/4方案的弯矩差均较小，与端部起吊的最大弯矩相比依次减小了63.50%、75.30%。三点起吊时的最大弯矩差明显减小，相比两点起吊平均减小了68%。相似地，L/5与L/4方案比端部起吊分别减小72.40%、75.90%。因此，可以初步筛选出弯矩较小的4种方案，即：2吊点L/5、L/4；3吊点L/5、L/4。接下来就上述方案进一步分析其竖向位移和应力，从而确定最优的吊装方案。

（二）吊装位移、应力

依次设上述4种方案为模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，计算其吊装位移及应力的结果详见表2。为了控制斜柱安装，起吊时尽量保持斜柱在自然状态下的倾角与柱本身设计倾角相近。

表2 各模型位移、应力对比

由表2可见，吊装过程中的柱顶位移x1为正，而柱底位移x2为负，表明柱端向上移动，柱底向下移动。故钢管混凝土斜柱在吊装过程中的角度会逆时针增大，偏离预定的倾斜角度。吊装位移的示意图见图4（a）。由几何关系可知，吊装状态的附加转角Δθ为：

图4 吊装状态的位移、应力

由表2可知，模型Ⅱ的附加转角最小，但吊点处有明显的应力集中现象。模型Ⅲ的吊装应力最小，其最大应力较模型Ⅱ减小了89.19%，大幅度减轻了吊点处的受荷。同时，模型Ⅲ的附加转角仅比模型Ⅱ增大了46.41%。综合四种吊装方案，模型Ⅲ（3吊点L/5）的柱身弯矩、应力都显著低于其余方案，模型Ⅲ吊装应力见图4（b），表明其在吊装过程中的受力均匀，应力集中现象相对轻微，可最大限度削减结构服役前的承载力损耗。

虽然模型Ⅲ的Δθ并非最小，但一方面其数值上与最小值相差不远；另一方面，Δθ稍大仅代表吊装状态下偏离预定安装的角度稍大，仅在拼接时稍增难度，而对长久的结构受力无影响。综上，吊装的受力指标应比位移指标权重更大，故最优的吊装方案选定为3吊点L/5。

四、定位—拼接技术

（一）构件进场后复测尺寸

针对模型Ⅲ附加转角较大的问题，可通过定位拼接技术解决，如图5所示。斜柱定位包括自身标高定位与倾斜角度定位。其中，自身标高定位很大程度上取决于每节钢管混凝土斜柱的实际下料长度和实际截面尺寸。在工厂预制钢管混凝土斜柱时应控制制作误差，其容许值由《钢结构工程施工质量验收标准》（GB 50205—2020）确定，见表3。尺寸检验合格后，在构件上端口周围制作测量的控制线并标注其相对标高。经文献调研并参考类似工程经验发现，由于建筑高度较高，钢柱长度较长，手持棱镜进行测量定位的方法既低效又不准确，建议在柱顶用于定位的位置预先贴上反光片，以便安装过程中实时监测柱顶坐标。斜柱进场后，需对构件的长度与截面尺寸进行复核，保证构件尺寸误差在合理范围内。

表3 钢管混凝土斜柱外形尺寸允许偏差

图5 钢管混凝土斜柱定位—拼接过程

（二）测量定位技术

倾斜角度定位主要通过放缩塔吊吊索实现。吊装前，先对已装好的钢管混凝土斜柱顶面和待安装柱的底面进行清理，保证接触面清洁平整。按上文选定的最优方案“3吊点L/5”吊装至高空预定位置，随后将缆风绳的一端固定在已建好的核心筒外侧，另一端连接在柱顶的耳板上。利用缆风绳和手拉葫芦，配合塔吊调整钢管斜柱的倾角。调整过程中用全站仪监测柱顶坐标，保证钢管混凝土斜柱的倾角达到预定值。以此解决高空拼接时的附加转角较大的问题。

1.平面控制网点

定位过程还与测量精度息息相关，可从确保控制网点位精度与采取合理测量放样方法这两方面，提高钢管混凝土柱施工过程中的测量精度。选择施工控制网时应依照结构施工的要求进行选择，平面控制网按照一级导线的精度要求布设，在合理范围内增多控制网点以提高测量精度。高精度的测量工作离不开精密的测量仪器，施工过程中需配置与施工要求相适宜的施工测量仪器。为避免误差累积，每次柱吊装定位均应以校核后的当前施工层标高为基准。测量距离较长时，使用分段测量法，通过控制各小段的测量精度来确保长距离的测量精度。测量定位时需将结果进行严密平差，控制相对误差。

2.吊装绳索预偏移

在钢管混凝土斜柱自重作用下，随着施工阶段的推进，吊装绳索会发生变形，因各个吊点处受力不同，绳索变形也不相同，导致斜柱吊装定位时会发生一定程度的偏移。此种情况无法避免，可在施工前对吊装绳索变形进行相关的计算，算出后期可能发生偏移的距离和方向，再进行吊装绳索的预偏移处理，即令钢管混凝土柱在定位时沿预测偏移的反方向预偏。

3.避免大风天气施工

大风天气对吊装影响较大，当风力较强时，空中吊装不仅无法准确定位，也无法保证施工的安全性。因此，施工过程中应避免在大风天气施工，以确保柱定位准确。

4.控制钢管混凝土斜柱安装标高

由现场勘测可知，施工过程中钢管混凝土框架会发生竖向位移，即钢管混凝土柱的自身标高定位会受施工过程影响，因此施工过程中应注重钢管混凝土柱标高的校正工作，及时对其采取措施进行控制、调整，保证施工质量。当某一层的钢管混凝土柱安装后，对该层柱柱顶作一次绝对标高实测，而后根据实测值对下一节钢管混凝土的标高进行控制。钢管混凝土柱标高校正工作详见《超高耸异型雷达塔结构的施工变形研究》，依据该层柱柱顶标高实测值与其偏差值，在吊装下一节钢管混凝土柱时，结合钢管混凝土柱的实际长度与模拟计算值，可通过增大或减小柱接头处焊缝间隙来调整钢管混凝土柱的标高。

该天气雷达塔钢管混凝土框架中所用柱倾斜角度多样，为保证工程质量，测量控制必不可少。每次吊装均应使用全站仪、钢尺等工具对斜柱进行倾斜度与水平距离的定位，并进行实时监测，以便及时协调钢管混凝土斜柱安装的相对位移与相对位置。在下一节柱吊装前，应对此层斜柱进行复测，保证该层斜柱的位置在误差允许范围内。施工过程中，钢管混凝土斜柱允许最大偏差同样依照《钢结构工程施工质量验收标准》（GB 50205—2020）设置，见表4。

表4 钢管混凝土斜柱定位允许最大偏差

根据本项目施工进度和现场作业面情况，目前施工进度为外部框架标高14.40m处，实际吊装方案暂时采用垂直起吊，见图5、图6，这是基于以下三方面考虑的：（1）塔楼底部有已建成的附属建筑，暂不宜采用所占空间较大的就位起吊；（2）施工人员在标高±0标高处容易完成首节钢管的定位、拼接、焊接等操作；（3）施工高度低时，风载还相对较小，尚无须架设缆风绳。

图6 钢管混凝土斜柱吊装现场

为提高钢管混凝土斜柱拼接工作的效率与质量，选择对相邻柱接头处先进行临时固定，进行调平后再进行焊接固定的方法。在钢管混凝土斜柱对接处设置方便拼接的临时耳板，完成定位后即用高强螺栓连接上下柱的耳板，初步固定钢管混凝土斜柱位置，此时塔吊可松勾。再用千斤顶等工具对钢管混凝土柱进行扭转偏移、局部接口的进一步调整，控制上下柱连接处的错口误差在规定范围内。确定钢管混凝土斜柱的倾斜角、位置均符合要求后，对其进行焊接固定。用以临时定位的临时耳板在焊接完成后可去除，对结构整体不造成影响。最后经全站仪复核该节钢管混凝土斜柱的位置无误后，焊接上下柱的接触面。现场校正图见图7。

图7 千斤顶微调校正

五、结语

本文采用Midas Gen软件对比了雷达塔外框钢管混凝土斜弧柱的各类吊装方案，斜柱吊装的原则为尽量保证斜柱在吊装状态下的自然倾角与安装时所需倾角相近。

确定的最优方案为三吊点：即一个吊点设置于L/2处，余下两个吊点分别设于距上下端L/5处。此时能够保证自然倾角与安装倾角接近的同时，尽量减小吊装应力。钢管斜柱吊装过程中，会出现柱端、柱底位移反向的情况，即吊装角度逆时针增大，平均转角9.91°，且在吊点处的应力集中现象明显，最大值达56.54MPa。优吊装方案的附加转角仍有10.58°。在吊装就位时悬挂缆风绳，配合塔吊、手拉葫芦、千斤顶调整构件倾角至预定值，全程使用全站仪监测柱顶坐标，精确完成钢管斜柱定位。