柔底Y形巨柱斜撑高位转换中的钢结构无胎架施工技术

1、柔底y形巨柱斜撑高位转换中的钢结构无胎架施工技术蔡继斌李树文吴钢杰余红福容学权龙叶天 中建三局集团有限公司成都分公司摘要: 在建筑功能设计时，为了满足楼层底部使用大空间和通行道路的需要，高位转 换结构体系的应用越来越多，而此类结构体系往往采用复杂的大型钢结构，具 有构件质量较大、空间定位复杂、施工难度大等特点。为此，结合西宁市某工程 实践，提出了针对柔底y形巨柱斜撑高位转换体系的无胎架施工技术，很好地 解决了此类复杂空间结构的施工难题，为类似工程积累了经验。关键词：柔底y形巨柱斜撑高位转换体系;悬挑;钢结构;施工模拟分析;厚钢板焊接;作者简介：蔡继斌(1989)，男，本科，工程师。通信地址：四

2、川省成都市高 新区府城大道西段399号天府新谷9栋16楼(610041)。收稿日期：2017-09-27free of bed-jig steel struetureconstruction technology for overhead transfering of soft base y shaped huge column diagonal bracingcai jibin l shuwen wu gangjie yu hongfu rong xuequan long yetianchina construetion third engineering bureaugroup co.,

3、ltd.chengdu branch:received： 2017-09-27青海商业厅大院改造工程裙楼部分由于考虑到下沉广场和通行道路的要求，地 下1层至地上3层为架空结构，采用了一种柔底y形巨柱斜撑高位转换体系作为 支撑结构，通过3组结构相近的y形四向斜撑钢管混凝土组合结构，支撑裙楼上 部6层楼荷载。针对y形巨柱斜撑高位转换体系的结构设计，通过对比分析2 种吊装方案，根据场地及结构特点，最终确定采用无胎架高空散拼的施工方案， 依托大型吊车作为安装机械，通过双夹板技术进行构件的临时连接固定，采用 有限元施工模拟分析，在吊装顺序选择、厚钢板焊接质量控制、高空安全防护方 面进行了重点控制，有效地

4、解决了复杂结构的高位吊装难题，同时有效节约了 施工工期及措施费用。1工程概况木改造工程位于西宁市城西区，由一幢独立的高层写字楼及商业裙楼组成，总 建造面积54 808 mo塔楼地上22层，地下3层，建筑高度99. 70 m;裙楼地上9 层，结构屋面高度43. 60 mo塔楼为框架剪力墙结构，裙楼则为柔底y形巨柱斜 撑高位转换体系，通过地上4层转换层将主、裙楼连为一体（图1）。该高位转换体系由3组结构相近的y形四向斜撑钢管混凝土组合结构组成，竖向 巨柱为1） 1 900 mmx50 mm的钢管混凝土柱，柱撑节点、梁撑节点为铸钢件，斜 撑钢柱为© 1 450 mmx50 mm的钢管混凝上

5、柱，转换层主梁为口1 000 mmxi 400 mmx30 mmx30 mm钢管混凝土梁，内部浇筑c50补偿收缩白密实混凝土（图2）。 在4层转换层采用箱型钢梁将主、裙楼连接形成整体，并铺设钢筋桁架模板，总 用钢量约1 400 to该转换体系具有空间造型复杂、吊装高度大（35 m）、构件 质量大（60 t）、空间定位难度大、施工工艺难度大等技术特点和难点1。图1建筑效果图下载原图图2高位转换体系三维示意下载原图2施工难点1）本工程构件质量大，最大构件质量60 t,普通塔吊机械无法满足吊装要求。2）本工程连接节点为异形铸钢件，加工制作要求高。3）钢结构主体垂直高度达35 m,结构造型呈树状，且单

6、个构件质量大，构件高 空安装空间定位难度大，安装精度要求高。4）q390gje-z15钢管柱厚度为50 mm. zg270-480h铸钢件厚度为75 mm,焊接过 程涉及不同材质、不同厚度对焊，现场焊接工艺难度大、质量要求高，且构件悬 挑安装，需要考虑焊接应力对构件空间定位的影响。5）本工程高空吊装与焊接作业量大，如何保证钢结构施工过程中的安全是本工 程的重点。6）施工工况复杂，施工过程受力结构状态与结构设计中不完全一致，施工荷载 对结构变形有较大影响。3解决思路1）采用安全余量较大的260 t吊车进行构件吊装。根据结构形式以及后浇带的 布置，将木工程划分为塔楼、裙楼两部分进行独立施工，至4层

7、进行高空连接， 裙楼筏板基础施工完成并达到设计要求后组织吊车进场，将筏板面作为吊装场 地进行钢结构的吊装。2）深化设计阶段借助三维设计软件xsteel对各节点构件几何尺寸、连接方式进 行深化设计，编制构件加工详图，用于材料下料、构件制作及安装。3）通过计算悬挑构件在自重作业下的变形设置预起拱值，使用计算机软件精确 计算控制点的三维坐标，施工现场采用2台全站仪对坐标进行精确定位、校核。 同时制订合理的焊接工艺，按照科学的焊接顺序施焊，有效防止焊接变形产生 的安装误差。4）针对本工程非等厚、异材质对接焊接节点的处理，采用铸钢件自带梯口加 35°单v坡口节点形式，通过焊接工艺评定、焊缝力学

8、性能试验以及ut检测，使 各项指标均满足设计要求。焊接过程中严格执行焊接工艺评定，加强焊接工艺控 制，选择技术过硬的焊工进行焊接施工。5）在钢结构安装时，重点加强钢结构高空焊接操作平台的安全防护、转换层钢 梁水平兜网、临边挑网安全防护、塔楼区临边硬防护等，同时加强重点部位的安 全管理，高空作业100%系安全带，确保钢结构施工安全。6）采用计算机进行施工过程模拟，确定构件吊装顺序，结合吊装顺序采用有限 元分析软件midas/gen对结构应力及变形进行数值分析计算，计算出构件安装 过程中的变形，对构件进行预起拱，施工过程中采取边监控、边施工的方式，根 据监测结果与施工模拟数据进行对比分析，并对施工

9、预设值进行调整，确保高 位转换体系施工质量与安全满足设计要求。4安装方案分析施工前，根据结构特点提出以下2种吊装方案供对比选择2-3 o 4.1方案一:高空胎架安装法木方案在基础筏板面搭设高空胎架，钢结构构件在胎架上吊装、焊接完成后，整 体卸载，卸载后拆除胎架，达到设计状态。优点:高位转换体系可以按普通钢结构安装方法进行，然后整体卸载，施工荷载 传递更符合设计状态；施工安全防护搭设较为便捷。缺点：受场地限制，搭设胎架后汽车吊难以移动就位，同时占用了构件堆场;胎 架搭设工作量大，高度大，加之所承托的构件质量大，斜撑钢管柱与梁撑节点 铸钢件拼装后达50 t,对胎架承载力及稳定性要求高，胎架安全保障

10、措施复杂； 胎架搭设费用较高;卸载后，胎架位于高位转换体系下方，受结构造型影响塔吊 吊装不便，胎架拆卸、外运困难。4.2方案二:高空散拼法结合y形巨柱斜撑高位转换体系结构特点，合理安排吊装顺序，采用双夹板技 术进行构件的临吋连接固定，通过吊装倒链调节构件空间位置并逐个吊装、焊接, 通过采用双夹板和钢丝绳作为构件的双重固定措施，保证转换体系的稳定性， 并充分利用结构自身特点承担结构自重及施工荷载，让其自成结构体系，4层转 换层主梁安装完成后，及时安装各主梁之间的次梁及连梁，使已安装完成的构 件连接成为一个整体，从而削弱施工荷载对高位转换结构体系的不利影响，保 证整个吊装安全、顺利进行。优点:施工

11、成本低;对y形巨柱斜撑高位转换体系影响小，逐个进行构件加载、卸 载，可以避免胎架整体卸载后结构变形过大的情况。缺点:空间定位困难，构件安装精度要求较高。经过多重分析和综合考虑，通过采用施工模拟分析和施工应力变形分析，提前 做好预起拱等措施后，无胎架安装的方案二在技术可行性、安全性、经济性等方 而较好，作为优先选择方案。5方案实施5. 1施工整体流程y形巨柱斜撑高位转换体系钢结构深化设计一确定初步吊装顺序一施工过程模 拟分析一根据施工模拟分析调整吊装顺序一确定吊装顺序一现场焊接工艺评定 一构件验收及复核一构件吊装及焊接一过程监控与反馈一上部结构施工一结构 应力及变形监测5. 2施工模拟及方案安全

12、性分析 采用有限元分析软件midas/gen进行施工模拟分析，施工模型的建立按照初步 吊装顺序进行，为分析高位转换体系在施工过程中的变形和受力状态，建立裙 楼整体模型，与塔楼的连接部分按边界固结考虑，根据最终确定的吊装顺序， 运用生死单元技术，依次激活或杀死相应结构单元、荷载及边界条件，实现施工 阶段全过程模拟（图3）。图3 midas/gen施工模拟建模下载原图分别按施工方案确定的吊装顺序与一次性加载工况进行施工模拟，并将各工况 下y形巨柱斜撑高位转换体系的应力及变形进行对比分析。1）按吊装顺序逐个加载工况下的最大应力及应变均发生在吊装完成后，y形巨 柱斜撑高位转换体系的x向最大位移为3.

13、8 mm, y向最大位移为11. 7 mm, z向 最大位移为13. 9 mm,最大von-mises应力为71.4 mpa。2）次性加载工况下y形巨柱斜撑高位转换体系的x向最大位移为2. 2 mm, y 向最大位移为3. 5 mm, z向最大位移为12. 5 mm,最大von-mises应力为54. 5 mpao由上述施工模拟分析可知，在施工过程中，y形巨柱斜撑高位转换体系的最大 von-mises应力为71. 4 mpa,小于钢材的屈服强度及其许用应力，结构的受力处 于弹性范围内，按此吊装顺序进行施工，施工过程中的结构安全性满足设计要 求。对比分析按施工方案确定的吊装顺序与一次性加载工况下

14、的位移及应力可知， 考虑施工顺序后，结构的位移有所增加，但增值较小，最大水平位移为11.7 mm, 整体变形较小，满足设计要求。von-mises应力变化最大发生在斜撑上，其应力 由54. 5 mpa增加至71. 4 mpa,增值为16. 9 mpa,应力增加较小，满足设计要求。在施工准备阶段，利用有限元分析软件对施工过程进行数值模拟分析，在技术 上确认了无胎架高空吊装施工方案的可行性。同时可以根据施工模拟结果，在施 工中对结构构件进行合理的预起拱，抵消结构在自重及施工荷载作用下的变形， 使施工完成后满足设计要求。5.3 y形巨柱斜撑高位转换体系吊装深化设计阶段提前考虑吊装方式及吊装设备性能，

15、结合结构特点及设备选型合 理分段。本工程整个转换体系构件吊装选用260 t吊车，在现场最不利位置最大 吊重为90 t,满足构件吊装要求。吊装过程中配合设置在吊绳上的可调倒链，通 过液压千斤顶、临时连接双夹板以及螺栓进行构件临时固定，并及时拉结设置在 筏板基础上的缆风绳，确保构件吊装稳定性（图4）。5.4吊装定位吊装前利用三维坐标精确计算各个吊钩钢丝绳长度，在钢丝绳上安装角度调节 倒链(20 t),构件吊装前根据计算结果调整倒链长度，将构件起吊角度调至接 近构件就位角度，构件就位后利用倒链微调构件角度，并采用全站仪监测、校 核。同时安装双夹板自平衡体系，校正时配合20 t千斤顶微调构件标高与构件

16、 对接口错位，实现了 60t级大型拼装构件的精确安装。5. 5特厚钢板焊接质量控制为避免y形巨柱斜撑高位转换体系节点处多向杆件集中焊接产生复杂焊接应力， 转换结构深化设计过程中各焊缝位置尽量错开，节点铸钢件共计15个，由工厂 加工制作，单个铸钢件最大质量48 t,拼装后最大质量60 to铸钢节点与钢管 柱、箱型钢梁焊接连接，铸钢节点焊接截面尺寸有<1)1 900 mmx50 mm. 4)1 450 mmx 50 mm> 1 000 mmx 1 400 mmx 30 mmx 30 1 200 mm x 1 200 mm x 25mmx25 mm,铸钢件材质为zg270-480h,钢管

17、柱材质为q390gje-z15,箱型钢梁 材质为q345b,杆件与铸钢节点的连接为变厚度坡口全熔透焊缝，焊缝等级为 一级。5. 5.1焊前准备钢管柱选用断面收缩率在15%以上的q390gje-z15高强度结构钢作为构件母材， 箱型钢梁选用断而收缩率在25%以上的q345b结构钢作为构件母材，并严格控制 其硫含量;选用4)1.2価的er50-6低氢型药芯焊丝。材料进场后及时见证取样 并送检，送检合格后方可使用。编制焊接专项方案及焊接工艺评定方案，针对各种类型的焊接节点确定岀最佳 焊接工艺参数，制订全面、合理、详细的焊接工艺措施和工艺流程。根据规范要 求并结合本工程钢板适用厚度范围确定试件厚度，工

18、艺试验完成后进行超声波 焊缝检测，并做出相应的评定报告。5. 5.2焊接质量控制1) 焊接方法采用gmaw-c0,气体保护焊，根据钢材厚度、熔敷金属的扩散氢含量、 焊接热输入等，合理控制预热温度、层间温度、后热温度;焊前预热的加热区域 在焊接坡口两侧，宽度各为焊件施焊处厚度的15倍以上，且不小于100 mmo2) 本工程焊缝长度较长，为减小焊接应力对构件定位的影响，采用对称施焊， 坚持多层多道对称焊、窄焊道薄焊层的焊接方法，使应力分布均匀，减少应力集 屮。3）由于co?气体保护焊对风速敏感，故高空焊接时现场设置防风棚以保证焊接 环境。4）连续施焊过程中加强焊接区母材温度控制，使层间温度控制在焊

19、接工艺评定 的范围之内。遇有中断施焊的情况，应采取后热、保温措施，再次焊接时重新预 热温度应高于初始预热温度2030 ko5）焊接完成后使用电加热设备在焊缝两侧3倍板厚且不小于200 mm范围内加热 至20025（tc，保持温度不少于90 min,同时采用保温岩棉将焊缝覆盖并用铁丝 将岩棉绑扎严密，岩棉的覆盖范围应在焊缝周围6001 000 mm,覆盖时间为5飞 ho焊缝冷却48 h后由第三方进行超声波探伤检测，焊接坡口周围150 mm范围 焊缝进行100%超声波探伤，检测合格后方可拆除临时固定双夹板（图5） o5.6高空安全防护构件吊装前应在吊装焊接的相应位置搭设操作平台，操作平台采用型钢焊接制 作，四周满设工具式防护栏杆，操作平台底部全部封闭。连接操作平台的防护爬 梯必须配置防坠绳，使用前必须检