鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要 安徽國際金融貿易中心超高層--B塔，目前是安徽省已建成第一超高層，鋼管柱施工安裝精度控制是工程施工質量控制的重點內容之一。合理布設測控網，科學的測控手段結合正確的糾偏手段，并嚴格按照焊接工藝要求實施焊接，是本工程鋼管柱精度控制的著眼點。
關鍵詞 超高層，圓管柱，測量，焊接
1 工程概況
安徽國際金融貿易中心工程位于合肥市中心，北臨清碧護城河，南眺繁華鬧市，是由一棟26層（A塔）、一棟57層（B塔）的寫字樓、5層（局部7層）的商業裙房和3層地下室組成，如圖1。其中B塔為一矩形立方體超高層框架－核心筒結構建筑，東西寬為43.2m、南北長為42.6m,地下三層，負三層樓板標高為-14.45m，地上57層,標高為224.05米，在其頂部另設有二層電梯機房，屋頂標高為238.1m，屋面外廣告架標高為239.45m。目前是安徽第一高度的高層建筑。B塔外框由18根直徑φ1450~φ1000mm的圓管柱和多種規格的H型鋼梁組成，核心筒為框架剪力墻結構，內部設10根勁性鋼骨柱。
圖1 安徽國際金融貿易中心鋼結構工程整體效果圖
2 超高層鋼結構圓管柱施工質量控制技術
對于超高層結構，尤其是超高層鋼結構建筑，受施工環境、鋼材熱脹冷縮特性、施工工藝等因素影響，施工質量控制難度較大。同時，作為民生工程的甲級寫字樓項目，工程施工質量，尤其是工程實體的耐久性、高層結構垂直度、鋼結構焊接質量、鋼構件錨固質量等方面是鋼結構施工質量控制中的重點內容。本文主要從超高層鋼結構建筑中圓管柱的垂直度控制和焊接質量控制技術兩個方面討論超高層鋼結構施工的質量控制技術。
由于本工程采用18根直徑φ1450~φ1000mm的圓管柱作為結構的主要受力桿件，因此，圓管柱的施工質量是工程施工質量及結構安全控制的重點。對于圓管柱，因其直徑較大，如何控制圓管的管徑、圓管的橢圓度、圓管柱安裝的垂直度及焊接質量等是工程控制的關鍵。施工過程中，我們主要采取以下幾個方面的措施：
2.1 測量控制技術
施工測量工作作為工程質量控制的重要手段，是保證鋼結構安裝質量以及工程進度的關鍵工序。作為超高層建筑，對精度的控制相對于普通的結構要求更高，在整個施工過程中，必須采取一系列的措施，確保測量結果。在現場施工的過程中我們采用“內控法”的總體測量思路，遵循“由整體到局部”的測量原則，通過激光天頂儀作軸線控制和傳遞，通過架設經緯儀對每節柱段的安裝軸線進行加密，在焊前對每節鋼柱作一次整體的軸線和垂直度測量，得到每根柱的焊前測量數據，根據每根鋼柱的偏差調整其對接口的焊接順序，焊接完成后再作一次整體軸線測量，得出焊后測量結果。以此循環，每節柱段的焊后偏差數據又作為上一節鋼柱吊裝校正糾正偏差方向的依據。
2.1.1 測量控制網布設及傳遞
本工程施工中我們用全站儀采用直角坐標法在塔樓的首層（±0.00m）設置一套平面控制網，將首層的4個控制點作為結構施工過程中的主控制點對整個地上結構施工質量進行觀測、控制。同時，通過DZJ2型激光天頂儀將首層的4個主控制點的進行豎向傳遞，在施工層面再將控制網進行加密，以便對施工質量進行精度更高的觀測、控制。
圖2 平面主控制點布置圖
圖3 控制點的點位接收示意圖
2.1.2 安裝過程中鋼管柱施工質量的測量控制技術
在結構施工過程中，我們依據首層的主控制點分別對每層的控制網進行加密，通過全站儀測設出鋼管柱在準確位置，再分別在互相垂直的兩個方向架設經緯儀對單根鋼管柱進行垂直度監控。針對鋼管柱不同于箱型柱的特點，我們分別采取以下主要技術措施，確保鋼管柱的施工質量見圖4。
圖4 測量定位示意圖
（1）鋼管柱定位軸線的測量技術：
鋼柱的定位控制主要從地面基礎軸線開始，每節鋼柱的安裝始終以地面基礎軸線為控制基準，對鋼柱的垂直度進行測量控制，禁止采用下節鋼柱作為測量基準來控制上節柱，以免因此產生的測量累積誤差。在安裝過程中，通過反復定位、調整，保證焊接后鋼柱軸線位置的準確性。
（2）鋼柱標高的測量技術：
由于每節柱段柱頂均高出該層1300mm，因此，依據在核心筒外壁投測的高程控制基準點(用紅三角標示)，利用三角高程測量法，在每層鋼柱上投放高程控制點，建立高程控制網，以便控制每節鋼柱的豎向高程。每安裝一節柱后，對柱頂進行一次標高實測，誤差超過規范和設計允許的偏差時，采用螺栓千斤頂進行調整，偏差過大時分兩次或幾次進行調整。為便于操作，我們在每根鋼柱吊裝前，在距離鋼柱底部500mm位置標識標高線，安裝后與標識在柱頂以下500mm的標高線直接用直尺進行檢測，既便于現場操作，又保證了鋼柱標高的傳遞，見圖5
圖5 鋼管柱安裝標高檢測
（3）鋼管柱垂直度的測量技術：
將與待調整的鋼柱安裝位置成90°的兩條軸線分別向內側偏移1000mm/2000mm，在相互垂直的兩條控制線的交點上架設一臺經緯儀，在與其垂直的鋼柱安裝軸線上架設另外一臺經緯儀，對準鋼柱的中軸線平移引出的控制線同時監測，再將鋼柱的實測中軸線利用鋼尺返測至鋼柱上，與鋼柱自身中軸線相比較，將柱身調整至兩個方向的軸線與控制線相互重合。同時，利用經緯儀照準鋼柱底部的基準線投測至柱頂，與柱頂中軸線進行比對，調整鋼柱至兩線重合，則鋼柱的垂直度調整到位。
通過以上措施，基本消除了外界因素對測量精度的影響，有效的確保了鋼管柱的安裝精度和施工質量。
2.2 鋼管柱校正技術
因為圓管柱截面的特殊性，在制作、安裝過程中控制圓管柱的橢圓度、制作基準線和安裝基準線的統一等是工程施工質量控制的關鍵。因此，我們分別通過優化制作及安裝工藝，制訂詳細的制作工藝指導書，細化圓管柱的安裝校正技術，有效的確保了圓管柱的施工質量。
2.2.1 鋼管柱的檢查
對進入工地現場的圓管柱進行測量，并對上下圓管柱對接口進行測量，檢查圓管柱的橢圓度和安裝基準線是否符合標準，上下圓管柱對接口的尺寸偏差是否符合標準要求，對不符合要求的部位進行標識。
2.2.2 鋼管柱校正技術
（1）校正工藝
鋼管柱的初校是指安裝梁之前進行的第一次校正，即要求柱的各項指標均達到國家驗收規定。在超高層結構中，如果形成框架后再進行所謂整體校正，由于各構件互相牽制很難達到校正效果，因此不建議采用此法。初校完成后，應先從中間跨開始對稱地向兩端擴展進行梁的安裝；對同一跨間，先安裝下層梁，再安裝中、上層梁，這樣可方便吊裝、減少對柱垂直度的影響。鋼柱的的校正也按照由中間向兩端輻射、延伸的思路進行。
（2）校正工作的主要內容
鋼管柱的校正是鋼結構施工的關鍵技術。在鋼柱及與其相連接的主梁吊裝到位后，即進行鋼柱的測量、校正。其校正的內容和順序為：鋼柱定位軸線的校正、鋼柱標高的調校、柱身扭轉調整、鋼柱垂直度的校正。針對本工程，我們根據現場實際及流水作業的要求劃分為西北區和東南區兩個作業段，每個作業段再根據鋼管柱的方位9根鋼柱采用從中間往兩側、兩個方向往角柱逐步推進的方法進行校正，待中間門洞柱校正、高強螺栓終擰、柱、梁焊接完成后，形成一個固定的剛性小框架，然后依次再對其兩側的鋼柱同時向兩端方向進行校正。由于角柱位置的特殊性，為消除其他鋼柱和鋼梁焊接變形對其的影響，待兩條相交軸線上其余7根鋼柱焊接完成后再進行復測、焊接，確保角柱的安裝精度。校正工藝實施“三校”，即“一校柱口，二校梁口，三校柱頂位移、垂直度。”這樣不僅確保了單根鋼柱垂直度的獨立性，也使結構的整體平面定位和垂直度得到了有效的控制。
2.2.3 鋼柱定位軸線的校正
由于鋼柱在加工、運輸及安裝過程中，端部可能出現變形，為防止上下兩節鋼柱對接口出現錯位，需在確保上下柱段十字中心線（柱中心線）與安裝軸線重合的前提下，使鋼柱對接面平整或平滑過渡，禁止出現較大的錯口、錯邊。在安裝過程中，如遇到錯口、錯邊過大現象，則在柱與柱的連接耳板不同側面夾入墊板（厚在0.5~1.0mm），鋼柱的十字線偏差每次調整在3mm以內，若偏差超過規范允許較大，則需分多次進行調整（需確保單節鋼柱軸線偏差滿足規范的要求），將鋼柱對接口錯邊調整至規范允許的3mm以內。
2.2.4 鋼柱標高的調校
鋼柱吊裝就位后，用安裝螺栓通過連接板固定上下耳板，但連接板不夾緊，通過起落鉤與撬棒調節柱間間隙。將上下柱的標高控制線之間的距離與設計標高值進行對比，并考慮到焊縫收縮及壓縮變形量，將標高偏差調整至+5mm以內。符合要求后打入鋼楔，對鋼柱進行定位焊，待鋼柱定位焊接完成后連同連接板一同切除。同時，將每根鋼柱的標高實測結果與下節柱預檢長度對此，在安裝前或過程中進行綜合處理，對于標高相對于設計值偏差在+10mm及以上的，由加工廠對上一節鋼柱柱身進行延長處理，確保鋼梁安裝標高和鋼柱標高符合設計要求；對于標高相對于設計值偏差在+10mm以內的在現場安裝時通過調節鋼柱對接焊縫的寬度進行調節，確保每節鋼柱的標高符合設計及規范的要求。
2.2.5 柱身扭轉的調整
柱身的扭轉偏差是在其制作、運輸、貯存、安裝過程中產生的。扭轉的存在對鋼柱垂直度的校正有很大的影響，因此在垂直度校正前要盡量消除扭轉的影響。通過鋼柱對接位置的耳板在不同側面夾入墊板（墊板厚度0.5~3.0 mm）再用連接板手擰緊安裝螺栓來調整扭轉。每次調整扭轉在3mm以內，若偏差過大可分2—3次調整。當偏差較大時也可通過在柱身側面臨時安裝千斤頂對鋼柱接頭的扭轉偏差進行校正(如下圖6)。
圖6 標高與扭轉的調整示意
2.2.6 鋼柱垂直度的校正
采用無纜繩校正法在柱的偏斜一側打入鋼楔或用頂升千斤頂，采用兩臺經緯儀在柱的兩個互相垂直的方向同時進行觀測見圖7。在保證單節柱垂直度不超標的前提下，并注意預留焊縫收縮對垂直度的影響，將柱頂軸線偏移控制到規定范圍內。在本工程施工過程中，我們經過對鋼柱焊前、焊后測量數據的比對、分析，并結合以往的施工經驗，總結出鋼柱、鋼梁焊接收縮對單節鋼柱垂直度的影響為2-4mm。因此在每個作業段的門洞柱焊接完成后，其兩側鋼柱分別預留3mm作為焊接收縮量，即門洞柱兩側的鋼柱依次分別沿軸線向外傾斜3mm、6mm、9mm。最后擰緊臨時連接耳板的安裝螺栓并將鋼柱與鋼梁連接節點的高強螺栓用特定的電動扳手擰至額定扭距。
圖7 圓管柱垂直度調整
2.3 鋼管柱焊接技術
焊接質量對整個工程起著尤為重要的影響作用，在鋼結構整個施工過程中，我們按照集團公司制定的焊接工藝指導書，編制了現場焊接施工專項方案，明確規定了焊接施工的各項操作規程。結構的焊接施工依然遵循校正的工藝，在局部區域形成框架后再采取由中間向兩端輻射、延伸的思路進行，即“先中間后兩側，先外框主梁再核心筒次梁”的順序。同時，鋼柱對接口的焊接采取“間隔跳焊”、“剛性固定”、“預留收縮量”、“多層多道焊”、“對稱焊接”等焊接工藝以降低焊接變形對鋼結構安裝質量的影響。高強螺栓終擰復核后，依據框架尺寸確定特殊部位的焊接順序。
為保證施工質量，加強對焊接質量的控制，我們主要采取以下技術措施：
（1）加強現場對接焊縫的焊前檢查、處理。在低溫環境下焊接施工時，采取焊前預熱措施，并制定相應的低溫焊接工藝指導書和鋼結構焊接專項施工方案；
（2）焊接過程中質量控制主要通過檢查焊接方法、焊接順序、焊接參數等是否按焊接工藝指導書或工藝卡進行作業。重點對焊材、焊機依據規范和方案要求進行定期檢查，對焊接作業人員進行技術交底，強化施工過程中的質量控制；
（3）依據規范和設計要求對現場的對接焊縫進行100%超聲波自檢探傷工作，加強焊縫焊后的外觀質量檢查和超聲波（UT）檢驗，確保現場對接焊縫質量符合要求。
圓管柱焊接次序對于保證焊接質量，尤其是最終安裝精度至關重要，本工程的圓管柱焊接順序如下圖8：
1）由2名焊工沿圓周分區同時對稱的退焊法施焊：
圖8 鋼管柱對接焊順序示意圖
圓管直徑范圍內全部焊完1/3板厚后切去耳板，繼續在各焊工負責的范圍內施焊，直至焊完整個接頭。
2）每兩層之間焊道的接頭相互錯開，2名焊工焊接的焊道接頭也要注意每層錯開，如圖9。每道焊完要清除焊渣和飛濺，如有焊瘤要及時鏟除掉，焊接過程中隨時注意檢測層間溫度的控制。
圖9 現場焊接操作及成形焊縫
3 結語
通過采取以上各項技術并改進工藝措施，本工程在第三方檢測單位的過程跟蹤監測中，單節鋼管柱垂直度全部在10mm以內，滿足規范要求的H/1000的規定（注：每節柱段長度13m）。圓管柱焊縫在第三方檢測中，合格率為100%，工程施工質量良好。
參 考 文 獻
[1] 中華人民共和國行業標準.建筑鋼結構焊接技術規程(JGJ81-2002).北京：中國建筑工業出版社，2002.
[2] 中華人民共和國國家標準.鋼結構工程施工質量驗收規范（GB50205-2001）.北京.中國計劃出版社.2001.
作者簡介：賈偉朋（1981-），浙江精工鋼結構有限公司施工技術負責人，工程師，主要從事建筑鋼結構施工。
聯系地址：浙江紹興柯橋鎮柯西工業區鑒湖路1587號（312030）。
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范鵬濤 汪鵬 （長江精工鋼結構（集團）股份有限公司 六安 237161）
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