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：珠江城煙草大廈是我國首先采用風力發電的第一座高度為309米的超高層建筑。故按建筑結構受風力荷載、震動厲害等復雜受力狀況設計為現場吊裝接頭全部用螺栓連接。本文即介紹在構件加工制作時，通過提高每塊板件，每個零件和小部件的精度，來確保每個構件的質量；把影響螺栓孔精度的各種因素的不利減少到最小。也即通過采用新技術，新工藝來達到高質量地按期完成任務。
1. 概述
1.1 廣州珠江城煙草大廈工程設計概況
珠江城項目的設計獨具匠心、個性鮮明，猶如飽滿渾圓的水晶體，光滑通透，高貴典雅；建筑設計綠色環保，體現了技術先進性，形象標志性、環境協調性的統一，是建筑美學與結構力學的完美結合：塔樓線條靈動多變，利用穿插交叉的寫意手法，彰顯塔樓的時尚、現代、節能理念。
作為珠三角頂尖的綜合商務物業，珠江城的建設，標志著廣州城市建設進入了一個嶄新的階段，對帶動廣州珠江新城區CBD商務圈的發展體現廣州作為現代化國際大都市追求卓越的奮進精神起了關鍵的推進作用，同時，珠江城的節能環保理念不僅將提升珠江城區域乃至整個廣州市的形象，且在超高層建筑史上也書寫下了濃墨重彩的一部新篇章。見圖1
廣州珠江城煙草大廈效果圖
1.2 工程概況：
珠江新城工程項目位于廣州中央商務區的核心區域--珠江新城內，由一棟標高為309m的主樓和標高為33.36m的裙樓組成。
主樓地下5層，地上71層，標高為309m，由寬度為13.126m，長度為36m的矩形鋼筋砼結構核心筒與長度為71.2m,兩端寬度為26.25m中間寬度為30m正面為弧形的外框筒結構組成。見圖2：廣州珠江城建筑效果圖。
1.3 工程特點分析
珠江城采用框架核心筒結構體系，具有結構超高、形體新穎、結構復雜、技術先進等特點，這就給我們工程技術人員提出了嚴峻的挑戰。
1.3.1 結構超高
珠江城結構高度達309.6m，在整個珠江地區乃至全國都處于超高層建筑的領先行列。
1.3.2 形體新穎
珠江城設計獨具一格，造型線條圓滑流暢，透明的光滑建筑立面晶瑩剔透，整個造型新穎獨特，令人嘆為觀止。
1.3.3 結構復雜
主體結構為帶端部支撐的框架核心筒體系，核心筒為鋼筋混凝土剪力墻結構，內設勁性結構；外圍柱通過設備層的外伸及帶狀桁架與核心筒相連。
外部鋼框架由型鋼混凝土巨型角柱、組合型鋼外圍柱、端部斜支撐、鋼邊梁和樓層鋼梁組成；為提高結構的側向剛度，外圍柱通過外伸桁架和帶狀桁架與核心筒和巨型角柱相連。
1.3.4 技術先進
珠江城項目將風力發電和太陽能發電首次運用于超高層建筑，同時又把國際上成熟、先進的另外９項節能、環保技術，高度集成地運用在同一建筑中，開創了世界高層建筑發展的先河。
1.4 本工程施工重點與難點分析
本工程不是一般的超高層建筑，這是因為它將風力發電和太陽能發電等首次運用在超高層建筑上。因此，其建筑鋼結構就必須按此引起的震動等特殊受力狀況來進行設計，如果按一般的超高層建筑，要么現場安裝時為全焊接結構，要么為栓焊混合結構。
而珠江城項目則因考慮到應用風力發電等引起的建筑震動等因素而引起的復雜受力狀況，故現場安裝接頭設計成了全部用高強度螺栓連接的全栓結構形式。
這種超高層建筑的現場安裝時采用全栓結構形式在我國超高層建筑史上還是第一次。鑒于珠江城工程項目的鋼結構量大、工期短、大量采用強度等級高的厚板，且現場安裝節點又均為高強度螺栓連接，故加工和安裝的難度相當大，擬控制重點部位也相當多。
1.4.1 施工重點、難點
（1） 構件加工精度，特別是構件兩端截面的加工精度；
（2） 構件預拱值的確定及其對端部螺栓孔加工精度的影響；
（3） 焊接應力與變形的控制；
（4） 高強度螺栓孔群的加工精度（包括在主體結構中幾何尺寸的控制精度）
（5） 鋼板平整度的矯正與厚度公差的控制。
1.4.2 加工制作重點、難點分析
本工程大量采用了高強螺栓連接節點，其螺栓孔加工量近90萬只。由于螺栓孔數量巨大，尤其是節點部分，構造復雜而螺栓孔密集（最多處有676個螺栓孔），故鋼板的平整度、制孔、裝配、焊接等各個工序均對螺栓孔的精度有所影響，進而影響到穿孔率，因此如何保證本工程高強螺栓孔的穿孔率。是本工程的重點和難點。
針對本工程的特殊結構，我公司生產技術人員通過攻關，在提高單件精度，確保整體精度的前提下，確定了“化整為零，精益求精”的指導思想：先將每個復雜節點分解為數個小零件及小合攏部件，然后對每個零部件在各自的下料、加工制作、拼裝、焊前驗收、焊接、焊后矯正驗收，最后在精確制作的胎架上進行組裝。由于嚴格控制了每一道工序，高起點、高標準地滿足每一項精度要求，確保了每個構件出場時的質量，就保證了現場安裝工作的順利進行和質量要求，進而滿足整體建筑的使用和外觀要求。
2. 廠內加工制作工藝說明
2.1 放樣下料要求
2.1.1 當構件因材料規格限制需進行拼接時，宜先拼接、對接焊、檢驗、矯正合格后，再按零件尺寸整體劃線、數控切割、小料加工等；并必須滿足以下規定：
（1） 所有桿件應盡可能按最大長度下料，同時注意材料的利用率。圖上有注明斷頭時，按圖施工;圖上無注明斷頭時，斷頭必須避開構架或開孔邊緣200mm以上,且拼接位置應留在內力較小處，即斷頭應避開構件長度L的中間L/3部分。
（2） 拼接鋼板長度最短不得小于2倍的板寬，且不得小于600mm；
2.1.2 當不同厚度的鋼板拼接時，當板厚相差超過4mm時應作刨斜處理，刨斜比例為不大于1:4;同時對于削斜開坡口后無過渡段的，需另行考慮，確保開設坡口后有過渡段。
2.1.3 焊接H型柱/梁/支撐等如需進行對接時，其面、腹板的接頭形式采用階梯形對接接頭形式；即其面、腹板接頭不得在同一截面內，應互相錯開200mm以上，同時要避開其上之加勁板安裝位置線，避開距離不得小于150mm。
2.1.4 孔機加工余量的加放：
（1） 直徑大于80mm的孔需鏜孔，放樣時按直徑縮小8mm畫線，由風割或鉆孔而成；此8mm作為余量送去鏜孔至圖紙尺寸。（不包括灌漿孔、透氣孔等精度要求較低的孔）；
（2） 直徑≤80mm的孔可采用直接鉆孔的方法。——除精度要求較高，工藝注明需鏜孔外；
（3） 精度要求較低的孔，可直接切割而成；（如灌漿孔/透氣孔等）
（4） 設備孔開制說明：
起拱鋼梁上設備孔，由車間進行開制；
非起拱鋼梁上設備孔，由放樣下料時直接開制；
（5） 當材料需要代用時，應征得設計、工藝部門的同意方可代用;
2.2 余量的加放
2.2.1 總則
（1） 每條對接縫加放2mm焊接收縮余量；
（2） 構件中全熔透長度兩端均各加長50mm;
2.2.2 所有鋼柱，鋼梁，支撐和牛腿，若由拼接的H鋼，箱形鋼等組成在其長度方向均應按要求加放焊接收縮余量。
2.2.3 另外由于在鋼柱、鋼梁、支撐和牛腿處的加勁板，（連接板）；以及因有栓釘焊，也均要按一定要求加放焊接余量。
2.2.4 若是由軋制H鋼組成這些零部件，對加勁板（連接板）及在其上裝焊牛腿等，也要按一定要求在長度方向加放焊接收縮余量。
2.2.5 H型和箱型鋼柱、鋼梁，其長度方向的上下端均應各放8mm端銑余量。
2.2.6 T型梁、支撐、牛腿
說明：T200*400*13*21的T排零件，均采用軋制的H型鋼切割而成，無需拼接成型；
此規格的T型梁、支撐：下料時長度方向均加放30mm的火工矯正余量；
此規格的T型牛腿：下料時長度方向均加放10mm的火工矯正余量；
2.2.7 起拱鋼梁
（1） 鋼梁的起拱均按照設計圖所標注的起拱值進行起拱；
（2） 余量的設置
對于需起拱的拼接H型鋼梁和軋制H型鋼梁：
放樣下料時，在其鋼梁兩端各加放30mm余量.待火工起拱后，按照圖紙要求劃線鉆孔；
（3） 由火工加熱起拱的鋼梁可采用三折線法起拱，加熱溫度不超過700℃。
（4）由放樣草圖直接做出的拱度應做成起拱大圓弧，不為折線狀。
（5） 特殊規格鋼梁起拱要求
由于材料規格采購的限制，圖紙上要求起拱的構件，如規格為拼焊BH700*300*13*35時,按以下要求進行：
1）此拼制的腹板放樣、下料切割時按不起拱進行；
2）車間制作時，采用火工起拱的形式；
此H型鋼拼制時具體的焊接順序依照如下進行：
全栓鋼結構超高層建筑起拱下平面
3）余量的設置：面腹板兩端均加放30mm余量；
2.3 焊縫坡口說明
2.3.1 全栓接鋼結構對焊接的要求
由于本工程在現場的對接安裝為全螺栓連接，這就對構件的加工制作提出了特別高的要求。而在加工制作時各種因素都對螺栓連接處的尺寸精度有很大的影響。如果不加以重視，則很可能造成現場吊裝時不能滿足100%的通孔要求。
在這些因素中，焊接的影響尤為重要。在確保焊接質量的問題中，首先就要處理好焊接坡口問題。
由于本工程項目中的各種結構形式非常復雜——節點處三維方向均有用螺栓連接的構件，（其中包括大量采用牛腿與相應構件對接的形式），因此其受力就尤其復雜。
這些構件包括：
（1）鋼柱及其牛腿；
（2）水平支撐及鋼梁及其牛腿；
（3）垂直支撐及其牛腿；
（4）帶狀桁架和外伸桁架及其牛腿。
為此，就要嚴格按各種相應的規范，規程和標準進行設計計算，故進行深化設計時，就根據其結構形式和受力狀況來確定該構件的各組成部分：板，零件和小部件的全熔透或部分熔透焊的焊接要求和焊縫坡口形式，才能在整個焊接過程中確保焊接質量。
2.3.2 特殊焊縫參改原則說明
（1） 當面板厚度小于腹板厚度的H型牛腿自身角接焊縫
當為全熔透時，此種狀況的焊接變形量較大，因此將此類牛腿自身拼接要求改為等強焊縫要求（且取得原設計的同意；下同）等強焊縫坡口形式，如下圖3所示：
全栓鋼結構超高層建筑等強焊接坡口
（2） H型本體上與桁架連接的牛腿對應處勁板與本體面、腹板之間的角接焊縫當為全熔透時，此焊接變形量較大，因此將此類角接焊接要求改為等強焊縫要求；等強焊縫坡口形式，如下圖4所示：
2.3.3 特殊焊縫處構造示例：
2.3.1 特殊H型牛腿焊縫要求（指與鋼梁連接的H型牛腿）
（1）牛腿翼緣板、腹板均為螺栓連接的H型牛腿，其翼緣板、腹板與本體之間的角接焊縫要求，如下圖5所示：
廣州珠江城煙草大廈牛腿與本體間的焊縫
（2）牛腿翼緣板三面均需與本體焊接的H型牛腿，此類H型牛腿的自身組合焊縫、及翼緣板、腹板與主體之間的角接焊縫要求，如下圖6所示：
廣州珠江城煙草大廈連接焊縫
3）鋼柱上特殊節點處焊縫要求
1）構件號為*TZ1～*TZ4鋼柱上節點處勁板及牛腿的焊縫要求，如下圖7所示：
2）鋼柱上X型節點焊縫要求，如下圖8所示：
2.4 反變形的設置
2.4.1 H鋼柱反變形的設置：
（1） 考慮因構件過短，矯正機無法矯正，故當構件長度不大于2米時，均需壓制反變形；
（2） 在無法矯正或面板板厚不大于2倍腹板板厚情況之外,均需壓制反變形。
（3） 壓制反變形的具體角度需根據不同焊接要求及不同厚度而定;
如 1）、BH1000*1000*50*50：自身拼接均為全熔透時，壓制反變形179度;
2）、BH1600*1600*50*80：自身拼接既有全熔透，又有局部熔透時，壓制反變形179.5度;
3）、BH350*350*25*25：自身拼接既有全熔透，又有局部熔透時，壓制反變形178.5度;
4）、BH600*950*60*80/BH600*900*60*80/BH600*900*60*60（組合鋼柱）：
以上型材當自身拼接既有全熔透，又有局部熔透時，壓制反變形179.5度；
2.4.2 H鋼梁、支撐、牛腿反變形的設置：
（1） 當構件長度不大于2米時，均需壓制反變形；
（2） 在無法矯正或面板板厚不大于2倍腹板板厚情況之外,均需壓制反變形,
（3） 壓制反變形的具體角度需根據不同焊接要求及不同厚度而定;
1）、自身拼接均為全熔透時:
當腹板厚度t小于50mm時，面板厚度t大于50mm時，不壓制反變形；
當腹板、面板厚度t大于等于50mm時，壓制179.5度反變形;
當腹板、面板厚度35小于t小于50mm時，壓制179度反變形;
2）、自身拼接均為全局部熔透或雙面角焊縫時:
當腹板大于面板厚度的情況下,需壓制179.5度反變形;但當面/腹板厚度大于等于60mm時,均無需壓制反變形;
當腹板小于面板厚度的情況下,且腹板厚度t小于35mm、面板厚度t大于35mm時，不壓制反變形;
當腹板小于面板厚度的情況下,且腹板厚度t大于35mm、面板厚度t大于35mm時，壓制179.5反變形;
2.5 典型構件的裝焊工藝示例
2.5.1 構件的各組成部分：板、零件及小部件的放樣下料、切割、加工（包括壓反變形），以及小合攏裝焊校正、起拱、鉆孔等。每道工序均在施工過程中認真執行工藝紀律，并在經三檢（自檢、互檢和專檢）之后，方可進入下道工序。
2.5.2 構件的工藝流程
（1）地面定位基準線的畫線¬；
（2）專用組裝胎架的制作；
（3）鋼柱下翼緣的定位；
（4）鋼柱腹板安裝位置線的畫線；
（5）鋼柱中腹板的定位；
（6）鋼柱上翼緣的定位；
（7）組裝焊接；
（8）鋼柱側腹板的定位；
（9）組裝焊接；
（10）柱本體上零部件安裝位置線的畫線；
（11）鋼柱上各加勁板、隔板的安裝并焊接；
（12）鋼柱下端的小零件的安裝焊接（已預先進行好小合攏，并鉆孔）；
（13）鋼柱各水平牛腿及上側面直牛腿、斜牛腿的安裝；
（14）翻身定位并安裝鋼柱下側面直牛腿、斜牛腿；
（15）牛腿上加勁板、隅撐連接板安裝位置線的劃線；
（16）牛腿上加勁板、隅撐連接板的安裝；
（17）自檢、互檢、提交專職檢查員驗收合格后整體焊接；
（18）鋼柱重新定位、校正以及耳板安裝位置線的畫線；
（19）耳板的安裝及焊接；
（20）自檢、互檢合格后，提交專職檢查員及駐廠監理進行完整性驗收；
2.5.3 典型構件的裝焊細則示例：
①以構件18TZ8鋼柱為例說明：見圖11
（1）以Y型鋼柱18TZ8型為例說明見圖11
1）由于上、下翼緣板中間有一部分零件必須采用退裝焊法，否則就會造成有的零件板無法裝焊。
2）另外一定要按預訂的程序進行裝配焊接，以盡量減少焊接應力和變形。
3）所有組成構件的板，零件，小部件在組裝構件前均需按要求進行檢驗，合格后方可參與構件組裝,圖9。
（2）裝焊細則：
1）地面定位基準線的畫線
2）、專用組裝胎架的制作
3）、按照“2.6.2構件的工藝流程”中的3）～19）進行逐步畫線、吊裝和焊接各零部件（下底板、中腹板，中腹板，外腹板，上面板）以及各板件（連接板，加勁板等）和相關已合攏的各種牛腿（包括孔已鉆孔）注意在吊裝定位時，要對準該零部件在該構件的位置線、角度及螺栓孔與相關部件的位置精度。并在焊接時注意焊接程序，以盡量減少其對構件整體的應力應變，從而確保螺栓孔的精度。另外為避免在上、下面板和中、外腹板之間的加強板連接板裝好后無法焊接，采取逐步退裝法：即裝好一塊，焊接一塊，并檢查合格一塊；再裝、焊、檢下一塊，直至完成。
4）、畫好鋼柱上隅撐連接板及耳板安裝位置線；然后進行安裝焊接如下圖12。
5）完整性驗收如圖13
2.5.4 公差要求：
（1）、鋼柱高度：±1mm
（2）、鋼柱寬度：±2mm
（3）、腹板中心偏移：±1mm
（4）、翼緣板垂直度：±2mm
（5）、柱身彎曲矢高：L/1000mm，且不大于10mm
（6）、柱身扭曲：H/250，且不大于5mm
（7）、腹板局部平面度：2mm
（8）、牛腿最外側螺栓孔至柱中心線的距離：±1mm
（9）、牛腿端部到柱中心的距離：±2mm
（10）、牛腿上平面相互之間的開檔尺寸：±2mm
（11）、牛腿的翹曲或扭曲：2mm
（12）、柱底最外側螺栓孔至柱頂的距離：±1mm
3. 關于桁架構件的預拼裝說明
3.1 預拼裝的目的
由于本工程的帶狀桁架和引伸桁架結構非常復雜，如圖14所示，其安裝精度要求非常高，故本公司對已加工好的構件進行一次預拼裝，以檢測加工制作的精度，是否能保證現場拼裝及現場全栓結構的安裝質量達到規范、設計要求；亦即能否滿足現場一次拼裝和吊裝成功率，故在廠內進行桁架的預拼裝是非常必要的。
3.2 桁架構件預拼裝方法
由于桁架構件較大，整個外框水平投影尺寸則更大，是無法進行整體分段預組裝的。故根據工廠的拼裝平臺以及拼裝的目的，將構件分為若干個分區來進行拼裝，以檢驗構件加工的制作精度。
3.2.1 桁架寬度方向(水平方向)的預拼裝方法
構件在寬度方向上的預拼裝采用分段預拼的方法進行，現取其中兩個分區進行說明，如下圖15所示：
3.2.2 桁架高度方向的預拼裝方法
外框構件在高度方向上的預拼均采用兩節柱子為一個拼裝單元進行拼裝，下圖為23F~27F層高度方向單個預拼單元示意圖16：
3.2.3 外框構件的預拼裝細則工藝(以軸線T2-T4間的分區為例)
（1） 拼裝胎架面的確定：
為方便預拼裝，一般采用臥拼的方法進行.即將其中同一樓層面的節點的中心置于水平，同時保證鋼梁的面板垂直于大地，以利控制拼裝的精度及質量。
（2） 地面基準線的畫線
根據工藝所提供的預拼裝線型圖在平臺上進行定位基準線的畫設，即根據預拼裝單元的實際投影尺寸，在平臺上劃出節點和桿件在平臺上投影的X、Y方向的中心線及外形線等，同時畫出胎架模板設置的位置線，畫線后如下圖17所示：
（3）預拼裝胎架的設置要求
1）、由于預拼裝胎架是保證構件預拼裝精度的首要條件，因此預拼裝胎架必須有一定的承載力，并且必須保證胎架設置的正確性。
2）、本工程構件外形尺寸較大，且重量較重，故預拼裝胎架必須在重型平臺上進行預拼，以防止胎架發生沉降變形。
3）、 根據平臺上的胎架定位線進行胎架豎撐及斜撐的設置，使胎架自身有足夠的剛度。
4）、胎架豎撐設置后進行胎架模板的安裝，胎架高度必須嚴格控制，胎架高度按結構模型中的尺寸進行相應轉化，胎架標高定位采用全站儀進行精確定位，確保胎架的標高誤差不大于0.5mm，注意在露天作業環境下，為避免日照變化引起的溫差影響，此項工作應在凌晨或溫度相對穩定的情況下實施。
5）、胎架模板的設置，必須保證節點和外筒柱的定位方便，且要安全可靠，因此，需設置專用定位模板，如下圖示，胎架模板須采用數控切割，以保證胎架的組裝定位精度。胎架模板示意圖見圖18。
6）、胎架設置后，必須進行自檢自查，然后提交專職質檢員進行驗收，合格方可使用，設置后的拼裝胎架如圖19所示：
（4） 外框柱節點的定位
1）、定位前必須根據工藝要求在節點的柱端部分畫出拼裝定位中心線。
2）、 然后將第一個Y形節點吊上胎架，根據地面外形線以及定位中心線進行定位，即把Y形節點端口的拼裝定位中心線分別對齊地面中心線，同時將各端口分別對齊地面基準線，再檢測各控制點的水平標高是否符合要求，如有誤差進行調整，直至滿足拼裝要求，在定位過程中配以全站儀進行精確定位，定位后與胎架搭焊牢固，并將其端口用槽鋼支撐牢靠如圖20所示：
3）、分別依次進行其它柱節點的定位，其要求及方法與上相同，定位過程如圖21所示：
4）、然后將外框柱節點間的連接板分別用銷軸或螺栓進行固定（銷軸或螺栓的直徑比螺栓孔小1mm以內），如圖22所示
（5） 與外框柱相連的水平梁及斜撐的定位
在柱節點定位后，逐步吊裝與外框柱相連的水平梁及斜撐的定位，水平梁及斜撐定位時要小心輕放，不得與柱節點產生撞擊，以防移動節點，定位時將其中心線對齊地面中心線，在保證中心線后查看端部與節點間的連接，即焊縫間隙，板邊差，連接板對接接口等，對超差要進行修整，以符合安裝要求，與外框柱相連的水平梁及斜撐定位后如下圖23所示：
3.2.4 檢查、測量驗收和標記
外框構件定位結束后，通過精確調整進行自檢自查，然后組織相關人員進行整體檢查、測量和驗收，對于關鍵部位的測量，如坡口間隙、板邊差、構件開檔尺寸、斜撐與柱及梁的角度、整體線型等必須填寫預拼裝記錄；預拼裝檢查驗收后，進行構件間的對號入座標記，鋼梁在兩端標明各自對應的軸線號，明確現場安裝方向，同時在現場連接處打上對合標記線，作為現場安裝的依據。
3.2.5 公差要求見表1
4.結語
珠江城煙草大廈工程與一般的超高層建筑（高度為309米）的不同之處在于：它將風力發電首次運用在超高層建筑上。風能發電是珠江城節能的一大亮點，由于珠江城建筑朝向南偏東13度，可充分利用廣州市的東南風資源，為此在大樓的中部和上部設備層設置高性能的風渦輪發電機四臺，開創了在超高層建筑上運用風力發電的先河。因此，其鋼結構就必須按因迎面受風而引起建筑的震動等特殊受力狀況來進行設計。為減少現場安裝工作量大接頭設計成全部用高強螺栓連接，這種在高309米的超高層建筑的現場安裝時采用全栓聯接形式，在我國超高層建筑史上是第一次！
要確?，F場全栓結構安裝時100%的通孔率，就必須在加工制作和預拼裝時，對構造極其復雜且螺栓孔非常密集的鋼結構件的精度有嚴格的要求和確保措施。
為此，我們滬寧通過技術攻關，確定“化整為零，精益求精”的指導思想，只有提高單件精度，才能確保整體的質量：對每個組成鋼構件的板件，小零件，小部件的下料，加工制作，拼裝，焊接矯正等各道工序都嚴格把關；不驗收合格絕不流入下道工序的質量過程控制。
這種嚴謹的工作作風，精益求精的工作態度，對科技創新的執著追求，才能使工程的質量得到充分的保證。
作者簡介：高繼領（1972-）江蘇滬寧鋼機股份有限公司副總經理，高級工程師，
聯系地址：江蘇省宜興市張渚鎮百家村214231
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