江东和谐广场钢结构工程施工过程控制浅析

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  0.工程概况
  江东和谐世纪项目地处昆明市北市区小康大道的黄金地段,由和谐广场、和谐家园两部份组成,是集五星级酒店、5A级写字楼、高品质住宅、购物广场于一体的超大型城市综合体项目。其中“和谐广场”由两幢互为对称的超高层双子塔楼和一幢写字楼组成,通过底部裙房连接成一个整体。两幢塔楼分别为B座塔楼和D座塔楼,地下3层,地上54层,塔楼顶部标高211.75m,其中1~5层为裙房,裙房高25.8m,总建筑面积为388880.75m2。
  1.此项目特点及施工难点
  1.1工程特点
  江东和谐世纪B、D座塔楼均为钢框架-核心筒结构,抗震设防基本烈度为8度,总用钢量约4万吨。核心筒部分为27.5×15.6m的钢筋混凝土剪力墙结构,其墙体厚度由底部的1m逐渐减小到顶部的0.5m,内埋H型、双H型和十字型劲性柱共26根,劲性钢骨截面类型为十字柱和H型钢柱,十字柱最大截面为650×350×25×35,H型钢柱最大截面为H650×350×25×35,材质为Q345 GJB。外部为钢框架结构,塔楼平面尺寸为51.6×39.7m,B、D座塔楼四周分布着56根箱型柱,钢柱最大截面为□1100×35,最小截面为□600×20,材质均为Q345GJB,内灌混凝土。地上部分通过H型钢梁与内部核心筒连接,H型钢梁截面有H600×300×12×20、H450×450×16×30、H450×250×10×20、HN400×200×8×13等,材质为Q345B。为了增强整体结构的刚度,在第19、33和47层设置了伸臂桁架。核心筒、外框架和伸臂桁架共同构成整体抗侧力体系。
  核心筒劲性钢骨 地上外框箱型柱 地上外框主、次梁 伸臂桁架
  1.2施工难点
  1.2.1现场施工场地狭小
  本工程地处市中心,塔楼临近四周现有建筑物,现场施工区域狭小,现场构件临时吊装场地狭小,现场没有构件堆放场地。
  场地实际情况
  1.2.2超高层建筑对工程测量控制要求高
  在钢结构施工中,垂直度、轴线和标高的偏差是衡量工程质量的重要指标,测量作为工程质量的控制阶段,是保证钢结构安装质量以及工程进度的关键工序。本工程为超高层建筑,对精度的控制相对于普通的高层结构要求更严,故无法利用常规的高层结构测量手段来测量、定位,需要制订专门的测量技术方案,实施难度大,技术要求高,过程复杂繁琐。
  整体效果图
  1.2.3不利环境下的焊接质量控制
  “四季如春,一雨成冬”,这是昆明地区气候特征,反应了当地的气候变化突然,温差变化大,风速大。本工程施工周期长达2年,需经历一年四季各个不同季节的施工,特别是作为超高层结构,高空风力影响较大,如何确保在复杂的气候条件下的钢结构焊接是保证工程顺利实施的重要环节。
  1.2.4垂直运输设备协调使用问题对超高层混合结构建筑施工影响较大
  超高层建筑由于建筑高度较高,施工电梯、塔吊每次往返地面和作业层所花的时间也比较长,如何合理利用垂直运输设备,满足土建、钢结构、机电及其它各专业分包队伍的使用需求,减少窝工现象,对垂直运输设备的规划管理提出了非常高的要求。
  1.2.5影响施工过程中钢柱实际下料长度的因素
  混凝土和钢材两种材料弹性模量差别较大,随着结构的不断增高,钢—混凝土结构核心筒混凝土与外框钢柱压缩、焊接收缩变形不断增大,变形的绝对值差别也比较大,且混凝土材料还存在干缩变形,钢柱有焊接收缩变形。如何协调结构之间的变形差异,确保施工阶段的结构变形不至于影响结构的安全和工程竣工后的使用功能是很严峻的问题。
  2.施工关键点控制措施
  2.1场地狭小问题的处理
  业主规划B、D塔楼的西北面作为电影城商业区的绿化用地,南面是C座,所以只有东面10米宽的通道作为钢结构临时吊装场地,因临时吊装场地狭小且业主要求与土建交替使用且不能囤积构件,所以只能采用一边卸车一边吊装方式。B、D塔西面 1/G~L轴构件只能在东面吊装,没在内爬塔的起吊范围内,所以需要通过外爬塔转运到内爬塔起重范围内,再用内爬塔将B、D塔1/G~L轴构件吊装到相应位置。
  钢构件现场临时堆放示意图
  2.2钢柱吊装
  现场钢结构安装从平面分成核心筒内劲性钢骨及筒外钢框架安装两个安装阶段,所以每座塔楼钢构件均由1台TC7052外附式塔吊和1台SCM-C7050B内爬式塔吊完成吊装作业。外附塔长60m,位于B~C轴交16轴线上;核心筒内布置一台塔吊,位于1/G-H轴交16-17轴线处,外附式塔吊先安装,内爬塔借助外附式塔吊后安装。
  地上部分核心筒施工是影响整个工程进度的关键,可以利用核心筒的钢骨柱混凝土养护时间来满足外框钢结构的安装,所以核心筒需要领先外框钢结构安装层6-8个楼层。
  整个工程框架柱采取分段吊装,钢柱分段位置在超过结构层梁顶面1.3米的高度处,主楼外框钢柱满足吊重为3层一段,同时主楼外框架钢结构安装时,每安装一根钢柱紧接着安装该柱与其它柱、核心筒相连的钢梁,以固定外框柱,楼面H型钢梁等构件均散件安装。
  B、D座塔吊定位图
  地下部分浇筑完成 核心筒安装6-8层后 主体结构施工完成
  地上第1层外框架安装
  核心筒及外框架钢柱安装
  2.3工程测量控制
  根据本工程测量难度大、精度高的特点,结合该工程的现场实际情况,采用“外控法”的总体测量思路,遵循“由整体到局部”的测量原则。具体测量思路如下:
  第一步:根据昆明市一级控制点的坐标和高程,对业主提供的基准点进行复测,验证其准确性。
  第二步:依据复测后的基准点,利用”外控法” 在B、D座塔楼周围各布置4个主控制点。   第三步:基于4个主控制点,利用导线往返观测的方法,在首层外框架和核心筒之间布设一个矩形控制网。
  第四步:利用激光铅垂仪对控制点进行垂直引测。
  在浇筑各楼层时,必须在相应的位置预留200mm×200mm与首层层面控制点相对应的小方孔。
  控制点的点位接收示意图
  第五步:此项目安装钢柱时的具体测量控制。
  钢柱的定位控制主要从地面基础轴线开始,在每节钢柱安装时,始终以地面基础轴线为控制基准来进行安装,绝对不能采取下节钢柱来控制上节柱,避免累积误差;在上节钢柱安装时,虽然不能完全借用下节柱的轴线,但要把下节柱的轴线偏差尽可能的改正过来,在安装过程中,要反复定位调整,保证焊接后轴线的准确性。当钢柱安装就位且位移无误后,在xy方向各安置一台经纬仪,若条件允许,仪器尽可能安置在定位轴线上进行校正,同时土建绑扎钢筋支模都会对钢柱的垂直度产生影响,因此须全程进行测控,发现问题及时采取有力措施进行成品保护。
  为了使每节柱子都能按设计标高进行安装,可以把上柱和下柱临时连接板螺栓孔径由20毫米扩大到22毫米,由于各柱子焊缝收缩量不一致,加工厂加工柱子时长度的允许偏差虽然要求是毫米,但实际尺寸出入还是很大的,一节柱子安装后柱顶标高就产生很大变化,往往超过规范允许的±5毫米范围内,利用临时连接板上孔径的裕量,就能把每节柱子产生的标高差,调整到±5毫米范围内,上柱和下柱就靠四面的临时连接板支撑,其空隙在焊接时进行处理。每安装一节柱后,对柱顶进行一次标高实测,误差超过偏差时,采用螺栓千斤顶进行调整。
  垂直度校正主要是依靠揽风绳和手拉葫芦,直至焊接完成后,把与核心筒外侧四角钢柱成90°的两条控制线分别向核心筒内侧引出1200mm,在控制线上架设两台经纬仪,照准钢柱的中轴线平移引出的控制线同时监测,再将钢柱的实测中轴线利用钢尺返测至钢柱上,与钢柱自身中轴线相比较,直到两个方向的轴线上下为同一垂直线。
  钢柱标高及垂直度的测量原理图
  钢柱标高、垂直度及轴线校正实际操作
  2.4焊接质量控制
  2.4.1本工程焊接特点
  本工程为一类超高层结构,钢柱、钢梁对接焊缝的质量等级均为一级焊缝,并且经历冬季施工,同时外框柱材质为Q345GJB,楼层钢梁材质为Q345B,故我们在进行钢结构焊接时选用NB-500型半自动保护焊机及有风雨雪情况下设置专门的焊接防风防雨棚、预热和焊后保温措施。
  2.4.2焊接顺序
  以控制应力、应变为准则,详细制定焊接顺序,严禁将合拢焊口布置在杆件应力集中的地方。就整个框架而言,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,先形成框架后再向左、右扩展焊接。
  对于柱~柱的对接施焊,应由两名焊工同时从两侧不同方向对称焊接,两人先焊接其中一边焊缝高度的40%,再进行另一边焊缝40%的焊接,之后再进行焊接剩余60%的焊缝,最后结束整个对接焊缝的焊接。在焊接过程中需要注意层间温度,防止层间温度过高。当焊缝过长时,采用分段跳焊法,但要保证两焊工同步,减少变形。在焊接最后一层时需一次焊完,不得分段焊接,同时在柱转角处注意成型。
  外围箱型柱焊接顺序
  劲性H型钢柱对接形式
  (腹板对接焊缝顺序为先焊工1,背面清跟,再焊工2)。
  对于柱~梁连接的焊接而言,先焊接梁的腹板与柱连接板,再焊接梁的翼板与梁的连接板。焊接梁的腹板时,两人同时焊接,直至焊接完成;焊接梁的翼板时,若空间允许,两人对称焊接,保证焊接同步。否则按如下顺序进行焊接:先进行上翼板焊缝30%的焊接,再进行下翼板焊缝30%的焊接,之后结束上翼板的焊接,最后结束下翼板的焊接。
  2.4.3现场焊接操作工艺
  (1)预热处理:
  对较厚板件(大于25mm),在T型接头、角接接头和十字形接头中应采取防止层状撕裂的措施。措施包括:焊前预热,焊后缓慢冷却,仔细清除焊丝及坡口的油锈、毛刺及水份等;预热的加热区域应在焊接坡口两侧,宽度应各为焊件施焊处厚度的15倍以上,且不小于100mm;预热温度宜在焊件反面测量,测温点应在离电弧经过前的焊接点各方向不小于75mm处;当用火焰加热器预热时正面测温应在加热停止后进行。
  (2)焊后消氢处理:
  消氢处理的加热温度应为200℃~250℃,保温时间应依据工件板厚按每25mm板厚不小于0.5h,且总保温时间不得小于1h,达到保温时间后应缓慢冷却至常温。
  (3)减少收缩量措施:
  在保证焊透的前提下采用小角度,窄间隙焊接坡口,以减少收缩量。提高构件制作精度,构件长度按正偏差验收。采用小热输入量,小焊道,多道多层焊接方法以减少收缩量。
  2.4.4低温焊接措施
  为保证焊缝不产生冷脆,负温度下焊接用的焊丝,在满足设计强度的要求下,优先选用屈服强度较低、冲击韧性好的低氢型焊丝。低温气候焊接施工前,应先检查焊接防护棚,上部允许稍透风、但不渗漏雨水,兼具防一般小物体的打击功能,中部宽松,但能抵抗强风的侵扰,不致使大股冷空气透入,平台底面防护采用阻燃材料遮蔽严实,防止劲风从底部侵入。焊前加热消除焊缝两侧母材与焊缝区的强烈温差,最大限度地减缓钢材在板厚方向由热胀时压应力到冷缩时拉应力的转换过程,最大可能地促使焊缝接头均匀胀缩,保证厚钢板焊接质量。
  厚板焊接时,焊缝层间温度应始终控制在100~120℃之间,每个焊接接头应一次性焊完;施焊前,注意收集气象预报资料,若恶劣气候即将到来,而焊缝已开焊,要抢在恶劣气候来临前,至少焊完板厚的1/3 方能停焊,且严格做好后热处理,并进行保温处理。
  环境温度低于零度时,焊接完成后,在自检外观质量符合要求后,立即实施后热处理。使用两把烤枪对焊缝区域进行烘烤,使后热温度达到250℃,并持续保持该温度120分钟,这一过程可通过红外测温仪来测量控制,完成后热处理后,在焊缝外面加盖至少40~80mm 厚的保温棉,使焊缝缓慢冷却,达到常温后,方可除去保温措施。
  钢柱、钢梁焊接时候的防风防雨棚
  低温焊接焊后保温措施
  2.4.5无损检测
  在完成焊接24小时之后,对焊缝进行探伤检验,其检验方法需按照《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ81-2002)和《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》(GB/T11345)规定进行。
  钢柱、钢梁焊缝超声波无损检测
  2.5垂直运输设备协调使用
  由总包单位牵头,各个施工单位参加,制定一个合理的总体垂直运输设备使用计划,每周开会对本周各施工单位需使用垂直运输设备情况进行汇报协调。每天沟通,对各施工单位第二天需使用垂直运输设备进行确认,使每个施工单位错时使用,如:工人错时上下班,避开垂直电梯的使用时间等等,达到设备使用、工人施工效率最大化。
  2.6钢柱实际下料长度的调整
  在施工前我们采用计算机仿真技术,模拟实际施工过程进行验算,并依据计算结果确定变形协调措施,计算出每层钢柱需要协调的压缩、焊接收缩变形值,在深化设计中对变形值进行考虑,同时在施工过程中,通过测量对变形值进行偏差校核,并对钢柱进行调整。
  3.结束语
  通过采取以上各项技术措施,本工程在第三方测量检测单位的施工过程跟踪监测中,每节柱段长度12m钢柱垂直度全部在10mm之内,满足规范要求的H/1000的规定。钢柱现场焊缝在第三方检测中,合格率为100%,工程施工质量良好。
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