李 輝，徐進(jìn)賢，蒯 軍，陳 偉，伍 凱

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210024；2.江蘇新藍(lán)天鋼結(jié)構(gòu)有限公司，江蘇 南京 211111)

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)力提高和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們?cè)诒ＷC建筑結(jié)構(gòu)安全使用的前提下，開始追求建筑形態(tài)美感[1-3]。濟(jì)南市黃金時(shí)代廣場(chǎng)西地塊A座主樓工程，由于建筑形式的需要，采用在過渡區(qū)域雙柱合二為一的分叉柱結(jié)構(gòu)形式。分叉柱體量大，單分叉柱最大質(zhì)量為44.22t，制作和安裝過程需分節(jié)段進(jìn)行；制作過程中涉及大厚度高建鋼板的焊接，焊接困難；施工過程繁瑣，安裝困難，需統(tǒng)籌考慮其他鋼結(jié)構(gòu)工程與混凝土結(jié)構(gòu)工程的施工進(jìn)展。本文針對(duì)分叉柱制作和安裝過程中的重難點(diǎn)進(jìn)行分析，并提出解決方法。

1 工程概況

黃金時(shí)代廣場(chǎng)西地塊A座主樓項(xiàng)目位于山東省濟(jì)南市奧體西路與經(jīng)十路輔路交叉口東北角，工程總投資5億元，占地面積1萬(wàn)m2，建筑面積14.6萬(wàn)m2。工程結(jié)構(gòu)體系為外側(cè)鋼框架+型鋼混凝土核心筒，地下4層，地上45層(不含機(jī)電層)，建筑總高度218m。核心筒結(jié)構(gòu)為型鋼柱和混凝土剪力墻；外框結(jié)構(gòu)為鋼板焊接柱、箱形鋼柱和鋼梁。鋼結(jié)構(gòu)主要分布于外側(cè)鋼框架、地下室、塔樓及多功能廳屋蓋，總用鋼量約為14 500t。

外側(cè)框架鋼柱從地下4層生根，共48根。從第3層開始外側(cè)鋼柱與內(nèi)側(cè)鋼柱合并，至地上9層后，合并為1根。9層以上外框鋼柱減少一半，變?yōu)?4根。分叉柱位于結(jié)構(gòu)第3～9層。本文研究分叉柱的交匯節(jié)點(diǎn)區(qū)域，位于結(jié)構(gòu)的5～9層。工程整體結(jié)構(gòu)與分叉柱形式如圖1所示。

圖1 工程結(jié)構(gòu)形式

2 分叉柱制作技術(shù)

2.1 重難點(diǎn)分析及解決措施

2.1.1重難點(diǎn)分析

1)分叉柱形式復(fù)雜、體量巨大

分叉柱共24根，單根柱質(zhì)量為44.22t。在分叉柱制作過程中，如按照一個(gè)整體對(duì)分叉柱進(jìn)行下料、焊接、運(yùn)輸、吊運(yùn)，施工難度較大。統(tǒng)籌考慮分叉柱下料、焊接、運(yùn)輸、吊運(yùn)的全過程，提出將分叉柱進(jìn)行分節(jié)段處理。在工廠中進(jìn)行分節(jié)段的下料和焊接，施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分節(jié)段吊運(yùn)并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接。南北側(cè)分叉柱如圖2所示。考慮到焊接制作難度與超限車輛運(yùn)輸能力，分叉柱按照1層1節(jié)劃分，分節(jié)位置在各層層高向上1.2m處。6～9層分叉柱節(jié)段依次是FCZA-1，F(xiàn)CZA-2，F(xiàn)CZA-3，F(xiàn)CZA-4。考慮到運(yùn)輸與吊裝條件，6～8層分叉柱節(jié)段分2塊加工運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)高空拼裝；9層分叉柱節(jié)段按整體加工運(yùn)輸。分叉柱的分割位置應(yīng)錯(cuò)開中間加勁板，且相鄰樓層分割位置應(yīng)左右錯(cuò)開。南、北側(cè)分叉柱分節(jié)如圖3所示。

圖2 南北側(cè)分叉柱位置及形狀

圖3 南北側(cè)分叉柱分節(jié)

東、西側(cè)分叉柱位置及形狀如圖4所示。東西側(cè)分叉柱按照1層1節(jié)劃分，分節(jié)位置在各層層高向上1.2m處。6～9層分叉柱節(jié)段依次為FCZC-1，F(xiàn)CZC-2，F(xiàn)CZC-3，F(xiàn)CZC-4。5～6層分叉柱節(jié)段分2塊加工運(yùn)輸；7～8層分叉柱節(jié)段按一個(gè)整體加工運(yùn)輸。分叉柱相鄰樓層分割位置應(yīng)左右錯(cuò)開。東、西側(cè)分叉柱分節(jié)如圖5所示。

圖4 東、西側(cè)分叉柱位置及形狀

圖5 東、西側(cè)分叉柱分節(jié)

2)分叉柱制作涉及大厚度鋼板焊接

分叉柱由多塊復(fù)雜形狀高建鋼板焊接而成，部分鋼板厚度為80mm。焊接工藝復(fù)雜，焊接過程易導(dǎo)致鋼材開裂并且焊接速度難以保證[4-6]。

2.1.2解決措施

結(jié)合工程特點(diǎn)及各種焊接方法的焊接質(zhì)量、焊接速度、操作方便程度、全位置焊接性能、抗風(fēng)能力、焊接成本等因素，選擇半自動(dòng)實(shí)芯焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊(GMAW-CO2)為主要焊接方法，焊條電弧(SMAW)、藥芯焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊(FCAW-G)為輔助焊接方法[3]。

焊接工作開始后，首先對(duì)端面進(jìn)行精細(xì)加工，清除對(duì)接端200mm范圍內(nèi)的水漬、油漬、鐵銹等影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)。然后采取電加熱帶的方式對(duì)大厚度鋼板的對(duì)接端80mm范圍內(nèi)進(jìn)行焊前中間熱處理，達(dá)到防止焊接裂紋產(chǎn)生、減少焊接應(yīng)力的作用。焊接過程對(duì)焊接工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制，利用紅外線測(cè)溫儀隨時(shí)監(jiān)測(cè)焊縫層間溫度。當(dāng)層間溫度小于預(yù)熱溫度時(shí)，應(yīng)采取氧-乙炔火焰加熱方式重新進(jìn)行加熱。焊接過程需保證冷卻速度、控制堆焊速度。焊接完成后對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行二次熱處理，進(jìn)行150～200℃2h的火焰后熱和300～400℃2h的消氫處理，再包裹石棉布進(jìn)行緩冷[7]。

2.2 制作關(guān)鍵技術(shù)

1)編制分叉柱制作工藝文件指導(dǎo)書 指導(dǎo)書內(nèi)容包括：施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、制作單位質(zhì)量保證體系、制作質(zhì)量保證措施、下料工藝與精度要求、考慮施工荷載作用下結(jié)構(gòu)變形的全過程分析、復(fù)雜異形分叉柱合理分節(jié)、生產(chǎn)場(chǎng)地布置、加工焊接設(shè)備和工藝裝備、焊工和檢查人員的資質(zhì)證明、各類檢查項(xiàng)目表格和生產(chǎn)計(jì)劃表等。

2)材料采購(gòu)、驗(yàn)收與堆放 鋼結(jié)構(gòu)所涉及的主要材料(鋼板、型鋼、地腳螺栓等)和其他材料(包括焊材)在合格的分供方范圍內(nèi)進(jìn)行采購(gòu)。材料到場(chǎng)后按相應(yīng)國(guó)家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和圖紙有關(guān)技術(shù)要求，核查質(zhì)量證明書、材料標(biāo)識(shí)及外觀質(zhì)量等內(nèi)容，逐項(xiàng)檢查驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后入庫(kù)處理并妥善保存。

3)分叉柱分節(jié)設(shè)計(jì) 分叉柱形式復(fù)雜，體量巨大。統(tǒng)籌考慮分叉柱下料、焊接、運(yùn)輸、吊運(yùn)的全過程，將分叉柱進(jìn)行分節(jié)段處理。

4)放樣下料、預(yù)拼接與坡口加工 按分叉柱施工深化加工圖，同時(shí)根據(jù)訂貨鋼板板幅，繪制出分叉鋼各板件下料排版圖或尺寸表。全部零件在放樣下料前，必須在XSTEEL軟件中進(jìn)行1∶1建模，并等比例出圖，然后進(jìn)行放樣。下料前，對(duì)易產(chǎn)生層間撕裂的部位進(jìn)行檢驗(yàn)分析，采用合理的坡口形式和角度。在鋼結(jié)構(gòu)加工廠對(duì)下料板件進(jìn)行1∶1預(yù)拼，檢驗(yàn)合格后預(yù)留最后1節(jié)，與后面工件拼裝，保證工件整體尺寸。厚板對(duì)接焊縫坡口采用半自動(dòng)切割機(jī)或刨邊機(jī)進(jìn)行加工。

5)全過程監(jiān)測(cè)構(gòu)件加工 板材下料過程中，為保證各板件下料精度，使用三維激光掃描儀對(duì)構(gòu)件下料加工進(jìn)行全過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)三維激光掃描儀提示下料尺寸偏差大于指導(dǎo)書中編制的下料監(jiān)測(cè)誤差要求時(shí)，操作人員對(duì)下料機(jī)進(jìn)行調(diào)整。

6)焊接鋼板形成分叉柱各節(jié)段 工程中涉及大厚度鋼板焊接，按照焊接工藝參數(shù)與具體操作規(guī)范進(jìn)行焊接。

7)焊接殘余變形控制與矯正 為減少厚板焊接殘余變形，在焊接前、中、后階段均采用合理措施進(jìn)行控制。焊接前對(duì)分叉柱進(jìn)行分體設(shè)計(jì)，避免施焊作業(yè)面有較大收縮量差值。焊接過程中，收縮量大的部位先焊，收縮量小的部位后焊，并做好焊接后的保溫措施。同時(shí)在焊接過程中采用加熱和振動(dòng)相結(jié)合的方式削減焊接殘余應(yīng)力，避免較大焊接殘余變形出現(xiàn)。

焊接完成后進(jìn)行火焰加熱矯正。加熱區(qū)域尺寸會(huì)影響材料二次變形，因此，加熱區(qū)域盡可能小，避免冷卻后產(chǎn)生較大收縮變形。矯正加熱溫度為600～800℃，同一部位加熱矯正不得超過2次。當(dāng)鋼材加熱至矯正溫度時(shí)，對(duì)殘余變形區(qū)域施加外力矯正。矯正時(shí)應(yīng)控制單次矯正量，并做到變形區(qū)域統(tǒng)一矯正。矯正完成后應(yīng)采用自然冷卻方法，不得澆水冷卻，當(dāng)殘余變形去除或滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，停止矯正，進(jìn)行下道工序。

8)無損檢測(cè)、編號(hào)入庫(kù) 焊后24h內(nèi)對(duì)焊縫進(jìn)行100%超聲檢測(cè)(UT)和100%射線檢測(cè)(RT)。檢測(cè)結(jié)果分別達(dá)到GB/T 11345—2013 《焊縫無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》[7]B I級(jí)和GB/T 3323—2005《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》[8]II級(jí)的要求。分叉柱各分節(jié)段經(jīng)檢查合格后，用油漆在管口上端對(duì)其進(jìn)行編號(hào)標(biāo)識(shí)。

3 分叉柱安裝技術(shù)

3.1 重難點(diǎn)分析

1)分叉柱體量較大 單個(gè)分叉柱質(zhì)量高達(dá)44.22t，分叉柱節(jié)段質(zhì)量為15.28t。運(yùn)輸過程需考慮超限車輛運(yùn)輸能力。吊裝過程需考慮吊運(yùn)設(shè)備吊裝能力、工程所在場(chǎng)地地基承載力、施工現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸?shù)缆泛筒牧隙逊诺纫蛩亍?/p>

2)分叉柱吊裝定位困難 在節(jié)段吊運(yùn)過程中需對(duì)節(jié)段位置進(jìn)行控制和調(diào)整。被吊起的節(jié)段在高空中會(huì)由于風(fēng)的作用、吊運(yùn)設(shè)備的振動(dòng)而發(fā)生空間旋轉(zhuǎn)。高空中對(duì)節(jié)段位置的確定和節(jié)段空間的調(diào)整存在很大困難。分叉柱安裝過程涉及各節(jié)段焊接操作，焊接前需保證構(gòu)件在誤差允許的空間范圍內(nèi)。

3)分叉柱安裝流程繁瑣 分叉柱分節(jié)設(shè)計(jì)加大了現(xiàn)場(chǎng)施工組織難度。同時(shí)由于現(xiàn)場(chǎng)分叉柱施工需與外側(cè)鋼框架施工進(jìn)行配合，需統(tǒng)籌考慮各項(xiàng)工程施工進(jìn)展，制定合理的分叉柱安裝流程方案。

3.2 安裝關(guān)鍵技術(shù)

1)節(jié)段吊裝驗(yàn)算 工程現(xiàn)場(chǎng)布置2臺(tái)塔式起重機(jī)，如圖6所示。2臺(tái)塔式起重機(jī)最大吊重為12t(2倍率)。東西側(cè)、南北側(cè)分叉柱各節(jié)段外形尺寸和質(zhì)量如表1所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)塔式起重機(jī)布置，考慮鋼柱最不利布置，對(duì)外框分叉鋼柱吊裝工況進(jìn)行分析，當(dāng)不滿足吊裝需求時(shí)，按照運(yùn)輸單元現(xiàn)場(chǎng)分段吊裝。當(dāng)滿足吊裝需求時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)先拼裝后整段吊裝。分析結(jié)果如表2所示。

表1 分叉柱吊裝單元

表2 吊裝工況分析

圖6 塔式起重機(jī)布置

2)重心確定與吊點(diǎn)布置 為使分叉柱各分節(jié)在起吊時(shí)平穩(wěn)，就位操作時(shí)順利、安全，避免出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、歪斜、傾翻等現(xiàn)象，在吊裝前首先要確定構(gòu)件重心位置?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)每段柱節(jié)的實(shí)際情況，通過詳細(xì)計(jì)算確定其重心，并根據(jù)其傾斜角度畫出吊裝時(shí)的重心線，方便吊點(diǎn)布置。根據(jù)分叉柱節(jié)段形式共有2種吊點(diǎn)布置方法：?jiǎn)蔚觞c(diǎn)設(shè)置適用于無復(fù)雜節(jié)點(diǎn)、重心明確的構(gòu)件，帶彎折的柱節(jié)或傾斜角度≤20°的柱節(jié)；雙吊點(diǎn)布置適用于傾斜角度較大柱節(jié)及柱身較長(zhǎng)柱節(jié)。

3)各節(jié)段安裝位置控制 為保證建筑物整體效果，同時(shí)為解決塔樓分叉柱節(jié)安裝精度要求高、跨度大、測(cè)量控制困難等問題，制定各節(jié)段安裝定位、校正方法[9-10]。首先在進(jìn)場(chǎng)的斜柱頂面焊接2根交叉鋼條(穿過柱心)，標(biāo)記柱頂中心點(diǎn)，并在柱外側(cè)壁用紅油漆明顯標(biāo)識(shí)；吊裝過程用全站儀在混凝土板面上放樣出分叉柱頂中心點(diǎn)、斜柱傾斜方向投影中心線及投影中心線的垂線，并將投影線和垂線延長(zhǎng)至通視良好的安全位置，均做出明顯標(biāo)識(shí)，供校正時(shí)架設(shè)經(jīng)緯儀；校正時(shí)將2臺(tái)經(jīng)緯儀分別架在2條中心線上，鎖定儀器水平方向。當(dāng)儀器豎直方向上的視線對(duì)準(zhǔn)斜柱柱頂中心線標(biāo)志并重合時(shí)，校正完畢，加固；加固完成后以全站儀復(fù)測(cè)柱頂三維坐標(biāo)，如果超出允許誤差范圍則重新校正。

4)分叉柱安裝過程焊接流程 焊接變形、焊接應(yīng)力是鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量控制的重難點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)施工過程中兩者往往存在矛盾，因此，必須擬定正確的焊接順序，才能減小焊接變形及焊接應(yīng)力。分叉柱焊接順序?yàn)椋轰撝砭壈逑却虻缀附?，然后焊接腹板及加勁板，最后焊接翼緣。?duì)于存在密閉空間的構(gòu)件，焊縫部位預(yù)留蓋板(開天窗)焊接。焊接完成并檢測(cè)合格后，再焊接蓋板。

5)分叉柱安裝流程 分叉柱分節(jié)加大了現(xiàn)場(chǎng)施工組織難度，同時(shí)由于現(xiàn)場(chǎng)分叉柱施工需與其他鋼結(jié)構(gòu)施工、混凝土結(jié)構(gòu)施工同時(shí)進(jìn)行，兩者之間需合理考慮才能保證施工有條不紊地進(jìn)行[11-12]?？紤]現(xiàn)場(chǎng)施工組織，制定了分叉柱施工流程：安裝分叉柱2根節(jié)段→安裝柱間鋼梁和核心筒連接鋼梁→按順序依次完成各層安裝。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程針對(duì)分叉柱加工和制作過程中的重難點(diǎn)進(jìn)行分析并采取解決措施。

1)分叉柱形式復(fù)雜、體量大，單個(gè)分叉柱質(zhì)量高達(dá)44.22t、車輛運(yùn)輸超限。對(duì)分叉柱進(jìn)行分節(jié)段設(shè)計(jì)，工廠按各節(jié)段進(jìn)行下料、焊接；制作完成后分節(jié)段運(yùn)輸；現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分節(jié)段吊裝與焊接，保證順利施工。

2)分叉柱工廠制作過程涉及大厚度高建鋼板焊接，部分鋼板厚度高達(dá)80mm。針對(duì)上述問題，對(duì)大厚度鋼板焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化，采用以半自動(dòng)實(shí)芯焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊(GMAW-CO2)為主，焊條電弧(SMAW)、藥芯焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊(FCAW-G)為輔的焊接方法。在焊接過程中嚴(yán)格執(zhí)行焊接要求，保證焊接質(zhì)量。

3)分叉柱分節(jié)段后，節(jié)段最大質(zhì)量高達(dá)15.28t，吊裝困難；施工需與型鋼混凝土結(jié)構(gòu)及其他鋼結(jié)構(gòu)施工進(jìn)行配合。因此，對(duì)吊運(yùn)過程、吊運(yùn)方法、節(jié)段高空定位與糾偏等問題進(jìn)行分析，提出系列方法，保證分叉柱順利安裝。