安徽国际金融贸易中心超高层钢结构圆管柱施工技术

摘 要 安徽国际金融贸易中心超高层--B塔，目前是安徽省已建成第一超高层，钢管柱施工安装精度控制是工程施工质量控制的重点内容之一。合理布设测控网，科学的测控手段结合正确的纠偏手段，并严格按照焊接工艺要求实施焊接，是本工程钢管柱精度控制的着眼点。
关键词 超高层，圆管柱，测量，焊接
1 工程概况
安徽国际金融贸易中心工程位于合肥市中心，北临清碧护城河，南眺繁华闹市，是由一栋26层（A塔）、一栋57层（B塔）的写字楼、5层（局部7层）的商业裙房和3层地下室组成，如图1。其中B塔为一矩形立方体超高层框架－核心筒结构建筑，东西宽为43.2m、南北长为42.6m,地下三层，负三层楼板标高为-14.45m，地上57层,标高为224.05米，在其顶部另设有二层电梯机房，屋顶标高为238.1m，屋面外广告架标高为239.45m。目前是安徽第一高度的高层建筑。B塔外框由18根直径φ1450~φ1000mm的圆管柱和多种规格的H型钢梁组成，核心筒为框架剪力墙结构，内部设10根劲性钢骨柱。



2 超高层钢结构圆管柱施工质量控制技术
对于超高层结构，尤其是超高层钢结构建筑，受施工环境、钢材热胀冷缩特性、施工工艺等因素影响，施工质量控制难度较大。同时，作为民生工程的甲级写字楼项目，工程施工质量，尤其是工程实体的耐久性、高层结构垂直度、钢结构焊接质量、钢构件锚固质量等方面是钢结构施工质量控制中的重点内容。本文主要从超高层钢结构建筑中圆管柱的垂直度控制和焊接质量控制技术两个方面讨论超高层钢结构施工的质量控制技术。
由于本工程采用18根直径φ1450~φ1000mm的圆管柱作为结构的主要受力杆件，因此，圆管柱的施工质量是工程施工质量及结构安全控制的重点。对于圆管柱，因其直径较大，如何控制圆管的管径、圆管的椭圆度、圆管柱安装的垂直度及焊接质量等是工程控制的关键。施工过程中，我们主要采取以下几个方面的措施：
2.1 测量控制技术
施工测量工作作为工程质量控制的重要手段，是保证钢结构安装质量以及工程进度的关键工序。作为超高层建筑，对精度的控制相对于普通的结构要求更高，在整个施工过程中，必须采取一系列的措施，确保测量结果。在现场施工的过程中我们采用“内控法”的总体测量思路，遵循“由整体到局部”的测量原则，通过激光天顶仪作轴线控制和传递，通过架设经纬仪对每节柱段的安装轴线进行加密，在焊前对每节钢柱作一次整体的轴线和垂直度测量，得到每根柱的焊前测量数据，根据每根钢柱的偏差调整其对接口的焊接顺序，焊接完成后再作一次整体轴线测量，得出焊后测量结果。以此循环，每节柱段的焊后偏差数据又作为上一节钢柱吊装校正纠正偏差方向的依据。
2.1.1 测量控制网布设及传递
本工程施工中我们用全站仪采用直角坐标法在塔楼的首层（±0.00m）设置一套平面控制网，将首层的4个控制点作为结构施工过程中的主控制点对整个地上结构施工质量进行观测、控制。同时，通过DZJ2型激光天顶仪将首层的4个主控制点的进行竖向传递，在施工层面再将控制网进行加密，以便对施工质量进行精度更高的观测、控制。

2.1.2 安装过程中钢管柱施工质量的测量控制技术
在结构施工过程中，我们依据首层的主控制点分别对每层的控制网进行加密，通过全站仪测设出钢管柱在准确位置，再分别在互相垂直的两个方向架设经纬仪对单根钢管柱进行垂直度监控。针对钢管柱不同于箱型柱的特点，我们分别采取以下主要技术措施，确保钢管柱的施工质量见图4。


（1）钢管柱定位轴线的测量技术：
钢柱的定位控制主要从地面基础轴线开始，每节钢柱的安装始终以地面基础轴线为控制基准，对钢柱的垂直度进行测量控制，禁止采用下节钢柱作为测量基准来控制上节柱，以免因此产生的测量累积误差。在安装过程中，通过反复定位、调整，保证焊接后钢柱轴线位置的准确性。
（2）钢柱标高的测量技术：
由于每节柱段柱顶均高出该层1300mm，因此，依据在核心筒外壁投测的高程控制基准点(用红三角标示)，利用三角高程测量法，在每层钢柱上投放高程控制点，建立高程控制网，以便控制每节钢柱的竖向高程。每安装一节柱后，对柱顶进行一次标高实测，误差超过规范和设计允许的偏差时，采用螺栓千斤顶进行调整，偏差过大时分两次或几次进行调整。为便于操作，我们在每根钢柱吊装前，在距离钢柱底部500mm位置标识标高线，安装后与标识在柱顶以下500mm的标高线直接用直尺进行检测，既便于现场操作，又保证了钢柱标高的传递，见图5


（3）钢管柱垂直度的测量技术：
将与待调整的钢柱安装位置成90°的两条轴线分别向内侧偏移1000mm/2000mm，在相互垂直的两条控制线的交点上架设一台经纬仪，在与其垂直的钢柱安装轴线上架设另外一台经纬仪，对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，将柱身调整至两个方向的轴线与控制线相互重合。同时，利用经纬仪照准钢柱底部的基准线投测至柱顶，与柱顶中轴线进行比对，调整钢柱至两线重合，则钢柱的垂直度调整到位。
通过以上措施，基本消除了外界因素对测量精度的影响，有效的确保了钢管柱的安装精度和施工质量。
2.2 钢管柱校正技术
因为圆管柱截面的特殊性，在制作、安装过程中控制圆管柱的椭圆度、制作基准线和安装基准线的统一等是工程施工质量控制的关键。因此，我们分别通过优化制作及安装工艺，制订详细的制作工艺指导书，细化圆管柱的安装校正技术，有效的确保了圆管柱的施工质量。
2.2.1 钢管柱的检查
对进入工地现场的圆管柱进行测量，并对上下圆管柱对接口进行测量，检查圆管柱的椭圆度和安装基准线是否符合标准，上下圆管柱对接口的尺寸偏差是否符合标准要求，对不符合要求的部位进行标识。
2.2.2 钢管柱校正技术
（1）校正工艺
钢管柱的初校是指安装梁之前进行的第一次校正，即要求柱的各项指标均达到国家验收规定。在超高层结构中，如果形成框架后再进行所谓整体校正，由于各构件互相牵制很难达到校正效果，因此不建议采用此法。初校完成后，应先从中间跨开始对称地向两端扩展进行梁的安装；对同一跨间，先安装下层梁，再安装中、上层梁，这样可方便吊装、减少对柱垂直度的影响。钢柱的的校正也按照由中间向两端辐射、延伸的思路进行。
（2）校正工作的主要内容
钢管柱的校正是钢结构施工的关键技术。在钢柱及与其相连接的主梁吊装到位后，即进行钢柱的测量、校正。其校正的内容和顺序为：钢柱定位轴线的校正、钢柱标高的调校、柱身扭转调整、钢柱垂直度的校正。针对本工程，我们根据现场实际及流水作业的要求划分为西北区和东南区两个作业段，每个作业段再根据钢管柱的方位9根钢柱采用从中间往两侧、两个方向往角柱逐步推进的方法进行校正，待中间门洞柱校正、高强螺栓终拧、柱、梁焊接完成后，形成一个固定的刚性小框架，然后依次再对其两侧的钢柱同时向两端方向进行校正。由于角柱位置的特殊性，为消除其他钢柱和钢梁焊接变形对其的影响，待两条相交轴线上其余7根钢柱焊接完成后再进行复测、焊接，确保角柱的安装精度。校正工艺实施“三校”，即“一校柱口，二校梁口，三校柱顶位移、垂直度。”这样不仅确保了单根钢柱垂直度的独立性，也使结构的整体平面定位和垂直度得到了有效的控制。
2.2.3 钢柱定位轴线的校正
由于钢柱在加工、运输及安装过程中，端部可能出现变形，为防止上下两节钢柱对接口出现错位，需在确保上下柱段十字中心线（柱中心线）与安装轴线重合的前提下，使钢柱对接面平整或平滑过渡，禁止出现较大的错口、错边。在安装过程中，如遇到错口、错边过大现象，则在柱与柱的连接耳板不同侧面夹入垫板（厚在0.5~1.0mm），钢柱的十字线偏差每次调整在3mm以内，若偏差超过规范允许较大，则需分多次进行调整（需确保单节钢柱轴线偏差满足规范的要求），将钢柱对接口错边调整至规范允许的3mm以内。
2.2.4 钢柱标高的调校
钢柱吊装就位后，用安装螺栓通过连接板固定上下耳板，但连接板不夹紧，通过起落钩与撬棒调节柱间间隙。将上下柱的标高控制线之间的距离与设计标高值进行对比，并考虑到焊缝收缩及压缩变形量，将标高偏差调整至+5mm以内。符合要求后打入钢楔，对钢柱进行定位焊，待钢柱定位焊接完成后连同连接板一同切除。同时，将每根钢柱的标高实测结果与下节柱预检长度对此，在安装前或过程中进行综合处理，对于标高相对于设计值偏差在+10mm及以上的，由加工厂对上一节钢柱柱身进行延长处理，确保钢梁安装标高和钢柱标高符合设计要求；对于标高相对于设计值偏差在+10mm以内的在现场安装时通过调节钢柱对接焊缝的宽度进行调节，确保每节钢柱的标高符合设计及规范的要求。
2.2.5 柱身扭转的调整
柱身的扭转偏差是在其制作、运输、贮存、安装过程中产生的。扭转的存在对钢柱垂直度的校正有很大的影响，因此在垂直度校正前要尽量消除扭转的影响。通过钢柱对接位置的耳板在不同侧面夹入垫板（垫板厚度0.5~3.0 mm）再用连接板手拧紧安装螺栓来调整扭转。每次调整扭转在3mm以内，若偏差过大可分2—3次调整。当偏差较大时也可通过在柱身侧面临时安装千斤顶对钢柱接头的扭转偏差进行校正(如下图6)。



2.2.6 钢柱垂直度的校正
采用无缆绳校正法在柱的偏斜一侧打入钢楔或用顶升千斤顶，采用两台经纬仪在柱的两个互相垂直的方向同时进行观测见图7。在保证单节柱垂直度不超标的前提下，并注意预留焊缝收缩对垂直度的影响，将柱顶轴线偏移控制到规定范围内。在本工程施工过程中，我们经过对钢柱焊前、焊后测量数据的比对、分析，并结合以往的施工经验，总结出钢柱、钢梁焊接收缩对单节钢柱垂直度的影响为2-4mm。因此在每个作业段的门洞柱焊接完成后，其两侧钢柱分别预留3mm作为焊接收缩量，即门洞柱两侧的钢柱依次分别沿轴线向外倾斜3mm、6mm、9mm。最后拧紧临时连接耳板的安装螺栓并将钢柱与钢梁连接节点的高强螺栓用特定的电动扳手拧至额定扭距。



2.3 钢管柱焊接技术
焊接质量对整个工程起着尤为重要的影响作用，在钢结构整个施工过程中，我们按照集团公司制定的焊接工艺指导书，编制了现场焊接施工专项方案，明确规定了焊接施工的各项操作规程。结构的焊接施工依然遵循校正的工艺，在局部区域形成框架后再采取由中间向两端辐射、延伸的思路进行，即“先中间后两侧，先外框主梁再核心筒次梁”的顺序。同时，钢柱对接口的焊接采取“间隔跳焊”、“刚性固定”、“预留收缩量”、“多层多道焊”、“对称焊接”等焊接工艺以降低焊接变形对钢结构安装质量的影响。高强螺栓终拧复核后，依据框架尺寸确定特殊部位的焊接顺序。
为保证施工质量，加强对焊接质量的控制，我们主要采取以下技术措施：
（1）加强现场对接焊缝的焊前检查、处理。在低温环境下焊接施工时，采取焊前预热措施，并制定相应的低温焊接工艺指导书和钢结构焊接专项施工方案；
（2）焊接过程中质量控制主要通过检查焊接方法、焊接顺序、焊接参数等是否按焊接工艺指导书或工艺卡进行作业。重点对焊材、焊机依据规范和方案要求进行定期检查，对焊接作业人员进行技术交底，强化施工过程中的质量控制；
（3）依据规范和设计要求对现场的对接焊缝进行100%超声波自检探伤工作，加强焊缝焊后的外观质量检查和超声波（UT）检验，确保现场对接焊缝质量符合要求。
圆管柱焊接次序对于保证焊接质量，尤其是最终安装精度至关重要，本工程的圆管柱焊接顺序如下图8：
1）由2名焊工沿圆周分区同时对称的退焊法施焊：



圆管直径范围内全部焊完1/3板厚后切去耳板，继续在各焊工负责的范围内施焊，直至焊完整个接头。
2）每两层之间焊道的接头相互错开，2名焊工焊接的焊道接头也要注意每层错开，如图9。每道焊完要清除焊渣和飞溅，如有焊瘤要及时铲除掉，焊接过程中随时注意检测层间温度的控制。


3 结语
通过采取以上各项技术并改进工艺措施，本工程在第三方检测单位的过程跟踪监测中，单节钢管柱垂直度全部在10mm以内，满足规范要求的H/1000的规定（注：每节柱段长度13m）。圆管柱焊缝在第三方检测中，合格率为100%，工程施工质量良好。
参 考 文 献
[1] 中华人民共和国行业标准.建筑钢结构焊接技术规程(JGJ81-2002).北京：中国建筑工业出版社，2002.
[2] 中华人民共和国国家标准.钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）.北京.中国计划出版社.2001.