超高层劲性混凝土钢柱安装技术

超高层劲性混凝土钢柱安装技术

李文欢

(中建二局安装工程有限公司廊坊钢结构分公司， 河北廊坊　065000)

摘　要：劲性混凝土柱能够较好地发挥型钢和混凝土两种材料的优点，弥补各自的不足，作为一种新兴的、有巨大发展前途的结构形式，近几年在高层、超高层建筑中获得了广泛的应用。其中劲性钢柱已经成为高层、超高层建筑中的主要承重构件，但是劲性钢柱安装却一直是施工中的难题。结合工程实践，通过介绍劲性钢柱安装过程中的安装技术以及质量控制措施，以期对此类施工提供借鉴。

关键词：超高层； 劲性钢柱； 安装； 技术质量控制

劲性混凝土结构是由钢柱外包钢筋混凝土而形成的一种新型组合结构。由于配置了钢柱，钢柱与高强混凝土之间相互约束，使劲性混凝土结构能够更有效地发挥钢材和混凝土两种材料各自的优点。同时克服了钢结构容易发生局部屈曲的缺点，增加了构件的延性，改善了由于高强混凝土本身延性差而带来的不利于抗震的脆性特性。相对于钢筋混凝土结构来说，采用劲性混凝土结构有效地减小了构件的截面尺寸，增大了使用空间。对于钢结构来说，采用劲性混凝土结构节约了钢材用量降低了造价，改善了防火和防腐性能。

近年来，劲性混凝土柱越来越多地应用于建筑结构中，尤其是高层建筑结构及大型工业民用建筑的人防地下室结构，随着建筑物高度的增加及人防地下室设计及使用性能的要求的提高，劲性混凝土结构的应用也将会得到快速的发展。

1　工程概况

1.1　基本概况

丰台区丽泽金融商务区F02、F03地块工程位于北京市丰台区丽泽商务区核心地段，丽泽桥(西三环)和菜户营桥(西二环)之间，周边交通和市政设施较为成熟。项目用地北侧是丽泽路，东临莲花河路，场地规划用地面积约45 000 m2。3栋超高层办公楼分别由31层高的F02-1楼(建筑高度为150 m)、25层高的F02-2楼(建筑高度为120 m)、42层高的F03楼(建筑高度为199.9 m)、5层高的商业裙房及4层商业及停车场地下室组成。总建筑面积419 280 m2，其中地上建筑面积309 900 m2，地下建筑面积109 380 m2。

1.2　结构概况

F02-1楼、F02-2楼均为劲性混凝土组合结构，F02-1楼钢结构主要分布在外框柱(地下3层—地上13层)以及核心筒钢柱(地下4层—地上8层)；F02-2楼钢结构主要分布在外框柱(地下4层—地上8层)。主要包括外框柱十字钢柱和核心筒十字钢柱。

2　超高层劲性混凝土钢骨柱的安装

2.1　劲性钢柱的吊装

2.1.1　劲性钢柱吊装技术措施

1)综合考虑工程结构特点、塔吊吊装范围及最大吊装工况、构件堆场及起吊点布设、便于运输以及施工工艺对钢结构施工的影响因素等先决条件，对劲性钢柱进行合理的分段。

2)超层吊装钢柱为两层一节柱时，须拉设不少于3根(“品“字形)缆风绳进行临时固定。待劲性钢柱腹板焊接完毕，割掉钢柱连接板前，拆除缆风绳，避免出现融敷金属未形成强度，由外力导致的垂直度偏差过大等质量问题。

3)超层吊装钢柱为一层一柱段时，柱与柱连接节点采用高强度螺栓(S8.8级)临时固定时，可采用无缆风固定。

2.1.2　劲性吊装前准备

1)依据GB 50755—2012《钢结构工程施工规范》要求，钢结构安装前应对建筑物的定位轴线、基础轴线和标高、地脚螺栓位置等进行检查，并办理交接验收。

2)构件运至现场后首先检查是否与深化图纸相符合，重点检查套筒的位置、数量、规格，钢柱长度、自身扭曲度、栓钉的焊接质量，复核钢柱编号是否正确，全部检查完毕后，记录检查数据。

3)安装前，应在地面上把爬梯、溜绳、防坠器等装在钢柱上，方便登高作业用。

2.1.3　劲性钢柱吊装

劲性钢柱采用单机回转法进行吊装(图1)。

1)钢柱吊装前将钢爬梯挂在柱顶，底部用绳索固定在钢柱上。绑扎方式为两点绑扎，绑扎位置为通过卡环连接在耳板上，钢柱吊装用的两根短头应挂设在两个基本处于水平面的吊耳上，以免起吊过程中吊索受力不均引起柱身翻滚。

2)吊装时，单机回转法起吊，起吊前钢柱应横放在枕木上，起吊时不得使钢柱在地面上有拖拉现象，钢柱起吊必须距地面2 m以上才可以回转。

3)钢柱提升就位后，利用连接板连接柱段端头的耳板进行钢柱临时固定。钢柱就位后操作人员通过钢爬梯上至钢柱顶端进行摘钩，摘钩人员安全带应挂在钢柱耳板之上，不允许将安全带直接挂在吊钩上。吊装过程中，要严禁钢柱根部拖地，不得歪拉斜吊。

a—劲性十字柱连接板设置示意;b—劲性十字柱起吊示意;c—劲性十字柱临时连接示意;d—吊耳及连接板。
图1　劲性钢柱吊装示意

2.2　劲性柱校正

2.2.1　吊装测量控制

1)钢柱吊装测量流程见图2。

图2　钢柱吊装测量流程

2)建立安装测量的三校制度。

a.进行初校，确定错位值：钢柱的初校是钢柱就位中心线的控制和调整。通过初校确定错位值的目的，就是既要保证钢柱接头的对接尺寸符合设计要求，又要考虑调整钢柱扭曲、垂偏标高等综合安装尺寸的需要，保证钢柱的就位尺寸。

b.钢柱垂校，调整垂偏：钢结构吊装后要对钢柱的垂直度进行全面的重新校正。根据工程特点，将采用无缆风校正方式。校正的方法是借助千斤顶进行推或拉的校正，使钢柱的垂直度偏差在允许的范围内。千斤顶校正钢柱垂直度的方法见图3。

图3　钢柱倾斜校正示意

c.临时点焊固定后的复校：临时点焊固定结束后的复校，是防止在点焊固定过程中发生钢柱垂偏，这时测量的垂偏和标高尺寸，应考虑采用焊接收缩变形校正。高层钢结构的安装质量，通过三校工序使钢结构安装质量得到有效控制。

3)修正施焊顺序保证安装精度。

对于三校后钢结构的空间尺寸情况进行会审，如复校尺寸有问题或局部情况有变化，即必须修正施焊顺序和施焊方法。焊接工程师可以根据复校实测公差和方向等因素，编制焊接顺序和确定施焊方法，以调整安装精度。在施焊过程中还需对安装精度进行连续跟踪观测。

4)垂直度的校正(图4)。

劲性钢柱垂直度使用经纬仪进行校正，方法是用经纬仪后视柱脚下端的定位轴线，然后仰视柱顶钢柱中心线，互相垂直的两个方向柱顶中心线投影均与定位轴线重合，或误差小于控制要求，认为合格。垂直度偏差在螺栓紧固、焊接前后应严格控制，最终保证焊后钢柱垂偏数据满足要求。

图4　钢柱校正示意

5)垂偏的预控和调整。

利用焊接收缩来调整钢柱垂偏是钢柱安装中经常使用的方法。安装时，钢柱就位，上节钢柱柱底中心线对准下节柱顶的中心线，而上节柱顶的中心线可以在未焊前向焊接收缩方向预偏一定值，通过焊接收缩裕度，使钢柱达到预先控制的垂直精度。

焊接与日照综合影响时，单节柱和中心柱可以不必预留收缩裕度，应控制垂直偏差为主。

加强焊接工艺控制，采用对称焊等方法，以克服中心柱与单节柱的偏差。对于边缘的钢柱，应控制边柱上部中心的垂偏，可适当预留一定的焊缝收缩量。

视线受阻处理：钢柱吊装时，用两台经纬仪在相互垂直线的两根轴线上跟踪校正，当现场因支模架管或耳板等因素使仪器架设轴线上无法通视时，可将经纬仪偏离轴线15°以内。

2.2.2　标高校正

按设计标高安装，以每节柱为单位进行柱标高的调整工作，将每节柱接头焊缝的收缩变形和在荷载下的压缩变形值，加到柱的制作长度中去。

钢柱安装标高误差是钢柱制作长度的公差、安装间隙、焊接变形、压缩变形和季节性温度差、基础沉降等因素的综合反映，校正办法可以通过采取柱与柱之间接合处适当加大间隙来调整，但垫入的钢板厚度不宜大于5 mm。

2.3　劲性钢柱焊接

钢柱现场对接焊缝均为全熔透一级焊缝，焊缝间隙5 mm，坡角45°，为主控项目之一。根据现场焊接特点，并结合工程实际，采用CO2气体保护焊焊接方法，焊丝直径1.2 mm。

2.3.1　焊接前准备

1)焊接区操作脚手平台搭设良好，平台高度及宽度应有利于焊工操作舒适、方便，并应有防风措施。由于CO2气体保护焊焊枪线较短，考虑将焊机及送丝机置于操作平台上。操作平台是针对钢柱等焊接而专门设计的。

2)焊工配置一些必要的工具，比如：凿子、榔头、刷子以及砂轮机等。焊把线应绝缘良好，如有破损处要用绝缘布包裹好，以免拖拉焊把线时与母材打火。

3)焊接设备应接线正确、调试好，正式焊接前宜先进行试焊，将电压、电流调至合适的范围。

4)检查坡口装配质量，应去除坡口区域的氧化皮、水份、油污等影响焊缝质量的杂质。如坡口用氧-乙炔切割过，还应用砂轮机进行打磨至露出金属光泽。当坡口间隙超过允许偏差规定时，通过在坡口单侧或两侧堆焊使其符合要求。

2.3.2　焊接工艺流程

焊接工艺流程见图5。

图5　焊接工艺流程

2.3.3　焊接工艺控制措施

1)焊前预热：预热是防止低合金高强钢焊接氢致裂纹的有效措施，可以控制焊接冷却速度，减少或避免热影响区(HAZ)中淬硬马氏体的产生，降低HAZ硬度，同时还可以降低焊接应力，并有助于氢的逸出。

2)焊后处理：后热处理主要是为了消氢，从而降低留在焊缝中的氢含量，减小氢致裂纹倾向。后热温度一般为250～300 ℃，然后根据板厚进行一段时间的保温。为此，从焊接材料、预热上采取一些措施。首先，选用低氢焊材，从熔敷金属上降低氢含量；其次，适当提高预热温度，进一步降低焊缝热影响区的冷却速度，以防止延迟裂纹的产生。

2.3.4　焊接顺序

1)以控制应力、应变为准则，详细制定焊接顺序，严禁将合龙焊口布置在杆件应力集中的地方。

图6　十字柱焊接顺序示意

2)对于柱-柱的对接施焊，应由两名焊工同时从两侧不同方向焊接，柱与柱焊接采用2人对称焊接，两人先焊接A、B(C、D)焊缝高度的40%，再进行C、D (A、B)焊缝40%的焊接，之后再进行A、B(C、D)焊缝剩余60%的焊接，最后完成C、D(A、B)焊缝的焊接。在焊接过程中需注意层间温度，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，减小变形。在焊接最后一层时需一次焊完，不得分段焊接。在柱转角处注意焊缝成型。十字柱焊接顺序见图6。2.3.5　焊接质量检验控制程序

焊接质量检验控制程序见图7。

3　关键施工创新措施

3.1　梁钢筋与劲性柱连接技术

图7　焊接质量检验控制程序

为了提高现场可操作性，降低施工工艺难度，避免搭筋板连接焊接质量差，降低成本，节约工期，经过与设计院多次复核后，决定采用“可焊性直螺纹套筒连接技术”。为以后劲性柱的顺利施工打下了坚实的基础。

为了解决梁柱节点钢筋过密，套筒排布困难等问题，确定了“梁柱节点套筒深化设计原则”，如下所述，见图8。

1)柱翼缘宽度为300 mm时，原则上套筒第一排为3个以下(含3个)，如2排有筋时对腹板中心可以保留一个套筒，2排余下套筒可调节到3排放两侧绕筋，如梁自身有2排或3排筋，绕不开的情况下，2排或3排筋允许有套筒，在套筒相对应的柱后面加一块立加劲板。

2)柱翼缘宽度为400 mm时，原则上套筒第一排为4个以下(含4个)，如2排有筋时对腹板中心可以保留一个套筒，2排余下套筒可调节到3排放两侧绕筋，如梁自身有2排或3排筋时，绕不开的情况下，2排或3排筋允许有套筒，在套筒相对应的柱后面加一块立加劲板。

a—连接大样；b—连接实例。
图8　梁柱节点连接大样及实例

为了解决核心筒角部加强筋连接构造，施工操作困难的问题，采用了较新颖的连接方式“钢柱勾筋板与钢筋连接技术”，有效解决了施工工艺复杂、可操作性差、施工质量差等问题，带来了一定的经济效益(图9)。

图10　TeklaStructures建模BIM应用及实例

4　结束语

本工程劲性混凝土柱施工过程中，通过制定有效的技术措施及合理的施工工艺，克服了劲性混凝土施工中的技术难题，施工质量符合设计和相关规范要求。通过工程实践积累了可贵的施工经验，可为今后类似的工程施工提供借鉴。

参考文献

[1]　GB 50017—2003　钢结构设计规范[S].

[2]　GB 50026—2007　工程测量规范[S].

[3]　JGJ 138—2001　型钢混凝土组合结构技术规程[S].

[4]　GB 50901—2013　钢-混凝土组合结构施工规范[S].

[5]　GB 50755—2012　钢结构工程施工规范[S].

a—连接大样；b—连接实例。
图9　核心筒劲性柱与墙角部钢筋连接大样及实例

3.2　劲性柱的深化设计及BIM建模配合劲性结构深化设计应用

型钢柱的深化设计既要体现结构设计意图，又要为制作和安装提供依据。梁柱节点的钢筋翻样图应逐个给出，确定钢筋套筒的标高、数量与位置。劲性柱的深化设计质量是保证劲性混凝土柱顺利施工的关键第一步。根据本工程结构形式及构件特征，选择Tekla Structures设计软件作为深化设计的主要应用软件，并采用AutoCAD软件开展辅助深化设计工作。在模型中优化设计、深化图纸，并在建立模型基础上利用此软件导出CAD图，以指导施工(图10)。

BIM建模配合劲性结构深化设计应用。Tekla Structures数据可以方便地转化为其他软件接收的格式，非常适合本工程建筑信息模型系统管理工作。通过转化后的格式纳入BIM系统，可利用BIM模型认真分析框架梁柱钢筋与劲性钢柱的位置关系，下料尺寸、套筒位置等，保证梁柱节点部位钢筋能顺利找到相应位置，相互之间不发生冲突。

3.3　劲性钢柱二次倒运及就位措施

由于施工场地平面布置、塔吊起重性能等诸多因素影响，塔楼部分钢柱无法完成直接从钢柱堆放场地吊装就位，需要从塔楼内部二次倒运后安装就位。设置二次倒运平台，考虑施工工期紧张，混凝土强度等因素，经过计算，不能满足施工要求，后经过现场工程师诸多方案筛选，决定将两个塔吊的性能半径重叠区域内钢柱就位位置作为钢柱倒运点，该位置钢柱预留并延后吊装就位，此方法对于施工安全稳定性有较大提高。

INSTALLATION TECHNOLOGY OF REINFORCED STEEL-CONCRETE COLUMNS IN SUPER HIGH-RISE STRUCTURES

Li Wenhuan

(China Construction Second Bureau Installation Engineering Co. Ltd, Langfang Steel Structure Manufacturing Corporation， Langfang 065000, China)

ABSTRACT：Reinforced concrete column can better play the advantages of profile steel and concrete so as to make up for their deficiencies. As a new structure with great development prospects, reinforced steel-concrete column has been widely used in high-rise and super high-rise building. The strength of the steel column has become the main bearing member in the high-rise building and super high-rise building, however, the installation of reinforced steel columns is always a problem in construction. Combining with engineering practice, the installation technology and quality control measures of reinforced steel columns in the installation process was introduce in this paper, which could provide a reference for such construction.

KEY WORDS：super high-rise； reinforced steel columns； installation； technical quality control

收稿日期：2015-11-08

DOI:10.13206/j.gjg201605021

作　者：李文欢 ，男，1984年出生，助理工程师。

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