超高层钢结构工程安装施工的重点难点及对策

论高层超高层钢结构工程安装施工的重点、难点及对策摘要：高层超高层钢结构工程的安装施工控制是一项艰巨而复杂的技术。对工程的质量和进度有很大的影响。本文从国内外高塔学习、实践（迪拜塔/700米；广州新电视塔/610米等等）进行了总结，对塔吊选择、布置及装拆、吊装、测量控制、焊接技术、安全施工等为高层超高层钢结构工程安装施工控制中的重点、难点及对策等进行了全面分析与总结。关键词：塔吊选择测量控制高塔1.前言当今世界高层与超高层钢结构安装工程方兴未艾，大有“欲与天公试比高”之势。迪拜塔高700米；广州新电视塔高度为610米；台北101大楼高度509米；上海环球金融中心高度492米；上海东方明珠塔高度468米；马来西亚国家石油大厦（双峰塔）高度452米；广州双子塔高度430米；上海金茂大厦高度421米；广州中信广场高度391米；深圳地王大厦高度384米；台湾高雄85大楼高度378米；东北地区大连双子塔最高263米；安徽国际金融中心242米；厦门洪文世界山庄188.51米。国内外高层与超高层钢结构工程的出现是人类美好愿望、社会需求、科技进步和经济发展的完美结合。我国现有高层建筑162000多栋，其中超过100米的超高层建筑就有1500余栋，多数为钢结构。如上海：超高层建筑达400多栋，建筑数量已经远远超过中国香港，成为全球高楼建筑数量第一的城市。又如广州：18层以上建筑有7000多座。重庆高层建筑达10754座。超高层建筑能有效解决城市空间问题，对于“寸土寸金”的上海来说，超高层建筑的建造是适合城市发展需要的。高层与超高层钢结构一般都具备结构新颖独特、技术要求高、工期紧、吊装、焊接与连接工程量大、施工难度大、危险性大、安全防护困难等特点。但是，在发展超高层建筑的过程中，要在经济效益与城市环境、当前需求与可持续发展之间找到平衡点。2.塔吊的选择塔吊是高层超高层钢结构工程安装施工的核心设备，其选择与布置要根据钢结构体系的特点、外形尺寸、场地的布置、现场条件、安装施工队伍的技术力量及钢结构的重量等因素综合考虑，并保证塔吊装拆的安全、方便、可靠。并且有专项装拆方案。塔吊有内爬塔和附着式自升外爬塔两种，按照塔吊使用安全、经济、方便、可靠的原则，建议优先选用内爬塔。因内爬塔有如下优点：（1）有效施工能力大。内爬式塔式起重机安装在建筑物内部（电梯井道或楼梯间等特设开间），施工面为整圆，有效作业能力在80%以上。附着式塔式起重机安装在建筑物一侧，施工面为半圆。所以，可以运用小型号的内爬式塔式起重机代替大型号的附着式塔式起重机使用，减少塔机的数量和台数。（2）制作成本低。内爬式塔式起重机塔身标准节长度在32m以下，不需随楼层升高而增加塔身标准节，所以整台塔吊所耗钢材少，总的制作成本（售价）低，比同样施工能力的附着式塔式起重机低到20%〜30%。（3）使用费用低。附着式塔式起重机需构筑塔式起重机基础和总附墙预埋件，有效施工能力小，相应吊装量也小。内爬式塔式起重机安装在建筑物内部的特设开间结构上，无需另外构筑塔式起重机基础和架设水平支撑构件，且有效施工能力大，塔式起重机就位后每小时的吊次比附着式塔机多20%〜30%,相应的作业台班吊装量比同样施工高度的附着式塔机高30%以上，所以总的使用费用比同样施工能力的附着式塔式起重机使用费用低。（4）安全性好。如前所述，在狭窄工地起重垂直起伏式起重臂作业的安全性比水平式起重臂作业的安全性好。而内爬式塔式起重机采用起伏式起重臂。另外由于内爬式塔式起重机塔身不高，塔式起重机底座和部分塔节位于建筑的内部空间，所以整座塔式起重机的受风面积小，抗风（特别是强风和台风）能力强，能抗55m/s风速的强风，抗震能力亦强。这对多台风和地震带而言，该优点十分突出。（5）由于塔节少并且无水平支撑杆等附件，所以塔吊装机组件材料库占地面积较小，塔身在建筑物内部也不占地，所以能适应狭窄工地的安装施工。但是，内爬式塔式起重机基座位于钢结构躯体上，此处钢结构的躯体需补强。为了适应不同级别建筑物的安装施工需要，国内外开发了内爬式塔式起重机系列产品，主要机型有：80t.m级、150t.m级、400t.m级、450t.m级、500t.m级、600t.m级、900t.m级、1500t.m级。另外，还开发了利用钢结构大楼钢立柱为塔身的塔身内爬式塔式起重机，可在钢结构大楼安装施工时使用，使塔式起重机结构更为简化，也增加了内爬式塔式起重机的新机种供大家选用。目前最大力矩为3200t.m。最大吊重可达100吨。可满足超高层钢结构最重件的吊装。3.吊装吊装是钢结构工程安装施工的龙头工序，吊装的速度、质量、安全对整个工程起举足轻重的作用。在吊装过程中值得注意的是在核心筒尚未形成的情况下，为保证整体结构稳定及柱网的校正而合理的划分吊装必须采取如下对策：（1）吊装前做好构件的进场、验收与堆放。一般因安装施工流水作业区场地狭小、施工条件差，是确定安装施工方案的难题，是当前高层钢结构安装施工工程普遍存在的困难。着重抓好构件堆场布置、构件的堆放顺序等工作。为有效解决超高层钢结构以下三个带有普遍性施工难点：即塔楼安装施工现场狭小、交叉作业多、实现立体流水交叉作业困难，一般将塔楼主体与裙楼分开，以塔楼为控制的重点，以每排核心筒加密柱及与之对应的主楼大柱构成一个施工作业区。这样在建筑平面上将全部构件吊装分成了若干个作业区，使构件吊装、构件校正、高强螺栓拧固及焊接四个主要工序组织成相互联系的立体交叉流水施工。一般规律是在裙楼安装施工阶段完成后，再连续向上进行塔楼安装施工。一般优先采用内爬式塔吊，内爬塔塔吊在钢结构框架上爬升，满足钢结构内筒的吊装施工程序。除根据吊装需要周密的考虑进场的构件外，还根据吊装顺序和堆场规划特点将进场构件进行有序排列编号，既保证了验收工作的正常进行，也为吊装创造了良好的外部条件。（2）钢柱吊装吊装前对柱基的定位轴线间距，柱基面标高和地脚螺栓预埋位置进行检査，复测合格并将螺纹清理干净，在柱底设置临时标高支承块后方可进行钢柱吊装；钢柱根部要垫实，起吊时钢柱必须垂直，吊点设在柱顶，利用临时固定连接板上的螺孔进行。钢柱安装前应将登高爬梯固定在钢柱预定位置，起吊钢柱至安装位置临时固定地脚螺栓，用缆风绳、经纬仪校正垂直度，并利用柱底垫板对底层钢柱标高进行调整。上节柱安装时钢柱两侧装有临时固定用的连接板，与下节柱对接就位；吊装过程中应注意避免同其他已吊好的构件相碰撞；上节钢柱对准下节钢柱柱顶中心线后，即用螺栓固定连接板做临时固定，并用风缆绳成三点对钢柱上端进行稳固；用临时连接板，大六角高强螺栓进行临时固定，先调标高，再对正上下柱头。（3）钢梁吊装所有钢梁吊装前应核查型号和选择吊点，以起吊后不变形为准，并平衡和便于解绳，吊索与水平面角度控制在60°,构件吊点处采用蔴布或橡胶皮进行保护；钢梁水平吊至安装部位，用两端控制缆绳旋转对准安装轴线，随之缓慢落钩。钢梁吊到位时，要注意梁的方向和连接板靠向。为防止梁因自重下垂而发生错孔现象，梁两端临时安装螺栓不得少于该节点螺栓数的1/3,且不少于2颗拧紧。钢梁找正就位后用高强螺栓固定，固定稳妥后方可脱钩；安装梁时预留好经试验确定好的焊缝钢柱收缩量；梁头挂吊拦，吊装到位后进行校正、检査、初拧、终拧高强螺栓、焊接；钢梁的吊装可采用两吊点或4吊点布置。注意4吊点用两根绳布置双平衡滑轮。吊点捆绑处吊点与相临的吊点的穿绕方向要一正一反。确保大梁始终处于平衡状态。做好棱角切绳的防止保护工作。可将管子一分为二处理，垫于棱角处。随着楼层不断升高，为缩短楼层梁等较轻构件吊装吊升时间，为提高塔吊利用率，可在梁两端腹板设置吊装孔的方法布置吊点，加快了构件搬倒运、翻身捆扎的起吊回转过顶速度，并且实现了一机多钩吊装，一般塔楼可以平均3天到5天一层的速度向上崛起。建议对塔楼按柱段和平面划分吊装、校正、焊接、报验4大流水作业区域，并将核心筒作为安装施工调整的笫五个区域。同时，针对工程梁柱分布较多、空间整体性强的结构特点，采用“中心单元校正”技术。所谓“中心单元校正”，就是在由两排钢柱构成的流水区段内由中间向两侧进行组合校正。校正的顺序是从各区中心向两侧进行.对组成的核心筒框架进行校正，并将高强螺栓终拧，形成一个固定的刚性小框架，然后依次进行两侧钢柱的校正。校正工艺实施“三校”，即“一校柱口、梁口；二校柱顶位移、垂直度；三复核高强螺栓终拧后框架尺寸并确定完成安装施工工艺。大大减轻了校正难度,每节校正时间由原来10天左右缩短为2-3天，即可交给下道工序作业,并实现了区域施工各工序间良性循环的目标。钢结构一个单元的安装、校正、栓接、焊接全部完成并检验合格后才能进行下一单元的安装。在钢柱梁形成整体稳定结构前钢结构的安装位置需进行多次调整构件截面形式和就位需求来进行安装封闭顺序。为避免同一方向旋转施工造成应力分布不均和偏角差累积,建议在安装施工过程中每安装施工20层将钢结构安装的流水作业方向逆向旋转一次。4.测量控制在超高层钢结构安装施工中，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，必须为安装施工检验提供依据。特殊焊接钢结构安装前应对建筑物的定位轴线、平面标识和测量。轴线必须从地面控制线引上来避免产生累积误差。结合平面特点，建立竖向高程基准点，组成闭合水准网。基准点的布置按吊装区域划分，高程基准点与平面基准点相同，同点布设每层高程点传递之后，应相互校核无误后，作为每层高层的基准点，各层基准点及轴线必须以基准层为准向上传递，以防止误差积累。在高空安装钢柱、钢梁、钢桁架都需根据具体的测量控制封闭网的布设、投递技术。从钢结构安装施工流程可以看出，各工序间既相互联通又相互制约，选择何种测量控制方法直接影响到工程的质量和进度。常根据工程的几何形状，建立矩形网，每个控制网系的基准点距离25—50m,以确保测量精度及分区吊装的进度与质量。基准网的边长精度及平面封闭角精度必须满足边长精度1/15000,角精度应满足±10。在每个基准点的垂直上方接板处相对应位置预留大260x260mm的洞口，作为轴线竖向传递的激光通道。也可采用直角坐标法，设置两套控制网；裙房为一个矩形网，塔楼为一个双向相交矩形控制网，解决钢柱密集数量多、裙房及塔楼界面尺寸及位置相差大、塔楼自身平面形状复杂的难点。控制网网点的竖向传递采用内控法、选择最适合于高层钢结构安装的仪器WILD—ZL激光天顶仪。为了保证平面轴线控制网的投测精度，将投点全部放在凌晨5时至8时进行，同时投测时塔吊、电梯必须停止运转，风速超过lOm/s时停止投测，避免相关施工和日照等环境因素对投点造成不利影响，在操作上采用“一点四投，连接取中”的方式降低操作误差。通过以上措施，我们基本消除了外界因素对测量精度的影响，考虑到设备精度，仪器置中、点位标定等因素，如对某超高层控制网点接力传递误差累积进行了计算，控制网的单个控制点从0.000经过4次接力传递、最终到达291.6m柱顶的点位中误差值为3.79mm,因而最终测量的整体垂直度误差修正值仅为74mm。在钢结构安装施工初期，建议采用“跟踪校正”要求。一般采取提前预计偏移趋势加强临时固定措施和跟踪测量等方法来进行测量定位和调控。特别强调必须做好跟踪测量和整体校正：指在每个构件安装的同时要进行钢柱、梁的垂直和水平度的校正，随时调整构件位置，当若干个构件形成框架体系后对此进行复测，当水平层面安装完成后再对整体结构进行测量，始终使构件处于准确的位置。5.焊接技术现场钢结构安装一般采用两种焊接方式：手工电弧焊；二氧化碳气体保护焊；焊前应用气焊或特制烤枪对坡口及其两侧各100mm范围内的母材均匀加热，并用表面测温计测量温度，防止表面预热温度不符合要求或表面局部氧化；第一层的焊道应封住坡口内母材与垫板之连接处，然后逐层累焊至填满坡口。每道焊缝焊完后，都必须清除焊渣及飞溅物，出现焊接缺陷应及时磨去并修补。每道焊接层间温度应控制在120—150°C之间，温度太低时应重新安装预热，太高时应暂停焊接。焊接时不得在坡口外的母材上打火引弧；板厚超过80mm时，应进行后热处理。后热温度200〜