中國國學(xué)中心主樓鋼結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
羅 崗1，李海兵1，曹丙山2，張 怡1
（1．北京城建集團有限責(zé)任公司，北京 100088；2．北京市機械施工有限公司，北京 100045）
[摘要]中國國學(xué)中心工程主樓為偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)，外觀造型新穎獨特、構(gòu)件數(shù)量繁雜、施工工期較短、安裝精度要求高是本工程的重點及難點。根據(jù)工程特點，針對性地介紹了平行雙榀平面桁架、菱形外框空間斜柱、弧形空間管桁架、大跨預(yù)應(yīng)力圓形屋蓋等關(guān)鍵部位的施工方法。根據(jù)實際工況選擇吊裝機械、安裝順序的正確組織，為鋼結(jié)構(gòu)的順利完工提供了重要的技術(shù)依據(jù)。
[關(guān)鍵詞]鋼結(jié)構(gòu)；框架；柱；桁架；施工技術(shù)
[中圖分類號]TU758 [文章編號]1002-8498(2016)08-0076-05
1 工程概況
1.1 工程整體概況
中國國學(xué)中心工程位于北京市奧林匹克公園中心區(qū)，鳥巢北側(cè)，東臨北辰東路，與周圍已建成的國家體育場、玲瓏塔、國家體育館、中國科技館等公共設(shè)施共同構(gòu)成國家級體育文化設(shè)施群落。
中國國學(xué)中心是研究和展示中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的國家級文化設(shè)施，建筑功能主要由展覽陳列、教育傳播、國學(xué)研究、文化交流以及配套設(shè)施5大板塊組成，是國家級、標(biāo)志性、開放性的新型公益文化設(shè)施。
中國國學(xué)中心工程建筑的總體格局由位于場地中央的主體建筑與環(huán)繞主體的東、西裙樓組成。外立面大面積為石材幕墻，局部配以玻璃幕墻。主樓外形上圓下方，如鼎似翠。本工程占地面積35 721m2，總建筑面積103 531m2，地下2層，為勁性混凝土結(jié)構(gòu)（含120根勁性柱，底標(biāo)高為- 11. 400m）；主樓地上8層，為全鋼結(jié)構(gòu)，其中每層之間設(shè)一夾層，檐高56. 0m，圓形屋面頂部建筑高度65. 3m。本工程鋼結(jié)構(gòu)用量為1.3萬t，材質(zhì)主要為Q345C。工程效果如圖1所示。
1.2結(jié)構(gòu)體系概況
主樓結(jié)構(gòu)形式采用東、西對稱的偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)，由中心區(qū)、核心筒、外圈空腹桁架3個結(jié)構(gòu)體系由內(nèi)至外構(gòu)成。以4個巨柱及其間的鋼梁、鋼桁架形成結(jié)構(gòu)水平抗力的中心區(qū)；4個核心筒通過柱間偏心支撐形成4個支撐框架，通過樓層鋼梁連接到中心區(qū)；結(jié)構(gòu)最外側(cè)由外框柱及柱間梁形成空腹桁架，整體結(jié)構(gòu)形成相對獨立的內(nèi)中外3層。如圖2所示。
1～7層結(jié)構(gòu)平面投影形狀為正方形，根據(jù)結(jié)構(gòu)造型需要，1～4夾層外圈通過50根菱形柱向內(nèi)傾斜由72m邊長逐漸向上縮至58. 9m，4~7層則采用36榀拱肋向外懸挑至80. 6m，7層結(jié)構(gòu)外挑檐標(biāo)高52. 000m，8層以上突出結(jié)構(gòu)為圓形的鋼屋蓋，直徑42. 8m，結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高為65. 300m，如圖3所示。
鋼柱截面形式主要為菱形、箱形、H形和圓形，菱形截面大小為600mm×600mm，箱形截面大小為600mm×600mm～1 800mm x1 800mm，板厚為20～50mm，H型鋼柱截面大小為H600×400×16×24，H800×400×20×24；鋼梁截面形式主要為H形和箱形，板厚為6.5~ 50mm。本工程主要采用栓焊剛接節(jié)點和螺栓鉸接節(jié)點連接，螺栓采用10.9級扭剪型高強螺栓，主要位于梁、柱和梁、梁節(jié)點處，高強螺栓規(guī)格有M16，M20，M22，M24等，摩擦面系數(shù)為0.45，如圖4所示。
2 施工重點難點及解決辦法
1)異形鋼構(gòu)件加工制作和安裝
中國國學(xué)中心主樓結(jié)構(gòu)造型獨特新穎，外形呈鼎狀，上圓下方。主樓四側(cè)為36榀弧形空間管桁架（拱肋）、50根外框柱為2個方向傾斜的空間菱形柱，頂部為圓形鋼桁架。空間彎扭構(gòu)件的加工精度和安裝精度難度大。解決措施：①為了保證拱肋的加工精度，鋼管構(gòu)件相貫口的切割采用圓管數(shù)控相貫線等離子切割機床加工。②對空間彎扭的桁架上下弦桿采用油壓機進行冷壓加工，彎管前先按鋼管的截面尺寸制作上下專用壓模，加工成型后在專用胎架上進行檢測。③對于空間結(jié)構(gòu)的安裝，盡量減少構(gòu)件高空分段在地面拼裝成安裝單元，采用分塊分片吊裝，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計坐標(biāo)采用三維坐標(biāo)測量，保證安裝精度。
2)鋼構(gòu)件安裝數(shù)量多、工期緊
本工程鋼結(jié)構(gòu)用量為1.3萬t，構(gòu)件安裝數(shù)量13 152根，實際安裝工期180d，主要吊裝機械為2臺TC7052型塔式起重機，部分鋼柱、鋼梁及鋼桁架吊重超出單臺塔式起重機工況。解決措施：①提高吊裝效率，對于質(zhì)量輕、長度短的鋼梁采用串吊的方式節(jié)約塔式起重機的吊次；對于質(zhì)量超重的構(gòu)件，采用雙機抬吊的吊裝工藝。②增加吊裝機械，采用6臺吊裝機械，其中4臺汽車式起重機，2臺塔式起重機。③加大勞動力投入，鋼結(jié)構(gòu)施工高峰時段共投入200人左右（焊工50人）。
3)現(xiàn)場焊接量大、焊接質(zhì)量要求高
中國國學(xué)中心是國家重點工程，鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場一級全熔透焊縫長度達8 600m，焊接質(zhì)量要求高，需確保結(jié)構(gòu)獲得“長城杯”金杯、全國鋼結(jié)構(gòu)金獎等優(yōu)質(zhì)工程獎項。解決措施：①正式焊接施工前完成現(xiàn)場焊接工藝評定和焊工附加考試，挑選技術(shù)過硬的焊工來參與本工程的焊接工作；②所有一級全熔透焊縫100%自檢，第三方抽檢10%，北京市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督總站抽檢；③發(fā)現(xiàn)缺陷后依不同缺陷類型進行返修，并對缺陷返修情況詳細記錄、分析原因、總結(jié)經(jīng)驗，盡量避免類似缺陷的出現(xiàn)，提高現(xiàn)場焊接合格率；④建立獎懲制度，不定期淘汰焊接合格率低的焊工。
3現(xiàn)場施工方案
3.1 鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝總體方案
1)現(xiàn)場安裝總體思路
中國國學(xué)中心工程鋼結(jié)構(gòu)主要采用高空散裝法和分塊吊裝法施工。根據(jù)結(jié)構(gòu)體系確定總體施工順序：遵循先柱后梁、先主后次、由內(nèi)而外、自下而上的原則，即先安裝中心區(qū)鋼結(jié)構(gòu)，其次對稱安裝核心筒鋼結(jié)構(gòu)，中心區(qū)鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)先核心筒鋼結(jié)構(gòu)的安裝，然后安裝外圈由鋼柱、梁組成的空腹桁架結(jié)構(gòu)，最后安裝拱肋、7層外圈鋼管桁架、屋蓋等造型鋼結(jié)構(gòu)。施工總體流程如圖5所示。
本工程鋼結(jié)構(gòu)安裝共分為7個吊裝區(qū)域，每臺塔式起重機吊裝范圍為4個吊裝區(qū)域，其中核心區(qū)為2臺塔式起重機共同吊裝范圍，其余3個區(qū)按照塔式起重機覆蓋范圍對稱施工。每層吊裝完畢，及時焊接并檢驗，樓層結(jié)構(gòu)驗收不得遲于吊裝進度2個樓層，如圖6所示。
中國國學(xué)中心鋼結(jié)構(gòu)工程安裝過程中，東、西裙房也在施工，構(gòu)件堆放場地異常緊張，北側(cè)借用永久道路兩側(cè)，其余三側(cè)經(jīng)過計算利用已經(jīng)澆筑好的地下室頂板作為構(gòu)件的堆放和拼裝場地。
2)吊裝機械選定
由于本工程工期緊及吊次多，為保證施工進度，選擇了較多的吊裝機械。各樓層鋼構(gòu)件主要以2臺TC7052型塔式起重機為吊裝機械，根據(jù)工期安排，在主樓四周動態(tài)安排4臺50~130t汽車式起重機安裝質(zhì)量較輕、數(shù)量較多的零散構(gòu)件。
3)吊裝分段劃分
中心區(qū)是整個結(jié)構(gòu)的核心部位，根據(jù)2臺TC7052塔式起重機工況的限制，4根巨柱分段按照塔式起重機最大起重能力及設(shè)計要求，共分為22段，分段質(zhì)量為8~ 12t。內(nèi)、外框柱分節(jié)位置設(shè)在結(jié)構(gòu)層梁頂面上方1. 2m處，各分為6段。
巨柱之間鋼梁與4，7層桁架跨度為23. 5m，根據(jù)構(gòu)件規(guī)格、質(zhì)量及運輸路線要求必須在工廠分段加工運輸?shù)浆F(xiàn)場拼裝，其中鋼梁分為2段，分段位置避開鋼梁跨中；鋼桁架分為3段，分段位置為桁架1/3處，分段質(zhì)量為7.5~10t，如圖7所示。
3.2 主要構(gòu)件安裝方法
1)平行雙榀平面桁架安裝方法
平行雙榀平面桁架位于中心區(qū)4，7層巨柱之間，16榀平面桁架和巨柱組成一個27. 1m×27. 1m正方形框架結(jié)構(gòu)，桁架跨度為23. 5m，構(gòu)件的截面均為H型鋼。其中4層桁架高度為4. 1m，7層桁架高度為3m，兩榀平面桁架上下弦之間由H型連系鋼梁組成一個整體桁架結(jié)構(gòu)，如圖8所示。
根據(jù)4，7層之間的平行雙榀平面桁架的結(jié)構(gòu)特點，考慮了雙榀桁架整體吊裝、單榀桁架吊裝、單榀桁架分塊吊裝3種方法，但局限于塔式起重機的起重能力限制，選擇了單榀桁架分塊吊裝的方法。
將單榀平面桁架分為3段吊裝，需在桁架下弦安裝臨時支撐，臨時支撐采用口250×250 x8，下部支撐在已經(jīng)安裝好的3層或6層的樓層鋼梁上面。安裝順序為由兩側(cè)到中間，即先安裝兩側(cè)桁架，再安裝中間段桁架。先安裝兩端桁架的優(yōu)點是由于桁架和巨柱為栓焊節(jié)點，這樣能減少因桁架組裝誤差而影響高強螺栓穿孔率。兩榀平面桁架安裝校正完成后進行整體焊接，最后安裝桁架之間的連系梁和拆除臨時支撐。
2)外框鋼柱安裝方法
本工程共有50根截面邊長為600mm×600mm由底到頂?shù)牧庑瓮饪騼?nèi)傾空間鋼柱。每節(jié)外框柱采用柱頂?shù)倪B接耳板作為吊耳4點吊裝，就位時采用“夾板·耳板”連接方式臨時固定，就位后設(shè)置纜風(fēng)繩臨時固定和調(diào)校。在外框柱臨時固定后，首先對柱頂進行初次調(diào)整，調(diào)整后及時連接外框柱、核心筒柱之間樓層鋼梁，使結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定的體系。為減小安裝誤差，在外結(jié)構(gòu)邊的中間位置確定1根基準柱，參照基準柱由中間到兩邊的順序安裝。
每節(jié)外框鋼柱全部安裝完成后統(tǒng)一校正，利用柱頂中點采用三維坐標(biāo)測量法測量反光片，如有偏差進行調(diào)整，調(diào)整的方法為：上下兩節(jié)鋼柱對接口的錯邊，使用千斤頂調(diào)整，采用纜風(fēng)繩和導(dǎo)鏈校正柱頂精度，最后校正鋼柱牛腿的扭轉(zhuǎn)偏差。
3)拱肋鋼結(jié)構(gòu)安裝方法
由于結(jié)構(gòu)造型的需要在主體結(jié)構(gòu)四周設(shè)置了36榀拱肋，它是由屋檐到柱身的檐下曲線，體現(xiàn)了中國建筑最為優(yōu)雅的特征性線條。拱肋為弧形管桁架，截面大小為800mm×500mm，弦桿為ɸ203×(6~12)無縫圓鋼管，腹桿為ɸ83 x5，ɸ121 x5無縫圓鋼管，采用相貫焊接節(jié)點。
拱肋平均分布在正方形結(jié)構(gòu)四周，每榀桁架從22. 780m標(biāo)高支撐于菱形外框柱側(cè)面柱身，頂部和7層Z形屋檐鋼梁連接，頂標(biāo)高50. 680m。由于桁架長度為32—38m，為了保證桁架的穩(wěn)定性，在5層( 30. 780m)、6層(38. 780m)、6夾層(42. 780m)通過牛腿栓焊節(jié)點與主體結(jié)構(gòu)相連。管桁架的最大懸挑距離為31. 6m，位于結(jié)構(gòu)4個角部；最小外挑距離為22m，位于結(jié)構(gòu)邊中部，如圖9所示。
拱肋安裝在主體7層結(jié)構(gòu)完成后開始。由于拱肋的長細比較大且為弧形，不便于運輸和整體吊裝，因此將拱肋分為4段，分段位置在拱肋與主體結(jié)構(gòu)連接牛腿處，即30. 780，38. 780，42. 780m，如圖10所示。
單榀拱肋的安裝順序由下至上，即從第1段到第4段的吊裝，整體的平面安裝順序由中間向兩側(cè)，第4段拱肋相臨兩榀安裝完成后及時連接中間的連系鋼梁，最后安裝4個角部的拱肋，如圖11所示。
考慮到拱肋為異形空間結(jié)構(gòu)，吊裝前利用XSTEEL模型計算構(gòu)件重心點位置，第1~3段根據(jù)重心點設(shè)置3個吊點，其中2點在柱頂部，1點在柱中位置。利用導(dǎo)鏈調(diào)節(jié)吊裝鋼絲繩的長度，控制鋼柱空中形態(tài)與設(shè)計形態(tài)基本相同，以便于就位。由于本工程施工工期短、散件多，2臺塔式起重機吊次不夠，為減少塔式起重機的吊次，拱肋安裝根據(jù)構(gòu)件就位位置使用80~130t汽車式起重機吊裝。每段拱肋就位后采用耳板、夾板節(jié)點與牛腿臨時固定。
第4段拱肋頂部與屋檐Z形鋼梁連接，此處為高懸挑結(jié)構(gòu)，如果采用高空散裝法安裝風(fēng)險很大，工人安全難以保證，同時桁架和Z形鋼梁連接處為全熔透一級焊縫，焊接位置為仰焊，焊接質(zhì)量難以保證，因此將第4段桁架和Z形鋼梁地面拼裝成整體后再吊裝。拼裝完畢后在桁架和鋼梁之間增加臨時加固支撐保證結(jié)構(gòu)安裝精度和剛度，同時根據(jù)重心位置采用2點吊裝，就位時首先連接桁架，然后連接懸挑鋼折梁。
在36榀拱肋全部安裝完成后再統(tǒng)一校正，在Z形屋檐鋼梁最遠端設(shè)置測量控制點，和實體模型的三維坐標(biāo)控制點對比再進行調(diào)整。首先調(diào)整拱肋控制點標(biāo)高，然后調(diào)整偏移，坐標(biāo)點的校正可采用斜拉鋼絲繩和千斤頂。每一側(cè)8榀拱肋校正完畢后進行焊接，焊接的順序遵循安裝順序，即由中間向兩邊、先固定端后自由端，最后焊接4個角部的4榀拱肋。焊接完成形成穩(wěn)定體系后拆除Z形屋檐鋼和拱肋之間的臨時加固支撐。
4)圓形屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝
主樓屋蓋通過16根變截面H形鉸接鋼柱、8根 箱形剛接鋼柱環(huán)向支撐于標(biāo)高56. 750m環(huán)桁架上。屋蓋由內(nèi)、外環(huán)形鋼梁及24榀徑向鋼架組成，并呈1/4對稱。圓環(huán)中心點為錐形芯柱，芯柱上部2層均勻布置24根徑向鋼梁，下層為24根高釩拉索，內(nèi)外環(huán)之間通過24榀鋼架及支撐連接，屋蓋最大跨度42. 8m，如圖12所示。
根據(jù)圓形屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的特點，施工時先安裝半徑8. 8m的內(nèi)環(huán)桁架，由于運輸條件和塔式起重機起重性能限制，將內(nèi)環(huán)桁架分為6段運輸?shù)浆F(xiàn)場，然后拼接成3段弧形桁架吊裝。圓形屋蓋為大跨度空間結(jié)構(gòu)，考慮施工過程臨時穩(wěn)定，采用高空散裝法安裝內(nèi)環(huán)桁架需設(shè)置7根臨時支撐柱，其中6根環(huán)向支撐柱和1根中心點支撐柱。臨時支撐柱選用ɸ600×10圓鋼管，下部支撐于7層已安裝好的標(biāo)高47. 180m樓層鋼梁上，然后再分3塊安裝內(nèi)環(huán)桁架。如圖13，14所示。
每塊弧形桁架采用3點吊裝，中間點鋼絲繩設(shè)置5t導(dǎo)鏈調(diào)節(jié)鋼絲繩長度，使得桁架保持水平狀態(tài)，桁架采用3點控制坐標(biāo)的方法確定位置，3塊弧形桁架形成封閉后統(tǒng)一進行位置校驗，并進行對接口的臨時固定和焊接。
內(nèi)環(huán)桁架安裝完成后施工外側(cè)24榀“戈”形鋼架，外鋼架由2臺塔式起重機對稱吊裝，首先安裝和箱形鋼柱相連的8榀鋼架，使內(nèi)環(huán)桁架和鋼架形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，然后對稱安裝鉸接鋼架，最后安裝內(nèi)環(huán)桁架里側(cè)的芯柱及上部2層均勻布置的24根徑向鋼梁，下層的24根高釩拉索。
在屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝和拉索張拉完成后進行臨時支撐的卸載。臨時支撐的拆除根據(jù)變形協(xié)調(diào)、卸載均衡的原則，通過其上可調(diào)節(jié)支撐裝置的多次循環(huán)微量下降實現(xiàn)，卸載順序由中間向四周，即先拆除芯柱下面的中心點臨時支撐，再拆除內(nèi)環(huán)桁架下的6根臨時支撐。
4 結(jié)語
本文詳細闡述了中國國學(xué)中心主樓鋼結(jié)構(gòu)重點部位的技術(shù)難點和安裝方法，現(xiàn)場安裝時鋼構(gòu)件合理吊裝分段，根據(jù)實際工況選擇吊裝機械，安裝順序的正確組織，為鋼結(jié)構(gòu)的順利完工提供了重要的技術(shù)依據(jù)。
