逆作法結(jié)構(gòu)型鋼柱倒插式施工工藝研究與應(yīng)用
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劉 剛
（山西四建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030012）
[摘要]某工程地下結(jié)構(gòu)采用逆作法施工，主樓豎向結(jié)構(gòu)采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，通過合理的組織和技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了型鋼柱與鋼管支承柱之間在逆作區(qū)倒插銜接、合體化施工，保證豎向傳力體系的合理轉(zhuǎn)換，滿足設(shè)計(jì)和施工規(guī)范要求。詳細(xì)介紹了該技術(shù)的特點(diǎn)、工藝原理和施工技術(shù)要點(diǎn)。
[關(guān)鍵詞]高層建筑；地下工程；逆作法；型鋼柱；施工技術(shù)
[中圖分類號(hào)] TU745.5 [文章編號(hào)]1002-8498( 2016)01-0028-05
隨著我國建筑業(yè)的發(fā)展，高層、超高層建筑正在不斷地崛起，地下部分在實(shí)際施工時(shí)由于受施工場地的限制、施工工期等因素影響，地下結(jié)構(gòu)往往采用逆作法施工。型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)以其構(gòu)件截面小、加工工廠化、現(xiàn)場安裝速度快等優(yōu)點(diǎn)，有著更廣泛的應(yīng)用前景。由于逆作法施工工藝的特殊性，傳統(tǒng)逆作施工臨時(shí)支撐格構(gòu)柱或外澆筑大截面混凝土柱、或與主樓永久柱不在同位置需換撐的做法已不能滿足超高層建筑逆作施工的要求，通過采用地下部分設(shè)置鋼管支承柱作為臨時(shí)豎向傳力構(gòu)件，鋼管支承柱與結(jié)構(gòu)型鋼混凝土柱位置重合，實(shí)
現(xiàn)了型鋼柱與鋼管支承柱之間在逆作區(qū)倒插銜接、合體化施工，保證豎向傳力體系的合理轉(zhuǎn)換，滿足設(shè)計(jì)和施工規(guī)范要求，可為類似工程提供參考。
1 工程概況
太原紅星美凱龍家具生活廣場位于山西省太原市小店區(qū)長風(fēng)街體育路口往東100m，占地面積13 600m2，總建筑面積12.7萬m2，其中地上8.7萬m2，地下4. 01萬m2。地下3層，主樓地上34層，地上9層與24層為避難層，其余為辦公層，高度149. 5m。裙樓地上7層，高度41. 2m。
主樓結(jié)構(gòu)形式為型鋼混凝土組合柱，核心筒結(jié)構(gòu)；主樓外圍共有18根型鋼混凝土組合柱，由于本工程采用基坑周邊逆作法施工，主樓靠近逆作區(qū)有10根十字形鋼柱進(jìn)行逆作施工。
2工藝特點(diǎn)
1)簡化施工程序，降低施工成本 型鋼柱倒插施工優(yōu)化了逆作施工臨時(shí)支撐柱換撐工序，臨時(shí)支撐柱與正式結(jié)構(gòu)柱合體化施工，減小了截面，節(jié)約了材料，加快了施工進(jìn)度。
2)定位準(zhǔn)確 利用柱頂定位向下引導(dǎo)測量定位法，解決型鋼柱逆向施工、與臨時(shí)支撐鋼管立柱位置重合、鋼管立柱的偏位和傾斜（因規(guī)范中樁允許偏差和型鋼柱允許偏差不一致造成）、數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)確的難題。
3)傳力體系轉(zhuǎn)換合理 通過結(jié)構(gòu)型鋼柱倒插施工，與臨時(shí)鋼管立柱合為一體，共同承擔(dān)上部荷載，并傳至基礎(chǔ)承臺(tái)，合理解決豎向傳力體系的轉(zhuǎn)換，保證了結(jié)構(gòu)柱豎向受力，從而滿足設(shè)計(jì)、施工規(guī)范要求。
3 工藝原理
傳統(tǒng)逆作施工中建筑物臨時(shí)支撐柱與永久結(jié)構(gòu)型鋼柱大多不在同一位置，通過設(shè)計(jì)階段與設(shè)計(jì)單位溝通、計(jì)算，將臨時(shí)支撐立柱與永久結(jié)構(gòu)型鋼柱同心設(shè)置，從而減少換撐工序，降低超高層不同心換撐的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)以及臨時(shí)支撐柱拆除等材料浪費(fèi)。
結(jié)構(gòu)型鋼柱與臨時(shí)鋼管支承立柱銜接時(shí)，簡單的上下對(duì)接不能滿足整體結(jié)構(gòu)的受力要求，因此型鋼柱加工時(shí)，上節(jié)柱上半部加工成完整的十字柱，下半部將與鋼管支撐立柱重合部分的腹板進(jìn)行割除，與鋼管支承立柱之間進(jìn)行倒插連接，下節(jié)柱加工成4片“T”形柱。按照設(shè)計(jì)要求，已澆筑混凝土的鋼管立柱通過水平對(duì)接焊接、豎向焊接等工藝，替換割除的十字型鋼柱腹板受力。利用鋼材之間的焊接性能，保證了十字鋼柱與鋼管立柱之間的良好連接，形成臨時(shí)支撐鋼管立柱與正式型鋼結(jié)構(gòu)柱合體化施工，合理解決豎向傳力體系的轉(zhuǎn)換，從而滿足了設(shè)計(jì)、施工規(guī)范要求，確保工程質(zhì)量。
4 施工工藝流程及操作要點(diǎn)
4.1 工藝流程（見圖1）
4.2操作要點(diǎn)
4.2.1施工準(zhǔn)備
1)土方開挖使鋼管立柱部分露出地面，為便于施工操作，開挖深度應(yīng)為樓層結(jié)構(gòu)標(biāo)高往下2. 5m左右，并在該位置澆筑臨時(shí)墊層，便于腳手架搭設(shè)，根據(jù)臨時(shí)墊層的位置確定本節(jié)十字鋼柱的總長度，保證十字鋼柱下口標(biāo)高位置比臨時(shí)墊層高500mm。
2)鋼管立柱挖出后，采用角磨機(jī)將鋼管立柱表面的氧化鐵、泥土等雜物清理打磨干凈。
3)鋼管立柱柱頭內(nèi)要剔鑿平整、清理干凈。
4)鋼柱安裝區(qū)域及施工道路要暢通、結(jié)實(shí)、平整。
4.2.2 鋼管立柱偏差測量
1)鋼管立柱柱頭軸線位置偏差測量
鋼管立柱挖出并清理打磨干凈后，采用全站儀在鋼管立柱頂部測出十字型鋼柱的中心坐標(biāo)定位點(diǎn)，并在鋼管立柱頂部位置彈出十字線，同時(shí)還需將十字軸線引測到鋼管立柱頂端側(cè)壁上做標(biāo)記，根據(jù)十字線的位置分別測量出鋼管立柱的軸線位置偏差（見圖2），并記錄數(shù)據(jù)C1，C 2，C3，C4。
2)鋼管立柱柱身垂直度數(shù)據(jù)測量
首先采用經(jīng)緯儀在相互垂直的4個(gè)方向從鋼管立柱頂端側(cè)壁上的標(biāo)記點(diǎn)往下引垂線，并在鋼管立柱身上彈墨線，然后使用水準(zhǔn)儀將本節(jié)十字鋼柱下口的標(biāo)高位置標(biāo)記在鋼管立柱上，最后采用磁力線墜放置在柱頭側(cè)壁標(biāo)記點(diǎn)處，待線墜停止擺動(dòng)后在下口標(biāo)高位置測量線墜垂線與鋼管立柱身墨線之間的距離（見圖3），分別記錄數(shù)據(jù)d1，d2，d3，d4。
4.2.3數(shù)據(jù)分析計(jì)算與CAD精確放樣
1)根據(jù)以上測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算出鋼管立柱的傾斜情況，并根據(jù)計(jì)算出的數(shù)據(jù)采用CAD進(jìn)行精確放樣，繪制出十字鋼柱腹板掏空部分的切割大樣圖。腹板切割計(jì)算公式如下：
式中：e為線墜根部尺寸；a為鋼管立柱頭處十字鋼柱翼緣板外側(cè)距鋼管立柱之間的理論尺寸。B為單節(jié)十字鋼柱下端處翼緣板外側(cè)距鋼管立柱之間的理論尺寸。
2)實(shí)際腹板切割時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況將計(jì)算數(shù)據(jù)減去10mm進(jìn)行切割，即保證十字柱腹板與鋼管立柱之間留有一定的間隙，便于鋼柱吊裝就位和校正時(shí)調(diào)整。
4.2.4 上節(jié)十字型鋼柱及下節(jié)型鋼柱工廠加工
按照設(shè)計(jì)施工圖紙及相關(guān)規(guī)范圖集對(duì)鋼結(jié)構(gòu)加工詳圖進(jìn)行二次深化設(shè)計(jì)，根據(jù)深化詳圖在加工廠進(jìn)場工廠化批量制作。
4.2.5上節(jié)十字鋼柱腹板局部掏空及下節(jié)T形鋼柱切割
1)由于十字型鋼柱在腹板局部掏空后翼緣板會(huì)發(fā)生變形，因此在腹板切割前要在十字鋼柱的下口焊接臨時(shí)支撐，為防止在運(yùn)輸、裝卸車過程中發(fā)生變形，在十字鋼柱上口連接部位也要設(shè)置臨時(shí)支撐，臨時(shí)防變形支撐設(shè)置如圖4所示。
2)臨時(shí)支撐加固完畢后，方可根據(jù)腹板切割放樣圖對(duì)鋼柱腹板進(jìn)行切割，切割時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況將腹板與鋼管立柱之間留有5~ 10mm的調(diào)整間隙，盡可能采用半自動(dòng)切割機(jī)，確保腹板切割后的邊緣順直。
3)另外切割時(shí)要特別注意腹板的坡口方向，以免開反，坡口方向應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況確定，坡口應(yīng)開在腹板與鋼管立柱連接處縫隙較大的一側(cè)；坡口的角度應(yīng)根據(jù)CAD放樣后腹板與鋼管立柱連接處縫隙較大一側(cè)的數(shù)值大小而確定，保證焊縫的外觀寬度t= 15~ 20mm。
4.2.6鋼柱出廠
所有鋼構(gòu)件在車間加工完畢后，對(duì)不同位置的鋼構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)，然后對(duì)其加工質(zhì)量進(jìn)行全面檢查，檢查合格后方可出廠。
4.2.7上節(jié)鋼柱倒插安裝
1)鋼柱的吊裝可根據(jù)單件鋼柱的實(shí)際質(zhì)量、工作半徑、現(xiàn)場條件合理選取起重機(jī)械進(jìn)行吊裝。
2)鋼柱吊裝時(shí)采用耳板吊裝法，鋼柱吊點(diǎn)設(shè)置在事先焊好的耳板上，用專用吊具吊裝。吊裝時(shí)用2個(gè)U形卡環(huán)分別將鋼絲繩的一端與鋼柱上的2個(gè)耳板連接牢固，鋼絲繩另一端掛在吊鉤上，連接牢固即可試吊，試吊檢查沒問題后進(jìn)行正式吊裝，將型鋼柱緩慢吊裝至所在位置鋼管立柱上空300mm處時(shí)，人工調(diào)整型鋼柱使其下部開口處對(duì)準(zhǔn)鋼管立柱，對(duì)準(zhǔn)后緩緩落鉤，起落鉤要聽從指揮，型鋼柱就位后首先將型鋼柱的標(biāo)高調(diào)整到正確位置，然后利用撬棍、千斤頂、經(jīng)緯儀等工具進(jìn)行軸線偏差調(diào)整和垂直度校正，使型鋼柱的軸線與墊層地面上事先劃好的十字軸線重合，待型鋼柱標(biāo)高、軸線、垂直度都調(diào)整完畢后，將型鋼柱與鋼管立柱臨時(shí)點(diǎn)焊固定，點(diǎn)焊牢固后再進(jìn)行焊接。
4.2.8上節(jié)鋼柱焊接
4.2. 8.1焊前防變形支撐加固
鋼柱安裝校正完成后進(jìn)行焊接，在正式焊接前，為防止焊接變形要對(duì)十字柱腹板掏空部分進(jìn)行臨時(shí)加固，臨時(shí)支撐的兩端要分別與鋼柱翼緣板和鋼管立柱焊接牢固，具體加固措施如圖5所示。
4.2.8.2焊縫接頭形式
由于鋼柱整體套在鋼管立柱上，為便于鋼柱順利插入，依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量的鋼管立柱軸線位置和垂直度偏差，在加工廠內(nèi)兩邊各預(yù)留10mm間隙，并在背面加6mm厚、40mm寬鋼襯板后進(jìn)行全熔透焊接。
4.2.8.3焊接方法和焊接順序
1)焊接方法 為保證施工進(jìn)度，現(xiàn)場焊接采用CO2氣體保護(hù)焊焊接工藝。為提高焊接速度同時(shí)加強(qiáng)高空施工CO2氣體保護(hù)焊的抗風(fēng)能力，也可采用藥芯焊絲自保護(hù)焊焊接工藝。
2)焊接順序 自下而上、多層多道焊縫交替焊接。由于每道焊縫的填充量均比較大，所以焊縫不得一次焊接成型，要分層逐步交替焊接，每層焊縫的厚度≤5mm，并做好焊渣的清理工作。
3)焊前準(zhǔn)備 所有的焊接材料和輔助材料均要有質(zhì)量證明書，且符合相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)；現(xiàn)場的氧氣瓶、乙炔瓶和CO2氣瓶應(yīng)排列整齊、分區(qū)擺放；焊前要檢查安裝螺栓是否終擰，檢查坡口、間隙、鈍邊是否符合設(shè)計(jì)要求，檢查構(gòu)件有無發(fā)生變形，對(duì)受損和不滿足安裝質(zhì)量的構(gòu)件進(jìn)行及時(shí)處理；焊接前要搭設(shè)焊接施工的腳手架、操作平臺(tái)，并使用鋼絲刷或電動(dòng)鋼絲砂輪對(duì)坡口內(nèi)及兩側(cè)的浮銹進(jìn)行打磨清理。
4)定位焊鋼柱在就位校正完成后，要沿柱腹板焊接長度進(jìn)行定位焊，間距600mm，分布位置要避開連接板，定位焊長度80~100mm，焊縫高度4—6mm。定位焊點(diǎn)焊采用手工電弧焊，
4. 0mm，Q345鋼使用E50型（Q235鋼使用E43型）焊條，焊接電流80～120A，焊縫表面要求過渡平滑，與母材融合良好，落點(diǎn)弧坑要填滿；如發(fā)現(xiàn)焊縫上出現(xiàn)氣孔和開裂，一定要清除干凈后重焊。
4.2.8.4焊縫尺寸
焊接過程中，嚴(yán)格執(zhí)行工藝指導(dǎo)書，不得隨意改變焊接參數(shù)；不得在焊縫以外的母材上打火引弧。焊接時(shí)每道焊縫的寬深比應(yīng)≥1.1。單道焊最大焊縫尺寸宜符合表1要求。
鋼柱焊接過程中每層的引弧和收弧點(diǎn)要相互錯(cuò)開80~100mm，防止重疊引收弧處缺陷的疊加。
焊接完成后，割除構(gòu)件上的臨時(shí)支撐、吊耳，將構(gòu)件上的焊瘤、飛濺物、毛刺、焊疤等清除干凈并修磨平整。
4.2.9上節(jié)鋼柱驗(yàn)收
1)倒插式十字鋼柱安裝的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合以下要求：①首節(jié)柱柱頂軸線對(duì)定位軸線偏移 允許偏差3. 0mm，用全站儀柱頭坐標(biāo)定位檢查；②單節(jié)柱垂直度允許偏差h/1 000且≤10mm，用經(jīng)緯儀或磁力線墜檢查；③首節(jié)柱柱頭標(biāo)高 允許偏差±2. 0mm，用水準(zhǔn)儀檢查。
2)倒插式十字鋼柱安裝后的焊接質(zhì)量應(yīng)滿足以下要求：①十字型鋼腹板與鋼管立柱焊接接頭形式接近于T形接頭，進(jìn)行全熔透焊接，其焊腳尺寸應(yīng)≥t/4，焊腳尺寸的允許偏差為0~4mm。②設(shè)計(jì)要求十字型鋼腹板與鋼管立柱連接焊接按照二級(jí)焊縫外觀檢驗(yàn)。故焊縫表面不得有裂紋、焊瘤、表面氣孔、夾渣、弧坑裂紋、電弧擦傷等缺陷。
4.2. 10下節(jié)鋼柱安裝
1)由于十字形鋼柱采用逆作法施工，上節(jié)鋼柱柱身上部為完整的十字柱，下部由于有鋼管立柱的存在，腹板局部掏空，因此下一節(jié)鋼柱腹板要通長與鋼管立柱進(jìn)行連接，十字型鋼柱就變?yōu)橛?個(gè)T形鋼柱與鋼管立柱焊接成型的組合截面，十字鋼柱的安裝就變?yōu)門形鋼柱的安裝。
2)T形鋼柱在加工前同樣要測量鋼管立柱的垂直度偏差，采用經(jīng)緯儀從上節(jié)柱的腹板中心往下引垂線，在鋼管立柱身彈黑線，用磁力線墜測量鋼管立柱的垂直度，然后對(duì)測量的數(shù)據(jù)分析計(jì)算（計(jì)算方法同上節(jié)柱），CAD放樣圖繪制，T形鋼柱腹板切割，最后運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行安裝。
3)由于是逆作法施工，上節(jié)鋼柱安裝完成后，多數(shù)要進(jìn)行上一層的混凝土柱、梁、板的澆筑，下節(jié)T形鋼柱在安裝時(shí)起重機(jī)難以到達(dá)安裝位置，因此下節(jié)T形鋼柱安裝時(shí)主要使用塔式起重機(jī)將構(gòu)件盡可能運(yùn)輸至安裝位置附近，然后人工采用鋼管滑移法將T形鋼柱移動(dòng)至安裝位置，最后采用倒鏈進(jìn)行安裝就位。
4)T形鋼柱在焊接前首先將T形鋼柱的4個(gè)翼緣板采用臨時(shí)支撐焊接在一起，每隔800mm設(shè)置1道，再采用臨時(shí)支撐將鋼柱的翼緣板與鋼管立柱進(jìn)行焊接，從上往下0. 5m和1.5m的位置各設(shè)1道，臨時(shí)支撐的厚度同柱翼緣板，寬度≥50mm。臨時(shí)支撐加固完畢后進(jìn)行正式焊接，焊接時(shí)先焊接下端與柱底板連接的焊縫，再焊接T形鋼柱腹板與鋼管樁連接的焊縫（自下而上），最后焊接上部接頭位置的對(duì)接焊縫，焊接采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，焊接完成且所有構(gòu)件完全冷卻后割除所有的臨時(shí)支撐和吊環(huán)，最后將所有現(xiàn)場需要探傷的焊縫（上下鋼柱對(duì)接焊縫）兩端5cm范圍內(nèi)打磨干凈便于探傷，在鋼柱焊接完成24h后對(duì)上下鋼柱對(duì)接焊縫進(jìn)行超聲波探傷檢測。
4.2. 11 柱腳底板及地腳錨栓安裝
1)由于受鋼管立柱的影響，柱底板不能正常安裝，需要將柱底板中間切割出鋼管立柱位置的孔洞并分成4塊進(jìn)行安裝。因此柱底板在制作前要對(duì)柱底板所在標(biāo)高位置的鋼管樁偏移數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量，測量時(shí)使用經(jīng)緯儀和磁力線墜，測量方法同上，分別記錄鋼柱底板標(biāo)高位置的數(shù)據(jù)L1，L2，L3，L4，然后測量線墜根部尺寸e，由公式a=L-e可以確定T形鋼柱翼緣板與鋼管立柱接觸處的距離，柱底板處鋼管立柱偏移數(shù)據(jù)測量如圖6所示。
2)根據(jù)計(jì)算出的數(shù)據(jù)使用CAD進(jìn)行精確放樣，確定鋼管立柱的圓心及具體位置，并需要確定柱底板的分塊切割線。
3)柱底板切割時(shí)首先在加工廠采用數(shù)控切割機(jī)在柱底板中間切割出比鋼管立柱直徑大10mm的圓孔，然后分割成4塊并開坡口，柱底板分塊拼接時(shí)開350單V形坡口，留2mm鈍邊，2塊板之間不留間隙。柱底板與鋼管樁之間留有5mm的間隙，開35。單V形坡口，留2mm鈍邊。為便于后期鋼柱底板與基礎(chǔ)之間的二次灌漿，在鋼柱底板上要在避開焊縫位置進(jìn)行提前進(jìn)行鉆孔，孔的直徑和數(shù)量根據(jù)實(shí)際情況確定。
4)柱底板安裝時(shí)的平面水平度采用水平尺進(jìn)場控制，水準(zhǔn)儀進(jìn)行復(fù)核，水平度應(yīng)≤5mm。柱底板安裝固定過后首先進(jìn)行柱底板的焊接，焊接時(shí)先焊通長的直焊縫，后焊與鋼管立柱相連的圓弧焊縫，焊接前要在柱底板下面點(diǎn)焊鋼襯板，焊接時(shí)要注意柱底板的焊接變形，要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置臨時(shí)支撐加固，焊接完成后安裝地腳螺栓，緊固后將螺栓墊塊與柱底板采用角焊縫進(jìn)行四面圍焊，焊腳尺寸10mm。
4.2. 12混凝土澆筑
每節(jié)型鋼柱安裝就位后，水平梁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行模板支設(shè)、鋼筋綁扎、混凝土澆筑；待柱底板、地腳螺栓安裝結(jié)束澆筑基礎(chǔ)混凝土；逆作施工水平結(jié)構(gòu)施工過程中，利用施工間歇時(shí)間，對(duì)逆作柱進(jìn)行鋼筋綁扎、模板支設(shè)、混凝土澆筑。
5 結(jié)語
通過采用型鋼拄與鋼管支承柱之間在逆作區(qū)倒插式施工工藝的研究與應(yīng)用，既保證豎向傳力體系的合理轉(zhuǎn)換，滿足設(shè)計(jì)和施工規(guī)范要求，又減少了臨時(shí)支撐柱拆除產(chǎn)生不必要的廢棄物，降低了施工成本，縮短了施工工期，可為類似工程提供參考。
