武汉绿地中心项目位于武昌滨江商务区, 与汉口百年外滩隔江相望, 建成后将成为一个集超五星级酒店、高档商场、顶级写字楼和公寓等于一体的超高层城市综合体。武汉绿地中心项目总建筑面积约为72.86万m², 由1栋超高层主楼、1栋办公辅楼、1栋SOHO办公辅楼及裙楼组成。其中超高层主楼地下室5层, 地上结构120层, 建筑高度636m, 钢结构总用钢量约10万t, 结构形式为核心筒+巨型柱+伸臂桁架+环带桁架。武汉绿地中心效果如图1所示。

主楼外框钢结构由12根巨柱、18根重力柱、10道桁架、柱间支撑及楼层钢梁构成, 其中伸臂-环带桁架共有4道, 分别位于F34~F36层, F63~F66层, F97~F99层, F116~F118层。

本文重点介绍尺寸最大的F63~F66层伸臂-环带桁架施工技术, 此道桁架标高范围为314.950~330.900m, 高度方向共跨越4个楼层, 高达15.95m, 钢结构总量4 500t。环带桁架沿结构边界呈折线型分布, 同时沿高度方向向内倾斜5°。桁架构件最大截面尺寸为H1 000×1 000×100×100, 最大板厚达100mm, 材质主要为Q345GJC, 同时在其下方设有风洞层。风洞层效果如图2所示, F63~F66层伸臂-环带桁架三维示意如图3所示。

1) 分段分节要求高为保证桁架各构件质量满足现场塔式起重机起重能力, 同时方便加工厂构件制作、现场吊装和焊接等, 必须确定合理的分段分节方案。

2) 安装难度大伸臂-环带桁架层大型构件多、节点复杂, 环带桁架沿结构边界呈折线型分布, 同时沿高度方向向内倾斜5°, 桁架构件在高空安装就位难度大, 安装精度控制要求高。

3) 焊接难度大伸臂-环带桁架构件存在大量超厚板焊缝, 需采用薄层、多道方法施焊。由于高空作业环境条件差, 同时易受气候环境条件影响, 桁架焊接质量控制难度大。

4) 安全防护难度大伸臂-环带桁架存在大量大型构件, 起重吊装风险大, 同时钢结构安装在工程施工中领先于其他专业和工序, 存在大量高空作业和临边作业, 做好高空安全防护难度大。

F63~F66层伸臂-环带桁架构件全部由现场2台M1280D动臂塔式起重机和1台ZSL2700动臂塔式起重机进行安装。其中M1280D动臂塔式起重机臂长为55m, 覆盖半径52.5t, 最远端起吊能力为38t;ZSL2700动臂塔式起重机覆盖半径为55m, 最远端起吊能力为37.6t。考虑桁架构件起吊时最不利工况, 桁架分段以此为上限, 同时遵循以下分段原则: (1) 构件制作工艺合理分段提高构件制作精度; (2) 构件尺寸依据道路运输要求, 长度不能超过13m, 宽度不能超过4m, 高度不能超过3.5m; (3) 现场安装要求构件质量不能超过M1280D以及ZSL2700起吊能力; (4) 与土建施工的关系考虑土建施工对钢结构的影响; (5) 现场堆场布置考虑堆场布置对构件起吊的影响; (6) 现场焊接工作量尽量减少分段, 提高安装效率和焊接量。

在按上述原则完成分段后, 对桁架牛腿与巨型柱连接节点运用BIM技术进行了优化处理。首先使用TEKLA软件建立桁架牛腿与巨型柱连接节点模型, 再根据钢筋排布原则, 在模型中完成钢筋放样, 以三维可视化的形式找出钢筋与桁架牛腿、巨型柱之间的碰撞部位, 提前与设计院沟通, 通过在桁架牛腿、巨型柱上设置接驳器或搭接板等做法, 较好地解决了碰撞问题。桁架牛腿与巨型柱连接如图4所示。

伸臂-环带桁架施工难度大, 工期长, 为方便现场施工和提高钢结构施工进度, 武汉绿地中心主楼伸臂-环带桁架施工采用现场拼装、整体高空就位的吊装方式。采取拼装的方式可有效减少对M1280D塔式起重机及ZSL2700塔式起重机的依赖, 有助于加快现场施工进度。现场组拼具体步骤如下。

1) 设置地面线型根据构件形状以及拼接点位置, 在拼装场地地面投影出待拼装的环带桁架散件轮廓线, 此轮廓线作为支撑平面以及立面布置的依据。

2) 设置工装胎架在轮廓线主要节点位置设置整体组装水平胎架, 胎架以埋件形式连接到场地, 根据桁架拼装姿态设置支撑架高度, 以便于构件准确定位。

3) 构件定位根据环带桁架相对位置关系, 利用全站仪定位, 并进行焊接或者螺栓终拧, 实现组拼。

4) 整体校验在桁架组拼完成后, 为配合现场安装方便, 必须做好各连接口处的标记。整体桁架定位完成后经自检、互检合格后提交质检员验收。

由于在本道桁架下设有风洞层 (F59~F62) , 为方便环带桁架及对应楼层钢梁的安装, 自F59层楼板安装风洞支撑, 风洞支撑主要由支撑柱和水平撑组成, 支撑柱采用φ300×16圆管, 水平撑采用φ219×10圆管。风洞支撑及其布置如图5所示 (以1/6区域示意, 其余各处对称和中心对称布置) 。

伸臂-环带桁架安装流程如图6所示, 具体安装步骤如下: (1) 第1步下弦于地面拼装完成后进行吊装; (2) 第2步下弦安装完成后, 安装下弦杆对应的F63层钢梁, 牛腿焊接1/5, 完成下弦杆栓焊; (3) 第3步安装桁架立柱, 并安装与立柱相连的F64, F65层钢梁; (4) 第4步安装桁架两侧X形撑, 再安装中间X形撑与斜腹杆, 并安装该X形撑对应的F64, F65层钢梁, 完成下弦牛腿焊接; (5) 第5步安装上弦桁架牛腿及上弦节点, 牛腿焊接1/5, 完成上弦杆栓焊; (6) 第6步安装上弦杆对应的F66层钢梁。

1) 焊接方法选择针对本工程特点, 结合以往施工经验, 采用CO₂气体保护半自动焊和实芯焊丝的焊接工艺来完成本工程伸臂-环带桁架焊接。该焊接工艺可达到更好的焊接效果, 能确保本工程焊接质量。选用实芯焊丝, 熔池更易成型, 飞溅少、焊缝成型美观。

2) 焊接工具房布置根据F63~F66层伸臂-环带桁架结构特点及塔式起重机的部署, 在F62楼层内布置焊接工具房, 用于提供电力、堆放焊接设备、焊接材料等。焊接工具房为自制集装箱式, 尺寸为6m×2.3m×2.2m, 随作业面的迁移用塔式起重机转移。

3) 焊接顺序桁架杆件间的连接焊缝均采用全熔透焊接, 吊装校正完成后, 进行临时固定, 然后对称施焊, 整体焊接顺序:完成巨柱SC1-SC1间下弦杆焊接→完成巨柱SC1-SC2间下弦杆焊接→完成巨柱SC2-SC2间下弦杆焊接→完成相应腹杆栓焊→完成上弦杆牛腿焊接→完成立杆及上弦杆焊接, 如图7所示。

桁架弦杆焊接顺序:安排2名焊工施焊, 首先对称焊接翼缘板, 然后其中1名焊工焊接腹板, 同一根桁架弦杆两端的对接焊缝不允许同时施焊, 如图8所示。

巨柱牛腿焊接按照自下而上的顺序, 焊接时采用分段跳焊的方式: (1) 牛腿吊装就位, 连接临时搭接板, 进行临时固定, 如图9所示, 左侧为外框巨柱, 右侧为桁架牛腿。斜杆连接板处, 由上而下设置2道搭接板, 牛腿下弦杆腹板设置连接板孔位, 与左侧巨柱连接板固定。 (2) 焊接牛腿H型下弦杆的上下翼缘, 通过临时连接与上下翼缘板的焊接控制斜腹杆连接板的焊接变形。 (3) 牛腿斜杆连接板与下弦杆腹板焊接1/5。 (4) 安装好环带桁架上弦杆牛腿后, 牛腿斜杆连接板与下弦杆腹板焊接3/5。 (5) 环带桁架整体吊装完成后焊满。

4) 焊接变形控制F63~F66层伸臂-环带桁架杆件共包括3种规格的工字钢, 构件截面和厚度较大, 焊接工艺复杂, 易造成焊接收缩变形, 焊接应力较大, 因此需进行焊前预热和焊后保温, 采用对称跳焊、多层多道焊接方式, 要求现场焊接工人严格按照施工交底及焊接顺序施焊, 进而保证焊接质量。

目前, 超高层伸臂-环带桁架施工中常使用脚手架操作平台、爬梯+挂篮、简易式吊笼等作为安全防护措施, 不仅措施量大、散件多、安拆时间长, 且对施工进度、安全均不利。为克服传统安全防护措施的局限性, 施工中采用了模块化桁架操作架平台, 具有结构质量轻、安全系数高、制作简易、吊装方便、实用性强、经济实惠等特点, 已顺利完成2道伸臂-环带桁架和6道环带桁架的安装就位、栓接、焊接施工, 其使用效果良好。

操作架平台随着桁架安装逐步搭设, 操作架底部封闭, 沿斜腹杆、牛腿边缘依次密封严实。桁架及楼层钢梁下方设置水平防坠安全网, 内外两侧操作架之间的空隙安装水平兜底防护。

操作架事先在地面拼装成整体单元, 在桁架吊装时, 操作架单元随着桁架的安装逐步架设完成。操作架标准单元如图10所示。

操作架外侧为钢网片防护, 最底层为型钢框架铺设花纹钢板, 进行防火接火。操作架靠桁架内侧挂设标准化钢爬梯, 爬梯局部位置根据现场施工以及防护适当调整, 满足安全生产前提。钢爬梯通过挂钩挂设在标准操作架平台内侧角钢上, 并由上而下用铁丝绑扎固定。

伸臂-环带桁架施工技术是超高层建筑地上结构施工中的关键技术。本文基于武汉绿地中心项目伸臂-环带桁架施工过程中遇到的桁架分段分节、高空吊装就位、超厚板焊接及高空临边安全防护措施等施工重难点, 采取了一系列施工措施保证了较高的安装效率、安装精度及焊接质量, 对类似工程伸臂-环带桁架施工具有一定的借鉴意义。