滨江金融大厦项目T1塔楼的外框钢结构柱为斜向交叉巨型框架柱, 单根框架柱的最大直径达2 000mm, 外立面建筑幕墙将安装在框架柱内。

塔楼四角有8根巨型钢柱直通到顶;在5F以下共有16根巨型圆钢管混凝土柱;5F~51F为斜交网格框架, 共有32根圆钢管混凝土柱。外框钢结构共设有5道环桁架, 分别位于3F, 17F, 29F, 41F, 53F (均为环桁架下弦所在楼层) , 环桁架均为圆钢管, 如图1, 2所示。

斜向交叉巨型框架柱为外露竖向结构, 采用钢牛腿与外框柱连接形成整体, 而外钢框架设计时仅在建筑避难层设置环向腰桁架增加外框整体抗弯、抗扭刚度。

但是在施工过程中相邻2个避难层之间的标准层多达十余层, 缺少环向腰桁架的约束作用, 导致施工过程中结构的整体稳定性降低, 因此钢柱吊装与焊接安全有非常大的风险。鉴于此, 项目部利用三维有限元数值分析软件, 对钢柱的受力形态进行分析, 优化深化设计, 编制针对性的吊装、焊接等施工方案。

外钢框柱只在避难层有环向腰桁架作用, 而对于两避难层之间段, 外钢框柱会出现悬臂状态, 由于钢柱自重及其内混凝土自重影响, 钢柱会产生一定的力矩, 导致发生位移 (劈叉) , 存在较大的安全风险。

建立三维有限元模型, 选择T1塔楼第1段斜交外钢框柱的空钢管、混凝土钢管、带牛腿混凝土钢管进行有限元分析;在悬臂空钢管安装与柱芯混凝土浇筑及焊接牛腿过程中, 对仅下端有环向腰桁架约束时的钢柱最大位移及节点应力进行对比分析, 斜交外钢框柱如图3所示。

1) 混凝土单元类型为三维20结点实体单元 (C3D20R) , 钢管单元为4结点缩减积分单元 (S4R) ^[1]。

2) 混凝土材料采用损伤塑性模型, 并采用韩林海本构。

3) 钢管采用三段式本构模型。

4) 边界条件根据实际工况选取: (1) 无牛腿约束时, 构件为底部约束3个方向平动; (2) 施加牛腿后, 牛腿施加3个方向约束。

5) 钢管及混凝土界面选取接触单元, 法向采用硬接触, 切向摩擦系数为0.6。

分析结果表明 (见图4) , 悬臂状态下的空钢管在底端约束时, 最大应力达到6.127MPa, 钢柱顶部开叉位移达到3.98mm。其最大应力位于分叉节点处, 处于最薄弱部位, 在钢柱安装过程中需加强焊接质量控制措施。

1) 分析结果表明 (见图5) , 悬臂状态下混凝土钢管在底端约束情况下, 最大应力达到178MPa, 钢柱顶部开叉位移达到20mm。说明浇筑混凝土对结构产生了较大作用。

2) 对钢柱浇筑混凝土后, 钢柱开叉处薄弱部位的应力显著增大。所以对混凝土钢柱分叉部位需采取措施减小应力作用。

1) 分析结果表明, 加设钢牛腿作用后, 在混凝土钢管约束下, 最大应力为88.28MPa, 钢柱顶部开叉位移为4.028mm。说明及时焊接钢牛腿对结构起到了较大的约束作用。

2) 将钢柱和楼承板钢梁及时与钢牛腿焊接, 会较大地减小交叉口处应力, 而最大应力处于牛腿位置, 此时相应地加强牛腿处的焊接质量即可。

根据现场实际情况, 在未焊接钢梁牛腿情况下, 钢柱上口发生了错台形式, 而焊接牛腿的钢柱能完整对接, 再次证明钢梁牛腿对结构整体稳定性起到了很大作用。

1) 为保证混凝土不离析且不至于对钢柱造成较大影响 (自重) , 需分段浇筑 (≤20m/次) 。

2) 为保证钢柱安装质量, 需及时将钢柱与钢梁牛腿焊接, 加强整体稳定性。

3) 对于应力较大的薄弱部位, 需保证焊接质量。

T1塔楼的深化设计采用Tekla软件和Revit软件建立空间模型。

Tekla软件用于对图纸节点部位进行深化设计, 而重要节点部位为斜交钢框柱与钢梁交接处, 每层钢梁与斜交钢框柱相交位置不一, 截面也不一致, 因此对每个截面单独深化设计, 确保钢梁安装到位。

Revit软件用于后期机电模型建立。由于斜向钢框柱呈束状, 标准层水平钢梁均与相邻上下层不同, 而建筑功能相同的楼层将出现不同的机电管线综合方案与支吊架定位方案, 如图6所示。

1) 钢材质量证明书的内容需符合设计及相关规范要求。原材料进场后应按规范要求对其进行检测, 检测项目包括:化学成分分析检验和力学性能检测。

2) 焊材质量证明文件、品种、规格、型号符合设计及规范要求。焊条、焊丝应存储在干燥、通风良好的地方, 并设专人保管。

3) 构件检查检查构件编号、规格、尺寸是否与加工图一致。

4) 支座预埋件偏差检查。

5) 钢结构安装尺寸检查。

6) 焊接检查。

由于施工场地狭小、材料需要周转的特殊性要求, 工地选用D1100-63塔式起重机, 在35m作业半径范围内、幅度4倍率时可覆盖所有的外框钢结构区域以及重型构件堆场, 此时塔式起重机的额定吊重为27.22t。外框钢结构分段质量应小于塔式起重机的额定吊重。

项目部采用空间坐标法对钢柱进行测量校正: (1) 在CAD图中对钢柱拼接部位进行坐标采集; (2) 在现场对外框斜交钢柱的拼接面放样, 标出相互对应的4个定位点; (3) 在钢柱吊装拼接时, 对应下底面标记点位, 上顶面使用全站仪核实标记点位 (利用粘贴磁铁反光片) 的坐标进行微调, 将钢柱进行精准定位。

为防止钢柱安装时出现错位、偏位及焊接焊缝强度不够等情况, 需采取多层多道全熔焊接工艺提高焊接质量。T1塔楼钢柱钢板最大厚度达45mm, 采用多层多道焊的焊缝质量明显优于普通多层焊。

钢柱焊接固定后, 根据三维有限元数值模拟分析及现场实际情况, 需及时地与楼承板钢梁牛腿焊接, 达到整体稳定性效果, 如图7所示。

1) 钢框柱上端无环向腰桁架约束时, 钢牛腿的及时焊接会加强结构整体稳定性, 对开叉斜向钢柱有较好的约束作用。

2) 钢框柱安装时采取空间坐标法, 能对其进行精准对接。

3) 采取BIM技术进行交叉部位深化设计, 能检验各元件之间的碰撞。确保钢梁准确安装到位。

4) 采用组合焊接+多层多道全熔焊接新工艺, 现场焊接质量得到保证。

通过全过程管控, 采用新工艺对现场施工有较好的指导, 且该方法已应用于长沙滨江金融大厦项目, 效果良好。