上海世茂深坑酒店项目地处松江旅游度假区, 是全球首座建在深坑内的超五星级酒店。工程结构为带支撑的钢框架结构体系, 总建筑面积约62 000m², 总用钢量约8 300t, 标准层层高3.7m, 标准层面积约2 500m², 坑内16层, 坑外2层, 其中B16, B15层为型钢混凝土结构, 位于水面以下, B14层以上为钢管混凝土柱, 圆管柱最大截面为700×30, 根据现场实际情况及塔式起重机起重性能对钢柱进行分节安装, 2层1节柱, 共分为10节柱, 每节柱69支, 其中斜柱32支。柱内混凝土均采用高抛法浇筑。工程整体效果如图1所示。

多牛腿圆管斜柱构件弯扭, 斜插板多, 单节点最多牛腿7个, 节点复杂, 精度要求高。

圆管柱倾斜角度较大, 最大倾角达45°, 安装时采用缆风绳、手拉葫芦及临时固定夹板多重固定方式对其进行临时固定, 校正时需要塔式起重机配合进行, 如图2所示。

斜柱牛腿多, 角度和方向各异, 安装精度难以控制。工厂制作时通过在柱身打样冲及放样拼装来控制牛腿的制作精度;现场安装时通过全站仪分别对柱顶中心点及两个相邻方向牛腿上翼缘上表面中心点坐标进行控制, 通过工厂和现场以不同手段来确保多牛腿异形圆管柱的安装精度。

由于圆管柱倾斜度大且多数截面为φ600×25, 安装焊接变形大。通过MIDAS施工模拟分析, 得出结构应力及变形位移, 安装时参考模拟分析结果, 同时结合实际情况进行反向预调, 使最终结构变形在可控范围内。

柱内浇筑混凝土施工难度较大。圆管柱截面小且设计了内隔板, 经过专家讨论, 最终决定使用高抛法浇筑, 柱内采用自密实混凝土, 经现场多次试验试配, 通过严格控制配合比、微振捣的工艺技术, 满足设计要求。

32支圆管斜柱主要分布在2个区 (见图3) 。

首先考虑现场塔式起重机布置及塔式起重机起重性能参数。本项目采用2台C7052塔式起重机, 臂长70m, 基本能覆盖整个施工作业面, 如图4所示。使用2倍率臂端起重量为5.2t, 钢柱分节单节最重4.98t, 满足吊装要求。

其次考虑多牛腿圆管斜柱加工制作及运输的经济性、便利性, 最大长度控制在13m;综合设计节点受力要求及现场安装的可操作性, 每节柱分段点位置应高出楼板面1.3m。

最后结合相应技术标准及规范要求, 同时满足现场安装对接口焊接工艺要求, 斜柱的断开点处截面必须与柱身垂直。

圆管斜柱分段如表1所示。

1) 圆管柱构件小料板件利用数控火焰切割技术, 达到精确下料。

2) 圆管柱牛腿非正交空间角度折线柱, 各牛腿的定位基准线确定难度大, 制作专用胎架, 圆管柱1∶1放样制作。

3) 斜圆管柱弹出四等分线和牛腿中心线, 牛腿定位以中心线为定位基准。

4) 牛腿预装配焊接再整体组装, 减小圆管柱的整体焊接变形, 提高定位尺寸精度。

5) 牛腿与圆管柱采用对称焊接, 减少焊接变形对牛腿端口尺寸的影响。

6) 制作角度样板并利用空间拉线定位测量法检测构件制作精度。

7) 采用CAD和XSTEEL软件测量牛腿理论位置和实际位置差异, 对焊接后的牛腿端口空间尺寸二次复核。

零件下料采用数控等离子切割机、数控火焰切割机及数控直条切割机进行切割加工, 切割质量应符合表2技术标准。

圆管进厂后先检测圆管的圆度、截面垂直度、直线度、长度, 各项指标应符合标准。

画基准线, 打样冲:圆管柱应画出4个方向的四等分基准线, 先以圆管主焊缝为一个面的中心在两端头采用吊线锤画出主焊缝及对称面的中心点, 然后按上下面中心点画出左右两边的中心点, 4个面的中心点都画好后采用粉线将两端头中心点连接弹画。

圆管柱内隔板定位要以端部基准线为基准进行定位, 标识好内隔板板厚左右侧;内隔板定位点焊长度40mm, 间距200mm, 背面加装钢衬垫或陶瓷衬垫;内隔板的焊接方法采用平焊或立焊。

圆管柱端面铣要注意调整好定位角度, 保证圆管轴线垂直于端铣面;端铣作业要以圆管端部基准线为基准;端面铣前要划出端面圆线, 在端铣的过程中进行调整, 端铣按圆线轨迹加工。

制作专用胎架, 圆管柱1∶1放样制作, 零部件要弹好各自的定位线, 需装配的零部件与圆管的接触面须用砂轮机打磨。

圆管柱在端部固定角钢拉线, 各标高的牛腿基准线要和角钢拉线对应, 以此来保证各标高的牛腿角度方向一致。

圆管柱装配完成后要进行自检、专检, 合格后转焊接工序。

圆管柱安装流程控制如图6所示。

1) 下一节柱吊装前, 已安装的上一节柱内混凝土必须浇筑且达到设计要求的养护强度, 混凝土灌注面离柱顶300~500mm为宜, 浇筑完毕要清理浮浆, 灌水10~30mm养护, 对柱顶灌浆口进行覆盖, 避免杂物进入。

2) 吊装前对上节柱顶标高、轴线、柱顶中心及牛腿中心点坐标进行复测。

3) 仔细检查吊装工具, 特别是吊装钢丝绳、卡环、导链、吊钩, 确保完好无损。

4) 检查吊装机械的性能, 钢丝绳、限位器等是否正常。

5) 爬梯必须预先与钢柱固定牢固, 且应固定在斜柱的背面一侧, 同时在柱顶挂好防坠器, 供卸钩人员使用。

6) 在已安装的上一节柱顶相对两侧预先焊接定位板, 2块定位板之间的净间距与圆管柱截面直径一致, 这样斜柱吊装就位时更容易操作, 如图7所示。

7) 在待吊装的钢柱柱底预先挂上安装使用的临时固定夹板, 如图8所示, 穿1颗安装螺栓临时固定, 待钢柱吊装就位后再安装剩余螺栓并紧固。

随着结构安装荷载不断增大, 结构中应力及变形也在不断变化, 通过施工模拟验算得出最大应力及变形在B8, B7层, 第5~6节柱上。在没有临时支撑约束的情况下, 为了控制结构安装中的应力及变形, 施工中应遵循如下原则:①通过控制安装顺序减少结构整体变形。从楼梯间、电梯井处开始安装, 先安装直柱, 再安装斜柱, 然后接着同步安装斜柱与直柱间的框架梁, 使尽快形成稳定的单元体, 减少结构变形;②斜柱一侧均有悬挑阳台, 安装斜柱时, 尽量利用结构自身的重心找平衡, 将变形控制在最低;③控制楼层混凝土浇筑层数, 楼板混凝土浇筑滞后钢结构安装2层, 依据施工模拟分析, 当浇筑完B8层时停止, 待钢结构全部安装完毕后再依次逐层浇筑;④每安装完一节柱应及时同步安装柱间支撑及相应框架连系梁, 使结构尽快变成整体受力状态。

斜柱吊装采用2点起吊, 考虑单根柱最大质量为4.98t, 通过计算, 采用2根22mm长6m钢丝绳与一个5t倒链组合的吊装钢索系统进行吊装。采用全站仪分别对柱顶中心、上层相邻两个方向牛腿中心点三维坐标进行测量, 使之与设计模型中的三维坐标一致, 达到精确校正效果。

本工程斜柱焊缝较多, 焊接变形控制难度大。因此, 采用CO₂气体保护焊并制定相应措施来控制异形圆管柱焊接结构变形。

1) 焊接接头应在该施工流水段主要构件 (包括柱、梁、斜撑) 安装、校正定位完成后进行焊接。

2) 立面上采取先焊上层梁接头, 再焊下层梁接头, 其次焊接柱间接头, 最后焊接中层梁的焊接顺序。

3) 平面上采取围绕中心部位对称焊接的顺序, 避免集中于一处焊接。

4) 两人同时逆时针对称、同步、分层、多道施焊, 对于单个接头, 应根据构件截面大小以分段、对称施焊的原则进行焊接。

斜柱焊接如图9所示。

焊缝收缩 (主要为横向收缩) 对构件的变形影响较大, 而收缩量主要与焊接线能量关系密切。为此, 在焊接工艺评定时, 进行现场模拟接头试验, 通过分析异形圆管柱焊缝收缩量的数据, 为斜柱对接焊缝进行收缩预控。

为了减小构件变形, 保证施工进度和操作安全, 采取时间和空间错开的方法, 合理安排吊装和焊接次序, 做到搭接施工。

在整个焊接过程中, 随时用测量仪器进行变形监控。当某个点处偏差可能超控时, 调控焊接顺序, 及时加以纠偏。

结构变形控制贯穿于整个焊接过程, 特别是起初几个区段更为重要。通过焊接过程中的跟踪监测, 摸索相应规律, 以便指导后续施工。

1) 焊接作业区风速手工电弧焊时不得超过8m/s, CO₂气体保护焊不得超过2m/s, 否则应采取防风措施。

2) 焊接操作平台防护栏四周用阻燃型材料封闭, 可有效防止大风及雨水对焊接的影响。

3) 焊前应保证预热, 对层间温度有效控制, 降低接头拘束度, 减少焊接热影响区范围。

4) 采取焊后缓冷或后热, 使接头在冷却时能均匀减少焊接收缩, 降低残余应力峰值和平均值。

焊接参数选择如表3所示。

焊缝质量检测分外观检查和无损检测。外观检查按照GB50661—2011《钢结构焊接规范》执行;无损检测 (UT) 按照GB/T11345—2013《焊缝无损检测超声检测技术、检测等级和评定》执行。本项目斜柱对接均为一级焊缝, 必须100%探伤检测, 采用超声波探伤仪在焊后24h进行检测。

1) 焊缝表面的气孔、夹渣用碳刨清除后重焊。

2) 母材上若产生弧斑, 则要用砂轮机打磨, 必要时进行磁粉检查。

3) 焊缝内部的缺陷, 根据UT对缺陷的定位, 用碳刨清除。对裂纹, 碳刨区域两端要向外延伸至各50mm的焊缝金属。

4) 返修焊接时, 对于厚板, 必须按原有工艺进行预热、后热处理。预热温度应在前面基础上提高20℃。

5) 焊缝同一部位的返修不宜超过2次, 否则要制定专门的返修工艺并报请监理工程师批准。

1) 对进场原材料进行抽样复验, 力学性能检测合格后方可用于现场安装。对于圆管柱直缝焊管还应进行化学分析。

2) 选择合理的安装次序, 严格按照施工方案及施工模拟分析结果执行。

3) 控制好测量过程, 将测量原始数据进行归档保存, 便于与后续监控数据作比较。

4) 圆管柱对接均为一级焊缝, 焊工一律持证上岗, 焊缝必须100%探伤检测合格, 质量验收合格, 探伤无缺陷。

5) 施工过程中尽量利用结构自身重心找平衡, 并通过钢结构安装校正过程控制钢柱的位移, 尽可能地减少由于结构自身重心不平衡引起的水平位移, 减小钢结构构件在施工阶段的受力。

6) 对于多牛腿圆管斜柱, 主要控制点在牛腿的定位精度, 工厂制作和现场安装都必须严格控制, 采用多道程序把关, 才能使安装精度更高。

1) 圆管斜柱安装比直柱安装难度高, 施工时作业人员必须按要求操作, 特别是卸钩时摘钩属于高空作业, 必须戴好安全帽、系好安全带, 穿登高防滑鞋, 挂好防坠器。

2) 圆管斜柱安装时临时固定必须牢靠, 缆风绳必须拉设到位。

相较于普通的直圆管+焊接H型钢框架结构, 多牛腿异形圆管柱加工制作安装工艺复杂, 特别是圆管的弯扭变截面, 涉及到节点的补强, 制作时需要增加贯穿隔板, 存在很多的隐蔽焊缝, 安装时变形较大。通过不断探索实践, 制作了新的工艺技术措施和合理的装配焊接顺序保证了工程的顺利进行, 工程质量得到了有效保障。