迪凯城星国际中心工程位于杭州市钱江新城核心区, 距离G20会场国际会议中心约800m, 项目用地面积约15 259m², 建筑面积约175 700m²。南楼45层, 建筑高度约185m;北楼高26层, 建筑高度约100m。建筑效果如图1所示。

钢结构大堂屋架位于2幢楼中间部位, 结构形式为箱形桁架结构。屋架长42.58m, 宽36.50m, 顶面标高14.350m, 屋架呈外方内圆的造型, 中间为半径11.22m的圆形镂空, 与下方喷泉呼应。

箱形桁架构件最大尺寸为□500×250×25, 最大桁架截面高度为2.10m, 单榀桁架最大长度为42.58m, 最大质量为28.50t, 材质为Q345B。钢桁架平面布置及效果如图2, 3所示。

1) 本工程屋面桁架截面尺寸大、单榀质量大、预拼装和吊装难度大、安装精度要求高。考虑到车辆运输及现场起重设备能力, 对长度超出运输限制的桁架在详图设计和制作加工时采取分段设计和加工, 加工完成后在工厂进行单榀桁架预拼装, 拼装完成后经检验合格方可出厂, 准备下阶段分段吊装。

2) 现场拼装会产生大量的对接焊缝, 且对接焊缝均为一级焊缝, 桁架弦杆的最大截面为500mm, 均要高空焊接, 对焊工的焊接水平要求非常高。且次梁的连接形式也主要是焊接连接, 焊接工作量大。

3) 桁架分段吊装时, 需在桁架每个对接部位下方设置临时承重支撑胎架。支撑胎架如何设置是本工程的难点, 桁架吊装时必须采取可靠的安全防护措施, 且桁架高空对接时安装精度控制要求高。

本工程钢桁架施工具有跨度大、质量大、施工场地狭小等特点。借鉴以往经验, 结合本工程特点, 拟定3种方案:①搭设满堂承重脚手架作为施工作业平台, 进行原位高空拼装;②利用大型起重机从场外直接进行原位整体拼接、吊装;③对主桁架进行分段, 现场完成拼装, 在分段部位设置临时支撑胎架, 再利用起重机械对分段桁架进行垂直吊装。方案对比分析如表1所示。

综上分析, 第1种方案无论从成本上还是从施工周期上分析, 皆不满足现场要求;第2种方案需巨型起重机械的配合, 从周边现场的实际情况和地下室承载力分析都不能满足需求, 方案2不可行;故综合考虑确定采用方案3:将主桁架现场拼装, 在分段部位设置临时支撑胎架, 分段吊装桁架的综合施工方案。

本工程5榀屋面主桁架为HJ1, HJ2, HJ3, HJ4, HJ5。其中HJ1, HJ2, HJ3每榀桁架分为3段, 设2个支撑点;HJ4, HJ5每榀桁架分为2段, 设1个支撑点;5榀主桁架共设8个支撑点, 分别为:ZJ1, ZJ2, ZJ3, ZJ4, ZJ5, ZJ6, ZJ7, ZJ8;每个撑点均搭设临时支撑胎架。主桁架分段后的最大长度为14.84 m, 最大质量为9.82 t。临时支撑胎架平面布置如图4所示。

为了了解支撑胎架在施工过程中的受力状态和每个支撑胎架所实际承受上部钢结构的最大荷载, 并确定此施工方案的可行性, 采用有限元分析软件对施工阶段进行模拟分析。首先在设计院提供的原结构模型基础上, 建立主体钢结构的三维模型, 如图5所示。

模型的建立基于以下假定和边界条件:①主体钢结构的自重由程序自动考虑;②钢结构的节点连接方式 (铰接和刚接) 与原模型设计假定一致;③支撑架上下两端与主体结构连接设定为铰接。

钢结构吊装时的施工顺序为:首先在分段桁架下方搭设承重支撑胎架, 然后自东向西依次进行桁架的吊装、焊接, 最后将支撑胎架自东向西依次进行卸载。

按照以上施工顺序, 采用程序依次进行弹性分析, 从而得到各工况下钢结构的内力和变形。

根据受力分析结果, 钢结构体系在整个施工过程中, 内力和变形变化较平稳, 支撑胎架的最大受力为238.0k N, 位于胎架TJ6的位置;每个支撑胎架所承受的上部钢结构最大荷载如表2所示。

本工程的支撑点最大荷载为238.0k N, 经过验算, 选用塔式起重机TC6517B-10的标准节作为支撑胎架, 标准节的外形规格为2.20m×2.16m×2.80m, 主肢规格为□180×180×12。支撑胎架的布设如图6所示。

经验证, 塔式起重机标准节的性能参数满足本工程的荷载要求。

本工程地下室顶板为无梁板结构, 板面标高-0.200m, 板厚300mm, 配筋为双层双向16@200, 混凝土设计强度等级C35。地下室共5层, 原地下室模板支撑架采用Q235脚手管, 立杆间距1 000mm, 双向水平横杆间距为1 000mm, 在原支撑模架不拆除情况下, 立杆加密至500mm, 经过复核满足钢结构施工荷载要求。

本工程钢结构吊装的工艺流程为:施工机具、设备材料进场, 钢构件进场→基础复测→支撑胎架搭设→分段主桁架吊装→测量校正→次桁架吊装→桁架之间的钢梁吊装。

根据设计规范及结构受力要求设置预起拱值, 如表3所示。

现场钢结构吊装自东向西依次展开。首先进行东侧整跨构件的吊装, 其次进行北侧整跨构件的吊装, 最后再进行南侧整跨构件的吊装;中间环梁区域的相关构件, 随着南北两侧构件的吊装附带进行。

本工程现场焊接必须遵循对称统一、分区焊接、由下而上、由里至外;栓焊连接、先栓后焊的原则。

现场焊接须遵循先焊接主桁架、再焊接次桁架、最后焊接桁架间次梁的顺序。桁架对接焊接时, 须先焊接下弦杆, 再焊接上弦杆, 最后焊接腹杆。

桁架弦杆采取对称施焊, 焊工同时同向施焊。对于采用单面坡口的焊缝, 打底焊、填充焊沿同一方向施焊, 盖面焊沿反方向施焊。采用双面坡口的焊缝, 先焊接深坡口侧打底焊, 反面清根后焊完浅坡口侧焊缝, 再焊完深坡口侧焊缝。主弦杆与腹杆相贯接头按设计要求进行全熔透焊接。栓焊连接的节点, 高强螺栓安装后, 先初拧30%, 然后进行焊接, 等焊缝温度冷却后, 再对高强螺栓进行终拧施工。结合现场施工条件, 采用CO₂气体保护焊。

焊接完成后, 首先对表面的熔渣及两侧飞溅物进行清理, 待焊缝冷却24h后进行无损探伤检查。现场管件拼接焊缝均为全熔透一级焊缝, 表面缺陷应符合一级焊缝的规定。在完成焊接外观检查后, 对焊缝进行探伤检验, 其检验方法需按照GB50661—2011《钢结构焊接规范》、GB/T11345—2013《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》和GB50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》之规定进行, 待探伤合格后方可进行下道工序。

为保证钢结构卸载后的变形在设计允许范围内及钢结构整体稳定, 采取由荷载较大部位向荷载较小部位卸载的思路, 以保证工程整体结构稳定。卸载过程中, 结构受力进行了转换, 由临时支撑胎架受力转化为钢结构受力。支撑体系内力分析如表4所示。根据内力大小确定卸载顺序按①②③④执行, 如图7所示。

卸载前对建筑物卸载区钢结构进行整体结构临时验收, 测量原始记录。卸载时在临时支撑支座钢梁上焊接1块观测板作为标记, 使钢梁上翼缘板与标记钢板贴紧。卸载时用气割把临时支撑支座钢梁从腹板顶部处割开, 让上部结构自由下降, 同时观察标记板的下降量, 用全站仪同步监测下降幅度, 确保对称支点下降幅度相同。

1) 所有临时支撑胎架按图7所示①→②→③→④的顺序进行卸载。

2) 根据设计提供的预起拱值36mm, 一次性进行卸载。在中午开始卸载 (中午温度最高, 变形量最大) , 分10次进行切割 (气割每次1~3mm) , 完成卸载后停放24h待建筑物应力释放。

3) 为保证卸载安全性, 在整个卸载过程中, 用全站仪对支撑胎架进行全程监控, 确保结构加载后达到设计要求。

在卸载过程中, 每卸载一次, 利用观测板对建筑物变形进行观测, 记录胎架位置处桁架位移并进行数据进行分析。分析结果基本符合设计要求, 实际位移值偏小, 测量时现场属未完全加载 (测量时只有结构部分完工, 装饰装修等荷载并未计入) , 测量结果符合预期 (见图8) 。

本文介绍了大跨度箱形桁架吊装的施工方法, 包括桁架分段吊装、桁架焊接、支撑胎架设置等方面。运用塔式起重机标准节作为临时承重支撑胎架, 不但节省了大量的胎架措施费, 而且大大缩短了工期。本工程采用合理有效的施工方法, 克服了现场场地狭小、施工周期短等不利因素, 使钢结构施工质量、安全及进度得到了可靠保障。

工程巧妙运用塔式起重机标准节作为支撑胎架, 节省了大量措施费用, 仅用32d就完成了桁架拼装安装, 节省了工期, 节约了成本。