文＿李州平（廣西建工第一建筑工程集團(tuán)有限公司，高級(jí)工程師）

蒙運(yùn)強(qiáng)（廣西建工第一建筑工程集團(tuán)有限公司，高級(jí)工程師）

韋海彬（通訊作者）（廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，土木工程專業(yè)碩士研究生）

施芷榆（廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院）

自20世紀(jì)90年代以來，我國(guó)高層建筑進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。高層建筑的一大受力特點(diǎn)在于其承受的水平荷載（風(fēng)荷載、地震作用）隨結(jié)構(gòu)高度增加而急劇增大，甚至成為高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要控制因素。

本項(xiàng)目超高聳雷達(dá)塔的結(jié)構(gòu)體系為框架—核心筒結(jié)構(gòu)，其外部框架采用各節(jié)鋼管混凝土柱拼裝而成的斜弧柱，整體外形呈現(xiàn)兩端舒展、中部收緊的形態(tài)，類似直立的拱形。因此，該形態(tài)能使得各節(jié)鋼管混凝土柱以軸力的形式承擔(dān)巨大的水平荷載，充分發(fā)揮鋼管混凝土柱的受壓承載力高的優(yōu)勢(shì)。斜弧柱這一特別的設(shè)計(jì)效果能如期實(shí)現(xiàn)的根本保證在于斜弧柱在高空中順利完成吊裝與拼接。目前，已有不少學(xué)者和設(shè)計(jì)師們針對(duì)異形鋼管混凝土斜柱的施工方案開展了相關(guān)研究。

梁秋瑩等探討了南寧吳圩國(guó)際機(jī)場(chǎng)新航站樓樹形鋼管混凝土斜柱的吊裝問題，以就近吊裝為原則，遴選并論證樹形鋼管混凝土斜柱的最優(yōu)吊裝方案。茍金瑞等分析了北京日出東方凱賓斯基酒店弧形圓鋼管混凝土斜柱的安裝難點(diǎn)，提出由吊繩上的導(dǎo)鏈控制弧形柱在空中傾角的方法。陳杰等針對(duì)某技術(shù)中心大樓多段高空中結(jié)構(gòu)的不規(guī)則和大跨度等特點(diǎn)，提出并從理論和數(shù)值模擬方面驗(yàn)證了采用工字鋼桁架平臺(tái)懸空主梁支撐體系。文良波等以珠海橫琴國(guó)際金融中心大廈為例，詳細(xì)分析了斜柱、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)、桁架的測(cè)量控制和安裝精度測(cè)量校正的關(guān)鍵技術(shù)。

各類關(guān)于鋼管混凝土斜柱吊裝的研究為同類工程提供了參考，但在多數(shù)工程實(shí)例中，鋼管混凝土斜柱經(jīng)常只有一種安裝傾角，且起吊高度較低。本項(xiàng)目中各節(jié)鋼管混凝土斜柱的安裝傾角迥異，吊裝—拼接就位均在高空操作，難度較大。因此，本文將借助Midas Gen軟件研究超高聳建筑大口徑鋼管斜弧柱吊裝—拼接技術(shù)，以解決上述施工難題。

一、工程概況

某新一代氣象雷達(dá)塔的主體結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土斜弧柱框架—鋼筋混凝土核心筒體系。其中，外框架的鋼管混凝土斜弧柱共有12根，沿核心筒的周圍均勻布置。鋼管混凝土斜柱沿高度方向有5次變截面，截面尺寸依次減小。同時(shí)，鋼管混凝土斜柱的傾角沿高度呈先減后增的規(guī)律。首層斜弧柱的傾角19.22°，隨后傾角沿高度逐漸遞減，至結(jié)構(gòu)中上部接近0°。再往上，傾角又逐漸遞增，頂層斜弧柱的傾角達(dá)36.89°。斜弧柱整體上先內(nèi)傾后外傾，外形呈現(xiàn)為中部收緊，兩端伸展的優(yōu)美曲線，見圖1。

圖1 超高聳異型雷達(dá)塔及外框斜

據(jù)現(xiàn)有研究得知，斜柱的傾角、管徑、長(zhǎng)度均為影響吊裝的重要因素。傾角、管徑、長(zhǎng)度越大，吊裝難度越大。本文選擇底層柱做標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行吊點(diǎn)選擇分析，其傾角、管徑、長(zhǎng)度均較大，具有代表性。

二、斜弧柱吊裝模型建立

（一）荷載工況

斜柱吊裝中僅考慮鋼管自重，不考慮地震作用和風(fēng)荷載的影響。又因起吊輸運(yùn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，需要考慮對(duì)斜弧柱構(gòu)件荷載進(jìn)行放大，取放大系數(shù)為30%。在軟件中設(shè)置構(gòu)件x，y，z方向的自重系數(shù)分別為0，0，1.30。

（二）邊界條件

Midas Gen軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)的約束分為D（約束位移）和R（約束轉(zhuǎn)動(dòng)）。在不考慮風(fēng)荷載的情況下，只需約束吊點(diǎn)的位移Dx，Dy，Dz即可。

（三）單元設(shè)定

在Midas Gen中對(duì)模型做合理簡(jiǎn)化，由于耳板較小，建模時(shí)不予考慮。模型中的鋼管混凝土斜柱采用實(shí)體單元，將其劃分為120個(gè)網(wǎng)格單元，計(jì)算時(shí)可兼顧計(jì)算精度和效率。鋼管混凝土斜柱的標(biāo)準(zhǔn)模型參數(shù)統(tǒng)一為：材料強(qiáng)度等級(jí)Q235，管徑1450×16，中軸線長(zhǎng)度6323mm，傾角17.85°。

鋼絲繩采用索單元，設(shè)定索單元的初拉力為0，材料取Q235，截面直徑取0.02m。吊裝提升點(diǎn)距鋼管混凝土斜柱最高點(diǎn)垂直距離為5m。建立的模型如圖2。

圖2 鋼管混凝土斜柱吊裝模型示意圖

三、吊裝方案比選

（一）柱身彎矩

為了保證吊裝安全，吊點(diǎn)布置應(yīng)盡量保證吊裝過程中柱身的變形與彎矩分布均勻，且數(shù)值較小。已有文獻(xiàn)建議采用兩點(diǎn)或三點(diǎn)起吊，以便達(dá)成在斜柱吊裝過程中調(diào)整角度的目標(biāo)，且盡量使斜柱在吊裝狀態(tài)下的自然傾角與安裝時(shí)所需傾角相近。為確定合理的吊裝方案，本文設(shè)計(jì)了8種不同吊點(diǎn)數(shù)目、布置間距的吊裝方案，計(jì)算結(jié)果見表1。吊點(diǎn)布置遵循對(duì)稱原則，如圖3所示。其中“2吊點(diǎn)L/5”表示上下2個(gè)吊點(diǎn)分別距離鋼管混凝土斜柱上下端L/5長(zhǎng)度；“3吊點(diǎn)L/5”則表示將其中一個(gè)吊點(diǎn)設(shè)置于L/2處，余下兩個(gè)吊點(diǎn)分別設(shè)于距上下端L/5處。

表1 不同方案柱身彎矩的對(duì)比（kN·m）

圖3 吊點(diǎn)布置及柱身彎矩

兩點(diǎn)起吊的方案中，L/5與L/4方案的彎矩差均較小，與端部起吊的最大彎矩相比依次減小了63.50%、75.30%。三點(diǎn)起吊時(shí)的最大彎矩差明顯減小，相比兩點(diǎn)起吊平均減小了68%。相似地，L/5與L/4方案比端部起吊分別減小72.40%、75.90%。因此，可以初步篩選出彎矩較小的4種方案，即：2吊點(diǎn)L/5、L/4；3吊點(diǎn)L/5、L/4。接下來就上述方案進(jìn)一步分析其豎向位移和應(yīng)力，從而確定最優(yōu)的吊裝方案。

（二）吊裝位移、應(yīng)力

依次設(shè)上述4種方案為模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，計(jì)算其吊裝位移及應(yīng)力的結(jié)果詳見表2。為了控制斜柱安裝，起吊時(shí)盡量保持斜柱在自然狀態(tài)下的傾角與柱本身設(shè)計(jì)傾角相近。

表2 各模型位移、應(yīng)力對(duì)比

由表2可見，吊裝過程中的柱頂位移x1為正，而柱底位移x2為負(fù)，表明柱端向上移動(dòng)，柱底向下移動(dòng)。故鋼管混凝土斜柱在吊裝過程中的角度會(huì)逆時(shí)針增大，偏離預(yù)定的傾斜角度。吊裝位移的示意圖見圖4（a）。由幾何關(guān)系可知，吊裝狀態(tài)的附加轉(zhuǎn)角Δθ為：

圖4 吊裝狀態(tài)的位移、應(yīng)力

由表2可知，模型Ⅱ的附加轉(zhuǎn)角最小，但吊點(diǎn)處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。模型Ⅲ的吊裝應(yīng)力最小，其最大應(yīng)力較模型Ⅱ減小了89.19%，大幅度減輕了吊點(diǎn)處的受荷。同時(shí)，模型Ⅲ的附加轉(zhuǎn)角僅比模型Ⅱ增大了46.41%。綜合四種吊裝方案，模型Ⅲ（3吊點(diǎn)L/5）的柱身彎矩、應(yīng)力都顯著低于其余方案，模型Ⅲ吊裝應(yīng)力見圖4（b），表明其在吊裝過程中的受力均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象相對(duì)輕微，可最大限度削減結(jié)構(gòu)服役前的承載力損耗。

雖然模型Ⅲ的Δθ并非最小，但一方面其數(shù)值上與最小值相差不遠(yuǎn)；另一方面，Δθ稍大僅代表吊裝狀態(tài)下偏離預(yù)定安裝的角度稍大，僅在拼接時(shí)稍增難度，而對(duì)長(zhǎng)久的結(jié)構(gòu)受力無影響。綜上，吊裝的受力指標(biāo)應(yīng)比位移指標(biāo)權(quán)重更大，故最優(yōu)的吊裝方案選定為3吊點(diǎn)L/5。

四、定位—拼接技術(shù)

（一）構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)后復(fù)測(cè)尺寸

針對(duì)模型Ⅲ附加轉(zhuǎn)角較大的問題，可通過定位拼接技術(shù)解決，如圖5所示。斜柱定位包括自身標(biāo)高定位與傾斜角度定位。其中，自身標(biāo)高定位很大程度上取決于每節(jié)鋼管混凝土斜柱的實(shí)際下料長(zhǎng)度和實(shí)際截面尺寸。在工廠預(yù)制鋼管混凝土斜柱時(shí)應(yīng)控制制作誤差，其容許值由《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50205—2020）確定，見表3。尺寸檢驗(yàn)合格后，在構(gòu)件上端口周圍制作測(cè)量的控制線并標(biāo)注其相對(duì)標(biāo)高。經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研并參考類似工程經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于建筑高度較高，鋼柱長(zhǎng)度較長(zhǎng)，手持棱鏡進(jìn)行測(cè)量定位的方法既低效又不準(zhǔn)確，建議在柱頂用于定位的位置預(yù)先貼上反光片，以便安裝過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柱頂坐標(biāo)。斜柱進(jìn)場(chǎng)后，需對(duì)構(gòu)件的長(zhǎng)度與截面尺寸進(jìn)行復(fù)核，保證構(gòu)件尺寸誤差在合理范圍內(nèi)。

表3 鋼管混凝土斜柱外形尺寸允許偏差

圖5 鋼管混凝土斜柱定位—拼接過程

（二）測(cè)量定位技術(shù)

傾斜角度定位主要通過放縮塔吊吊索實(shí)現(xiàn)。吊裝前，先對(duì)已裝好的鋼管混凝土斜柱頂面和待安裝柱的底面進(jìn)行清理，保證接觸面清潔平整。按上文選定的最優(yōu)方案“3吊點(diǎn)L/5”吊裝至高空預(yù)定位置，隨后將纜風(fēng)繩的一端固定在已建好的核心筒外側(cè)，另一端連接在柱頂?shù)亩迳稀＠美|風(fēng)繩和手拉葫蘆，配合塔吊調(diào)整鋼管斜柱的傾角。調(diào)整過程中用全站儀監(jiān)測(cè)柱頂坐標(biāo)，保證鋼管混凝土斜柱的傾角達(dá)到預(yù)定值。以此解決高空拼接時(shí)的附加轉(zhuǎn)角較大的問題。

1.平面控制網(wǎng)點(diǎn)

定位過程還與測(cè)量精度息息相關(guān)，可從確?？刂凭W(wǎng)點(diǎn)位精度與采取合理測(cè)量放樣方法這兩方面，提高鋼管混凝土柱施工過程中的測(cè)量精度。選擇施工控制網(wǎng)時(shí)應(yīng)依照結(jié)構(gòu)施工的要求進(jìn)行選擇，平面控制網(wǎng)按照一級(jí)導(dǎo)線的精度要求布設(shè)，在合理范圍內(nèi)增多控制網(wǎng)點(diǎn)以提高測(cè)量精度。高精度的測(cè)量工作離不開精密的測(cè)量?jī)x器，施工過程中需配置與施工要求相適宜的施工測(cè)量?jī)x器。為避免誤差累積，每次柱吊裝定位均應(yīng)以校核后的當(dāng)前施工層標(biāo)高為基準(zhǔn)。測(cè)量距離較長(zhǎng)時(shí)，使用分段測(cè)量法，通過控制各小段的測(cè)量精度來確保長(zhǎng)距離的測(cè)量精度。測(cè)量定位時(shí)需將結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)密平差，控制相對(duì)誤差。

2.吊裝繩索預(yù)偏移

在鋼管混凝土斜柱自重作用下，隨著施工階段的推進(jìn)，吊裝繩索會(huì)發(fā)生變形，因各個(gè)吊點(diǎn)處受力不同，繩索變形也不相同，導(dǎo)致斜柱吊裝定位時(shí)會(huì)發(fā)生一定程度的偏移。此種情況無法避免，可在施工前對(duì)吊裝繩索變形進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，算出后期可能發(fā)生偏移的距離和方向，再進(jìn)行吊裝繩索的預(yù)偏移處理，即令鋼管混凝土柱在定位時(shí)沿預(yù)測(cè)偏移的反方向預(yù)偏。

3.避免大風(fēng)天氣施工

大風(fēng)天氣對(duì)吊裝影響較大，當(dāng)風(fēng)力較強(qiáng)時(shí)，空中吊裝不僅無法準(zhǔn)確定位，也無法保證施工的安全性。因此，施工過程中應(yīng)避免在大風(fēng)天氣施工，以確保柱定位準(zhǔn)確。

4.控制鋼管混凝土斜柱安裝標(biāo)高

由現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)可知，施工過程中鋼管混凝土框架會(huì)發(fā)生豎向位移，即鋼管混凝土柱的自身標(biāo)高定位會(huì)受施工過程影響，因此施工過程中應(yīng)注重鋼管混凝土柱標(biāo)高的校正工作，及時(shí)對(duì)其采取措施進(jìn)行控制、調(diào)整，保證施工質(zhì)量。當(dāng)某一層的鋼管混凝土柱安裝后，對(duì)該層柱柱頂作一次絕對(duì)標(biāo)高實(shí)測(cè)，而后根據(jù)實(shí)測(cè)值對(duì)下一節(jié)鋼管混凝土的標(biāo)高進(jìn)行控制。鋼管混凝土柱標(biāo)高校正工作詳見《超高聳異型雷達(dá)塔結(jié)構(gòu)的施工變形研究》，依據(jù)該層柱柱頂標(biāo)高實(shí)測(cè)值與其偏差值，在吊裝下一節(jié)鋼管混凝土柱時(shí)，結(jié)合鋼管混凝土柱的實(shí)際長(zhǎng)度與模擬計(jì)算值，可通過增大或減小柱接頭處焊縫間隙來調(diào)整鋼管混凝土柱的標(biāo)高。

該天氣雷達(dá)塔鋼管混凝土框架中所用柱傾斜角度多樣，為保證工程質(zhì)量，測(cè)量控制必不可少。每次吊裝均應(yīng)使用全站儀、鋼尺等工具對(duì)斜柱進(jìn)行傾斜度與水平距離的定位，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)協(xié)調(diào)鋼管混凝土斜柱安裝的相對(duì)位移與相對(duì)位置。在下一節(jié)柱吊裝前，應(yīng)對(duì)此層斜柱進(jìn)行復(fù)測(cè)，保證該層斜柱的位置在誤差允許范圍內(nèi)。施工過程中，鋼管混凝土斜柱允許最大偏差同樣依照《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50205—2020）設(shè)置，見表4。

表4 鋼管混凝土斜柱定位允許最大偏差

根據(jù)本項(xiàng)目施工進(jìn)度和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)面情況，目前施工進(jìn)度為外部框架標(biāo)高14.40m處，實(shí)際吊裝方案暫時(shí)采用垂直起吊，見圖5、圖6，這是基于以下三方面考慮的：（1）塔樓底部有已建成的附屬建筑，暫不宜采用所占空間較大的就位起吊；（2）施工人員在標(biāo)高±0標(biāo)高處容易完成首節(jié)鋼管的定位、拼接、焊接等操作；（3）施工高度低時(shí)，風(fēng)載還相對(duì)較小，尚無須架設(shè)纜風(fēng)繩。

圖6 鋼管混凝土斜柱吊裝現(xiàn)場(chǎng)

為提高鋼管混凝土斜柱拼接工作的效率與質(zhì)量，選擇對(duì)相鄰柱接頭處先進(jìn)行臨時(shí)固定，進(jìn)行調(diào)平后再進(jìn)行焊接固定的方法。在鋼管混凝土斜柱對(duì)接處設(shè)置方便拼接的臨時(shí)耳板，完成定位后即用高強(qiáng)螺栓連接上下柱的耳板，初步固定鋼管混凝土斜柱位置，此時(shí)塔吊可松勾。再用千斤頂?shù)裙ぞ邔?duì)鋼管混凝土柱進(jìn)行扭轉(zhuǎn)偏移、局部接口的進(jìn)一步調(diào)整，控制上下柱連接處的錯(cuò)口誤差在規(guī)定范圍內(nèi)。確定鋼管混凝土斜柱的傾斜角、位置均符合要求后，對(duì)其進(jìn)行焊接固定。用以臨時(shí)定位的臨時(shí)耳板在焊接完成后可去除，對(duì)結(jié)構(gòu)整體不造成影響。最后經(jīng)全站儀復(fù)核該節(jié)鋼管混凝土斜柱的位置無誤后，焊接上下柱的接觸面?，F(xiàn)場(chǎng)校正圖見圖7。

圖7 千斤頂微調(diào)校正

五、結(jié)語

本文采用Midas Gen軟件對(duì)比了雷達(dá)塔外框鋼管混凝土斜弧柱的各類吊裝方案，斜柱吊裝的原則為盡量保證斜柱在吊裝狀態(tài)下的自然傾角與安裝時(shí)所需傾角相近。

確定的最優(yōu)方案為三吊點(diǎn)：即一個(gè)吊點(diǎn)設(shè)置于L/2處，余下兩個(gè)吊點(diǎn)分別設(shè)于距上下端L/5處。此時(shí)能夠保證自然傾角與安裝傾角接近的同時(shí)，盡量減小吊裝應(yīng)力。鋼管斜柱吊裝過程中，會(huì)出現(xiàn)柱端、柱底位移反向的情況，即吊裝角度逆時(shí)針增大，平均轉(zhuǎn)角9.91°，且在吊點(diǎn)處的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，最大值達(dá)56.54MPa。優(yōu)吊裝方案的附加轉(zhuǎn)角仍有10.58°。在吊裝就位時(shí)懸掛纜風(fēng)繩，配合塔吊、手拉葫蘆、千斤頂調(diào)整構(gòu)件傾角至預(yù)定值，全程使用全站儀監(jiān)測(cè)柱頂坐標(biāo)，精確完成鋼管斜柱定位。