周彦哲

（广东省建筑工程集团有限公司 广州 510013）

1 工程概况

广州某美术馆项目建筑结构形式为钢框架+钢筋混凝土框架+钢筋混凝土核心筒结构。该工程的钢结构分为钢框架、屋盖和幕墙桁架3 个部分。钢材总用量约6 800 t，钢结构形式多样，安装精度要求高。其中2～5 层外围存在大悬挑结构，结构悬挑6～8 m，1～4 层主体外围框架柱采用变截面钢管混凝土柱［1］（见图1）。变截面钢管混凝土柱位于整个建筑物外围，原结构设计是一个长椭圆形-倒三角变截面钢管混凝土柱，在各楼层间，框架柱立面呈倒三角形，且内侧呈竖直状态。各层柱顶截面为长椭圆形，外轮廓尺寸为2 540 mm×800 mm，柱脚截面为椭圆形，外轮廓尺寸为1 000 mm×800 mm，结构柱的外观形式及尺寸如图2所示。采用此种形式的柱可保证框架柱沿建筑外立面呈倾斜状态，各层悬挑跨度保持一致，同时柱内侧保持竖直的效果［2-3］。

2 方案选择

在深化设计阶段，考虑到钢管柱在结构层面难以焊接，将每层的钢管柱进行重新分割，钢管柱由原来的倒三角形分解成倒梯形，每层钢管柱分割点位于结构面以上1 m，方便工人进行焊接作业，提高施工质量与效率。在进行钢管柱现场吊装时，采用一种汽车吊支腿支撑架，这种汽车吊支腿支撑架具有较大的承载力，能够满足在回填土范围内稳定支撑汽车吊支腿的需求，既解决了场地受限问题，在施工工期、质量和安全上也得到保证。为满足校正与焊接的要求，在钢管柱柱脚处对称开一个300 mm×400 mm的方形小孔作为千斤顶架设的附着点，同时开孔位置紧贴钢管柱中间箱体的纵隔板位置，增加焊接面积，提高了施工质量［4-5］。

3 创新点分析

3.1 变截面钢管柱深化设计

由于在结构层面难以焊接，每层钢管柱通过深化设计重新进行分割，重新分割后，首层预埋短柱长度为2.47 m，比结构±0.000 高出1 m，结构楼层高度8 m，钢管柱长度8 m，即每根柱都高出结构层1 m，方便工人进行焊接作业，深化设计将倒三角形分解成倒梯形［6］，如图3所示。

3.2 采用汽车吊支腿支撑架辅助汽车吊吊装作业

根据深化设计，钢柱预埋短柱2.47 m，重量2.84 t，标准层钢柱高度8 m，重量13.1 t，整个建筑物外围共布置了4台塔吊，由于塔吊施吊重量有限，仅部分首层预埋短柱可使用塔吊吊装，标准层钢柱只能采用汽车吊进行吊装，首层钢柱至地下室外墙外侧最大距离为35.3 m，地下室侧墙至基坑支护面约1.5 m，则首层钢柱至基坑支护桩约36.8 m，由于基坑回填土承载力较低，为了防止吊车起吊产生倾覆，一般不能作为吊车支腿支撑点。根据钢结构吊装方案，汽车吊在各工况下额定起重量的富余量不大，若汽车吊选择在基坑回填土外站位，则必须采用更大吨位吊车，由于施工时东侧停车场、北侧建筑物拆迁工作未完成，大吨位汽车吊出入场地受限，再加上现场场地空间狭小，汽车吊支腿支撑范围有限，从经济上看费用较高，对整体工期也造成一定影响。

经过方案比较，项目科技攻关小组发明了一种汽车吊支腿支撑架，采用汽车吊吊装钢结构时，先安放汽车吊支腿支撑架，其中挂架置于地下室外墙顶部上，支撑底架及支撑底板置于支护桩上，使支护桩与地下室外墙共同形成汽车吊支腿支撑架的两个支点，这种汽车吊支腿支撑架具有较大的承载力，能够满足在回填土范围内稳定支撑汽车吊支腿的需求，减轻回填土部分承载压力，使整体支撑面更加稳定，使汽车吊支腿的整体支撑能满足钢结构吊装所需承载力的要求。既解决了场地受限问题，在施工工期、质量和安全上也得到保证［7］。汽车吊站位如图4所示。

3.3 变截面钢管柱上下标准节的校正与焊接

由于钢柱整体质量较大，1～4 层钢管柱重达13.1 t，钢管柱上下标准节的对接须采用千斤顶进行校正，按原设计钢管柱上下标准节节点则千斤顶无可用附着点，根据现在施工需要，在深化设计中，在钢管柱柱脚处对称开一个300 mm×400 mm的方形小孔，作为千斤顶架设的附着点，同时开孔位置紧贴钢管柱中间箱体的纵隔板位置，在进行对接焊接时，可在柱体内部对纵隔板进行焊接固定，增加焊接面积，以此提高施工质量［8］。

4 具体施工工艺流程

施工工艺流程为：变截面钢管柱制作加工→首层预埋短柱吊装→汽车吊支腿支撑架制作→汽车吊就位→变截面钢管柱吊装→变截面钢管柱水平缝焊接→变截面钢管柱混凝土浇筑。

4.1 变截面钢管柱制作加工

⑴分析钢管柱各主要构件型材组成，先按照深化图将异性柱各零件板用CNC切割出来；

⑵钢管柱加工

第一步：先安装中间箱体，依次安装底板、横隔板和纵隔板，焊接隔板与隔板、隔板与底板件的焊缝，如图5⒜所示；

第二步：再将中间箱体的顶板和纵横隔板组装成一体，同时将两个半圆的隔板组装在半圆板上，并焊接成整体，如图5⒝所示；

第三步：将半圆单元件和内箱体组成钢管柱，安排焊工钻入箱体内部将横隔板与半圆隔板焊接好，然后利用埋弧焊机焊接半圆体和内箱体间的拼接缝，如图5⒞所示。

4.2 首层预埋短柱吊装

首层预埋短柱除位于4 个转角位的8 根短柱须采用小型汽车吊吊装，其余短柱可采用塔吊进行吊装，首层施工平面布置如图6所示。

分油机仿真面板的原理图设计在完成之后，借助Altium Designer板卡设计软件绘制原理图并给原理图中的每一个元件编号，在将原理图导入到PCB图之前需要对原理图以及PCB图进行编译(Compile)。受安装环境的影响，PCB板的大小不得超过110 mm×120 mm，设计为双层板，通过螺柱固定在控制箱上，设计的板卡PCB见图4。

首层短柱预埋安装前，须先放线定位并按照设计标高进行预埋，预埋安装完成后须复核短柱位置、顶部水平及标高，若有偏差应及时调整纠正。在首层梁板混凝土浇筑前，须再复核短柱顶部水平标高。

4.3 汽车吊支腿支撑架制作

汽车吊支腿支撑架底座尺寸为4 m×1.85 m，底座采用30A#300×126×9 mm 工字钢组合焊接，支撑座底采用10 mm 厚钢板，其他材料采用18#180×94×6.5 mm工字钢组合焊接（见图7）。

4.4 汽车吊就位

由于整个建筑地上部分呈碗状，在地上部分越往上建筑边缘离基坑边缘越近，采用汽车吊吊装时，须考虑吊臂与上部结构之间的距离，在进行吊装作业时，汽车吊的作业半径越小，作业工况越有利，其中首层的作业半径最大，故首层为最不利工况。以首层北立面的结构吊装验算为例：

北立面首层钢结构吊装计划选用220 t 汽车吊进行施工，整个北立面首层钢结构吊装，220 t 汽车吊总共需要支腿2 次，工位1 和工位2 所处位置如图8 所示。工位1 时一种工况可以覆盖北立面西侧GZZ2-13、GZZ2-14、GZZ2-15 三根钢管柱，工位2 时一种工况可以覆盖北立面东侧GZZ2-16、GZZ2-17、GZZ2-18三根钢管柱。

⑴工况1 为在工位1 位置，作业半径r1=30 m，此时安装构件最重为Q1=13.1 t（见图9），安装高度为9 m，考虑绳长及吊钩长，汽车吊伸臂高度大于13 m，220 t 汽车吊伸臂长38.6 m，作业半径30 m，此时额定起重量Q=17.0 t

式中：Q为吊机额定起重量；Q1为构件重量；Q2为索具重量（取0.5 t）。

则：Q=17＞13.1+0.5，满足要求。

⑵工况2 为在工位2 位置，r2=28 m，此时安装构件最重为Q1=13.1 t，安装高度为9 m，考虑绳长及吊钩长，汽车吊伸臂高度大于13 m，220 t 汽车吊伸臂长43.41 m，作业半径28 m，此时额定起重量Q=19.5 t，Q≥Q1+Q2，则：Q=19.5＞13.1+0.5，满足要求。

4.5 变截面钢管柱吊装安装

根据深化图纸及吊装方案，钢管柱按每层一节进行分段，分段位置在各层结构面以上1.0 m 处，钢管柱对接采取设置临时连接耳板节点形式，对接接头焊接完成后将连接耳板割除。

4.5.1 钢管柱标准节吊装

⑴钢管柱起吊吊点设置在柱顶处，即在柱顶临时焊接吊耳，上开孔作为吊装孔，吊钩通过柱中心线，易于起吊、对中和校正。也可利用柱端的耳板螺栓孔，穿入专用吊装索具或销轴进行吊装。严禁直接穿入普通索具吊装，以防在起吊过程中磨损栓孔和索具。索具要求捆扎稳固可靠。单机吊装时需在柱子根部垫以垫木，以回转法起吊，严禁柱根拖地。

⑵绑扎结束并检查无误后，进行起吊试机，要求缓慢起吊，当钢管柱离开地面时暂停，再进行全面检查吊索具、卡具等，确保各方面安全可靠后，才能正式起吊。

⑶起吊时钢管柱必须垂直，尽量做到回转扶直，起吊回转过程中应避免同其它已安装好的构件相碰撞，吊索应预留有效高度。

⑷正式起吊时应由专人统一指挥，统一口令，指挥塔吊司机，将钢管柱慢慢吊装到位，然后逐步调整钢管柱的位置，使其底部的装配连接板的孔位对齐，渐渐下落安装就位，临时固定螺栓，校正垂直度。

⑸钢管柱两节对接时，钢柱两侧装有临时固定用的连结耳板，上节钢柱对准下节钢柱柱顶中心线后，即用螺栓将连接板与连接耳板临时固定，通过校正螺杆进行上节型钢柱的垂直度校正，校正完成后进行对接焊接，焊接完成后将连接板卸下，耳板割除［9］。

4.5.2 钢管柱对接校正

⑴钢管柱垂直度校正。柱子的垂直校正，测量用全站仪（经纬仪）安置在纵横轴线上，先对准柱底垂直翼缘板或中线，再渐渐仰视到柱顶，如中线偏离视线，表示柱子不垂直，可指挥调节拉绳或千斤顶，可用敲打等方法使柱子垂直。

⑵钢管柱位移调整。钢管柱对接时的中心线应尽量对齐，其错边量应满足规范的要求。为上下柱不出现错口，应尽量做到上下柱十字线重合，如有偏差，在柱与柱的连接耳板的不同侧夹入垫板（垫板厚度0.5～1.0 mm），拧紧高强螺栓，钢管柱的位移偏差每次调整3.0 mm以内，如果偏差过大可以分2～3次调整。

每一节钢管柱的定位轴线绝不允许使用下面一节钢管柱的定位轴线，必须从地面控制线引至高空，避免产生累计误差。

4.6 变截面钢管柱水平缝焊接

钢管柱对接焊接方式为手工电弧焊与CO2气体保护焊相结合的焊接方法。对焊前、组对，核正复验、预留焊接收缩量，定位焊，焊前防护，焊前清理，焊前预热，焊接，焊后清理与外观检查，无损检测与缺陷返修等工序严格控制，才能确保焊接质量全面达标。

钢管柱的水平焊缝为一级焊缝，对不合格的焊缝，根据超标缺陷的位置，采取刨、切除、砂磨等方法去除后，以与正式焊缝相同的工艺方法进行补焊，其核验标准相同［10］。

4.7 变截面钢管柱混凝土浇筑

钢管柱的混凝土浇筑采用串料筒下料，人工振捣的方法，分层下料，分层振捣，将混凝土振捣密实。采用该方法时，混凝土分层下料厚度一般不超过800 mm，两人为一振捣小组，由外而内环形振捣，以混凝土不再沉落，均匀泛浆为度。混凝土浇至标高位置后，在混凝土初凝前进行二次振捣，振动深度约为500 mm，以提高面层的密实度，减少混凝土自身的收缩。

5 施工技术使用效果

通过施工应用实践证明，新型变截面钢管混凝土柱施工技术在深化设计、吊装施工等过程中的方法改进与创新科学可行，先进合理，节约了施工成本，同时有效保证了施工安全，施工过程中对现场安装焊缝均进行了检测，焊缝质量等级均为一级，施工质量满足设计及《钢结构工程施工质量验收标准：GB 50205—2020》要求。

6 结论

新型变截面钢管混凝土柱施工技术研究与应用中，通过深化设计变截面钢管柱，优化原设计倒三角成倒梯形，重新分割后，使变截面钢管柱高处结构层以上1 m，解决了在结构层面难以焊接的难题；研发了一种汽车吊支腿支撑架申请了实用新型专利，满足了在回填土范围内稳定支撑汽车吊支腿的承载要求，提高了汽车吊作业的稳定性，保证支腿的稳定性，节约了施工成本；为满足变截面钢管柱校正与焊接的要求，在钢管柱柱脚处对称开一个300 mm×400 mm的方形小孔，作为千斤顶架设的附着点，同时开孔位置紧贴钢管柱中间箱体的纵隔板位置，增加焊接面积，提高了施工质量。