上海中心平安金融中心中国尊大厦超高层钢结构实力大比拼

　　1 超高层钢结构概述
　　在中国城市经济发展的推动下，各大城市正在建设更多的超高层建筑，这些建筑基本都选择了钢结构体系。超高层建筑结构，一般采用框架－核心筒－伸臂桁架结构体系，其中框架一般由巨型柱和环带桁架组成，部分项目设置有巨型支撑。
　　a— 结构模型 ;
　　b— 抗侧力体系。
　　图 1 上海中心大厦结构体系上海中心大厦 ( 图 1)
　　采用巨型框架－核心筒－外伸臂结构体系，在 8 个机电层区布置 6 道两 层高的外伸臂桁架和 8 道箱形空间环形桁架，由箱形空间环形桁架和巨型 柱形成 外围巨型框架。巨型柱、角 柱间的环带桁架是一整体结构，径向桁架、楼面梁上的受力传递其上，再由其传递至巨型柱。
　　a— 结构模型 ;
　　b— 抗侧力体系。
　　图 2 平安金融中心大厦结构体系
　　深圳平安中心大厦 ( 图 2) ，采用巨型斜撑框架－核心筒－外伸臂结构体系。结构设置了 4 道外伸臂桁架，将核心筒与巨型 柱有效 地连接在一起。 7 道 空间双 桁架均匀布置于每个避难 / 机电层，用于连接巨型柱，使结构的外围形成巨型框架。北京中国尊大厦 ( 图 3) 采用巨型框架 + 混凝土 核心筒 ( 型钢柱 + 钢板剪力墙 ) 结构体系， 4 根世界最大的多腔体巨型钢柱与翼墙、核心筒钢板墙等 1.3 万 t 钢构件一起，共同托起 528m 的中国尊大厦。
　　a— 结构模型 ;
　　b— 模型截面。
　　图 3 中国 尊大厦 结构体系
　　2 巨型柱的结构形式及加工难点
　　超高层建筑钢结构的钢柱一般设计为整体式巨型柱 ( 如上海中心大厦、深圳平安金融中心，图 4) 和 多腔型巨型 柱 ( 如天津高银 117 大厦、北京中国尊，图 5) 。
　　a— 上海中心大厦巨型柱 ;
　　b— 深圳平安金融中心巨型柱。
　　图 4 整体式钢结构巨型柱
　　a— 天津高银 117 大厦巨型柱 ;
　　b— 北京中国尊巨型柱。
　　图 5 多腔型钢结构巨型柱 m
　　超高层建筑钢柱的截面 根据受力要求，可设计为 H 型、箱型、日字型、田字型、王字型以及异形 ( 巨型 ) 柱。这部分钢柱一般要求在工厂加工成整体出厂，其中巨型柱的装配、焊接及尺寸控制难度较大。
　　整体式巨型柱的加工难点 :
　　1) 巨型柱外形尺寸大、重量重，整体结构形式复杂，拼装顺序要求高 ;
　　2) 钢板强度高、厚度大，焊接质量和焊接变形控制难度大 ;
　　3) 上、下节柱间拼接接口多，钢板对口错边和端口垂直度要求高。 多 腔体超 厚板组合型巨型柱是在普通箱型 －混凝土柱基础上发展起来的一种新型构件，目前已成功运用于天津高银 117 大厦和北京中国尊等项目。多 腔型巨型柱一般 位于建筑物平面四角并贯通至结构顶部，其截面按照结构构造要求设计为多 腔 体形式。
　　多腔型巨型 柱的加工难点 :
　　1) 多腔柱截面 尺寸大、无法整体制作出厂，必须分段、分块加工 ;
　　2) 钢板壁厚厚、构造复杂，装配精度要求高 ;
　　3) 焊缝数量多，且多为全熔透焊缝，不仅焊缝截面大，且焊缝交汇多，容易形成较大的焊接应力和焊接变形 ;
　　4) 现场施工的横向和纵向拼接焊缝多，出厂定位 尺寸精度要求高，需要进行工厂预拼装。
　　3 巨型 柱加工 技术
　　图 6 上海中心巨型柱分布
　　3.1 整体式巨型 柱加工 技术
　　3.1.1 整体式巨型柱概况上海中心大厦结构平面布置见图 6 ，在核心筒 外的环形周边上分布 8 根大截面的 SC1 巨型柱和 4 根大截面 SC2 巨型柱。在结构 沿高度 方向巨型柱被划分为桁架 节点段柱和 非桁架节点段柱。
　　3.1.2 巨型柱规格 SC1 巨型柱截面由 3 个 H 型钢与 4 块钢板焊接而成，净重达 77.62kN/m 。典型巨型柱截面尺寸见图 7 及表 1 。
　　a—SC1;
　　b—SC2 。
　　图 7 巨型柱截面示意
　　表 1 上海中心巨型柱截面尺寸 mm
　　3.1.3 标准段巨型柱的制作
　　1) 设置工艺隔板，保证整体装配尺寸。巨型柱的标准段 ( 图 8) 占上海中心大厦主体结构重量的 30% ，在标准 段制作 中，通过设置工艺隔板的方法保证装配尺寸精度、控制焊接变形。
　　图 8 典型标准段巨型柱
　　工艺隔板的长度、宽度下料尺寸比箱体内腔尺寸小 60mm ，并安装顶置 块， 顶置块与 箱体的 接触边应进行 铣削 ( 图 9) 。设置 顶置块的 目的是在保证装配精度的前提下，方便工艺隔板的拆卸，从而使工艺隔板可反复利用，提高效率，降低成本。巨型柱的 H 型钢本体分别加工完成且尺寸检 验合格后，在总装 胎 架上依次进行 H 型钢、工艺隔板、两侧腹板、上部 H 型钢的装配，直至完成巨型柱的整体装配 ( 图 10) 。
　　图 9 巨型柱工艺隔板示意
　　a— 隔板在腹板的定位 ;
　　b — 总体 装配状态。
　　图 10 巨型 柱总体 装配示意
　　2) 优化焊接工艺和设备，确保焊接质量，控制焊接变形。
　　a ．焊缝坡口 : 巨型柱双腹板坡口 方向的内侧为大坡口，外侧为小坡口。
　　图 11 内腔纵缝 小车双丝埋弧 焊接
　　b ．焊接设备及方法 : 针对钢板厚、焊接量大的特点，优先选用埋弧自动焊 (SAW) 进行焊接，其中打底 1 ～ 2 层，先采用 SAW 单丝焊接，然后 SAW 双丝焊接。考虑巨型柱的内部空间，内腔纵缝使用 小车双 丝埋弧焊机进行焊接 ( 图 11) 。
　　c ．焊接位置及顺序 : 焊接时采取巨型柱平放的位置，并通过框架对巨型 柱进行 翻身 ; 按图 12 所示的顺序实施巨型柱本体焊缝打底、填充、盖面焊接。内侧焊缝打底完毕，外侧清根，并且采用气体保护 焊进行 焊接，焊接完毕，拆除内部工艺隔板。实施内部焊缝的埋弧焊。焊接时，先焊中间焊缝，后焊两侧焊缝，同时、同方向、 同规范 对称焊接。
　　注 :1 ～ 12 为焊接顺序编号。
　　图 12 巨型柱腹板纵缝焊接顺序
　　3) 端面加工。通过端铣，控制巨型柱的垂直度和端口平面度。
　　3.2 多 腔型巨型柱加工 技术
　　3.2.1 多腔柱概况
　　中国 尊项目 的 多腔箱型 巨型 柱位于 塔楼平面四角， 底部柱 截面面积约 63.9m2 ，截面尺寸为 13707mm×6190mm ，钢板厚度最大为 60mm ，材质主要为 Q390 、 Q390GJ 、 Q345 、 Q345GJ 。多 腔柱内部 截面复杂，由 13 个封闭箱体组成，整根 多腔柱连接 接口多，上下节柱水平对接接缝 20 条，长度约 70m 。
　　3.2.2 合理分段整根 多腔 柱总重 量近 1500kN ，根据结构形式、加工工艺和现场施工要求，将整根 多腔柱拆分 为 4 个相对独立的钢柱，由 2 个不规则田字型钢柱和 2 个 H 型钢柱共 4 部分组成 ( 图 13) 。
　　图 13 多 腔柱水平 分段示意
　　3.2.3 多腔柱分段 的制作以不规则田 字型柱段为例 ，其制作装配流程见图 14 。由于田字型柱截面较大，装配时在水平 胎 架上进行，严格控制面板、腹板间的组装尺寸及垂直度。为保证装配精度和控制焊接变形，同样采用工艺隔板进行控制。由于 多腔柱腔体 截面尺寸较大，工艺隔板采用钢板条拼制的形式。
　　a— 装配第一腔隔板及工艺隔板 ;b— 装配中间竖板 ;c— 装配第二 腔 隔板及工艺隔板 ;d— 装配横隔板 ;e— 装配上部腔体隔板 ;f— 装配外侧壁板 ;g— 装配外侧斜壁板 ;h— 装配顶板 ; i — 装配完成。
　　图 14 多腔柱的 装配流程
　　3.2.4 焊接工艺针对多腔巨型 柱内部 结构复杂、焊接要求高的特点，制定详细焊接工艺。
　　1) 焊接坡口。根据每条焊缝的具体位置、板厚、角度，分别制定相应的焊接坡口 ( 图 15) 和内外焊接顺序。
　　图 15 多腔柱的 焊接坡口
　　2) 焊接顺序。焊接时，严格按照指定的焊接顺序施焊，见图 16 。为减少焊接变形， 施焊可采用 分段退焊、分段跳焊等方法进行。双人同时对称焊接时，要保证焊接工艺参数 及施焊方向 一致。
　　3) 特殊措施。图 16 中的右侧焊缝 ③ ，由于空间位置狭小，无法焊接。制作时才要将下部横隔板分段，待焊缝 ③ 焊接完毕，探伤合格后，再装配断开横隔板的部分 并焊接，从而保证整体焊接质量满足设计要求。
　　3.2.5 端面加工由于多 腔柱整体 截面较大，只能将各分段分别进行端面铣削加工 ; 各分段进行端面 铣 平时，应对构件固定牢固，并控制自身水平度以及与端铣机之间的垂直度，端面的铣平精度应控制在 0.5mm 内。
　　a— 正面焊接，顺序 ①→②→③→④ ，为保证焊缝 ③ ，横隔板与外侧板处断开 ;b— 翻身焊接，顺序 ⑤→⑥→⑦→⑧→⑨→⑩;c— 装配断开横隔板的部分并焊接。
　　图 16 多腔柱的 焊接顺序
　　4 计算机模拟
　　预拼装技术出厂前对构件进行整体预拼装是对构件尺寸检验的最好方式。但由于超高层建筑的巨型柱，特别是多腔巨型柱外形尺寸较大，进行实体预拼装存在场地、周期、成本、安全等各方面问题。为解决超大构件预拼装问题，通过专用软件开发，研究了一整套计 算机模拟预拼装方法 。计算机模拟预拼装方法步骤如下 :
　　1) 从设计模型中确定需要预拼装构件的整体范围，并对参与预拼装构件现场拼接接口的控制点进行选择、编号、给出理论坐标，形成构件测量检查 记录表。
　　2) 对构件的安装控制点进行测量，并将测量数据导入专用软件。
　　3) 通过专用软件的坐标体系转换，对构件实测的控制点坐标与理论模型坐标进行匹配，由软件自动给出匹配偏差，并标注大于允许偏差的位置点。 对超差的构件进行矫正并重新测量，直至合格。
　　4) 通过软件，将全部单根构件的实测数据坐标模型进行模拟预搭载，对接口控制点坐标数据进行自动匹配，并给出匹配偏差。当控制点匹配数值超过现场安装的允许偏差时，即需要对构件进行矫正， 从而达到预拼装的目的 。
　　5 结束语
　　1) 通过对超高层建筑钢结构的结构形式、构件类型进行分析，分别总结了超高层钢结构中常见的典型巨型柱的结构形式及技术难点。
　　2) 巨型柱是超高层建筑钢结构中典型的受力构件，通过适当分段、合理控制装配工艺、整体预装检验等措施，可以有效保证结构件的加工质量。
　　3) 由于超高层建筑钢结构的外形尺寸较大，实体预拼装检测困难，通过计算机模拟预拼装技术，在保证构件质量控制的基础上，可有效解决实体预拼装的工期、成本、安全等问题。